DOMAD: Diseño, optimización y manufactura digital de piezas estructurales metálicas ligeras. Implementación en un chasis de dron UAV.
En diferentes campos e industrias, la manufactura tradicional representa una limitante para el diseño de componentes complejos, optimizados computacionalmente. Uno de los campos donde estas limitaciones se presentan con mayor evidencia es la industria aeroespacial, en la cual el peso de las estructuras es crucial.
El diseño generativo a través de la manufactura aditiva (AM, por sus siglas en inglés) representa un cambio de paradigma para la manufactura de diferentes sectores. La manufactura aditiva, en combinación con procesos de diseño y optimización estructural, permite diseñar y fabricar estructuras más ligeras y de mayor desempeño que los procesos de producción convencionales.
Dentro de esta industria, durante las últimas décadas, el desarrollo de vehículos autónomos ha tenido gran desarrollo debido a los avances en paralelo en otras áreas de la ingeniería. El vehículo aéreo no tripulado (UAV, por sus siglas en inglés) han contribuido a un rápido ritmo de innovación en diferentes sectores, y es así como sus diseños son desarrollados bajo las necesidades y requerimientos de los fabricantes.
En Chile el diseño de UAV se encuentra en desarrollo activo. Por lo cual surge la pregunta de cómo insertar integrar métodos de diseño, análisis y optimización computacional con los procesos de manufactura aditiva avanzada dentro de la industria manufacturera nacional.
La aplicación de diseño ligero es un concepto ampliamente explorado y utilizado actualmente en las industrias, especialmente en aplicaciones en piezas estructurales en donde la reducción de masa no afecte las propiedades mecánicas del sistema. En la industria aeroespacial es un término que ha ido tomando fuerza debido a los múltiples beneficios económicos y ambientales que trae.
Sin embargo, los diseños optimizados suelen dar como resultado una geometría compleja que no puede fabricarse mediante métodos de fabricación convencionales como la manufactura sustractiva debido a las limitaciones en las herramientas, o en la manufactura por fundición debido a la dificultad en el desarrollo de moldes con formas complejas. Por lo tanto, los métodos de manufactura aditiva tienen una importancia fundamental para la manufactura de diseños aligerados computacionalmente.
El objetivo de esta investigación es evaluar la efectividad del método Design for Additive Manufacturing (DfAM) en el contexto de la industria aeroespacial chilena. El proyecto se desarrolla a través de un caso de estudio real, consistente en el rediseño de una pieza estructural para un dron UAV diseñado por la Academia Politécnica Aeronáutica, desarrollando un flujo de trabajo DfAM que incluye el diseño paramétrico, la optimización topológica, la simulación del proceso de manufactura y la fabricación utilizando AM.
En este contexto, el presente trabajo define una metodología paramétrica, que combina varias herramientas a través de un marco de un workflow DfAM de diferentes proceso y softwares los cuales deberán evaluar cada área de diseño de manera versátil para definir el peso y el rendimiento del UAV en función de la aerodinámica y el rendimiento del sistema.
Este proceso de diseño paramétrico explora etapas como diseño CAD, optimización topológica, análisis de elementos finitos, análisis CFD y análisis de simulación de colada para el molde 3DSP. Posterior a esto y validando la idea a través de software se procede a la manufactura de los moldes para la colada de la pieza por medio de impresión 3D Binder Jetting(3DSP), para pasar a un proceso externo de colada en algún material metálico escogido en función a la eficiencia estructural, el rendimiento del vuelo, la carga útil, el consumo de energía, la seguridad y la confiabilidad, el costo del ciclo de vida, la reciclabilidad y la huella de carbono.
El proyecto concluye con un análisis comparativo de la pieza original y la pieza optimizada, cotejando variables estructurales, económicas y ambientales, generando recomendaciones para la aplicación de DfAM y manufactura aditiva en la industria aeroespacial chilena.
