El diseño para fabricación aditiva ( DfAM o DFAM ) es un diseño para la fabricación aplicada a la fabricación aditiva (AM). Es un tipo general de métodos o herramientas de diseño mediante los cuales se pueden optimizar el rendimiento funcional y/u otras consideraciones clave del ciclo de vida del producto, como la fabricación, la confiabilidad y el costo, en función de las capacidades de las tecnologías de fabricación aditiva. [1]
Este concepto surge debido a la enorme libertad de diseño que brindan las tecnologías de fabricación aditiva. Para aprovechar al máximo las capacidades únicas de los procesos de fabricación aditiva, se necesitan métodos o herramientas de DfAM. Los métodos o herramientas de DfAM típicos incluyen la optimización de la topología , el diseño de estructuras multiescala (estructuras reticulares o celulares), el diseño de múltiples materiales, la personalización en masa , la consolidación de piezas y otros métodos de diseño que pueden hacer uso de las características habilitadas para la fabricación aditiva.
La DfAM no siempre está separada de la DFM más amplia, ya que la fabricación de muchos objetos puede implicar pasos tanto aditivos como sustractivos. No obstante, el nombre "DfAM" tiene valor porque centra la atención en el hecho de que la comercialización de la fabricación aditiva en los roles de producción no es sólo una cuestión de averiguar cómo cambiar las piezas existentes de sustractivas a aditivas. Más bien, se trata de rediseñar objetos enteros (conjuntos, subsistemas) en vista de la nueva disponibilidad de la fabricación aditiva avanzada. Es decir, implica rediseñarlos porque todo su diseño anterior (incluso cómo, por qué y en qué lugares se dividieron originalmente en partes discretas) fue concebido dentro de las limitaciones de un mundo en el que la fabricación aditiva avanzada aún no existía. Por lo tanto, en lugar de simplemente modificar el diseño de una pieza existente para permitir que se fabrique de forma aditiva, la DfAM completa implica cosas como reimaginar el objeto en su conjunto de modo que tenga menos piezas o un nuevo conjunto de piezas con límites y conexiones sustancialmente diferentes. Por lo tanto, el objeto puede dejar de ser un conjunto en absoluto, o puede ser un conjunto con muchas menos piezas. En la década de 2010 han surgido muchos ejemplos de este profundo impacto práctico de la DfAM, a medida que la fabricación aditiva amplía enormemente su comercialización. Por ejemplo, en 2017, GE Aviation reveló que había utilizado la DfAM para crear un motor de helicóptero con 16 piezas en lugar de 900, con un gran impacto potencial en la reducción de la complejidad de las cadenas de suministro . [2] Es este aspecto de replanteamiento radical el que ha dado lugar a temas como que "la DfAM requiere una 'disrupción a nivel empresarial'". [3] En otras palabras, la innovación disruptiva que la fabricación aditiva puede permitir puede extenderse lógicamente a toda la empresa y su cadena de suministro, no solo cambiar el diseño de un taller de máquinas.
El análisis DfAM abarca tanto temas generales (que se aplican a muchos procesos de fabricación aditiva) como optimizaciones específicas para un proceso de fabricación aditiva en particular. Por ejemplo, el análisis DFM para estereolitografía maximiza el análisis DfAM para esa modalidad.
La fabricación aditiva se define como un proceso de unión de materiales, mediante el cual un producto se puede fabricar directamente a partir de su modelo 3D, generalmente capa sobre capa. [4] En comparación con las tecnologías de fabricación tradicionales, como el mecanizado CNC o la fundición, los procesos AM tienen varias capacidades únicas. Permiten la fabricación de piezas con una forma compleja, así como una distribución compleja de materiales. [5] Estas capacidades únicas amplían significativamente la libertad de diseño para los diseñadores. Sin embargo, también suponen un gran desafío. Las reglas o pautas tradicionales de diseño para fabricación (DFM) están profundamente arraigadas en la mente de los diseñadores y restringen severamente a los diseñadores para mejorar aún más el rendimiento funcional del producto aprovechando estas capacidades únicas que brindan los procesos AM. Además, las herramientas CAD tradicionales basadas en características también son difíciles de manejar con geometría irregular para la mejora del rendimiento funcional. Para resolver estos problemas, se necesitan métodos o herramientas de diseño para ayudar a los diseñadores a aprovechar al máximo la libertad de diseño que brindan los procesos AM. Estos métodos o herramientas de diseño se pueden clasificar como Diseño para fabricación aditiva.
La optimización topológica es un tipo de técnica de optimización estructural que puede optimizar la disposición del material dentro de un espacio de diseño determinado. En comparación con otras técnicas de optimización estructural típicas, como la optimización del tamaño o la optimización de la forma, la optimización topológica puede actualizar tanto la forma como la topología de una pieza. Sin embargo, las formas complejas optimizadas obtenidas a partir de la optimización topológica siempre son difíciles de manejar para los procesos de fabricación tradicionales, como el mecanizado CNC. Para resolver este problema, se pueden aplicar procesos de fabricación aditiva para fabricar el resultado de la optimización topológica. [6] Sin embargo, debe tenerse en cuenta que algunas restricciones de fabricación, como el tamaño mínimo de las características, también deben considerarse durante el proceso de optimización topológica. [7] Dado que la optimización topológica puede ayudar a los diseñadores a obtener una geometría compleja óptima para la fabricación aditiva, esta técnica puede considerarse uno de los métodos DfAM.
Debido a las capacidades únicas de los procesos de fabricación aditiva, se pueden realizar piezas con complejidades multiescala. Esto proporciona una gran libertad de diseño para que los diseñadores utilicen estructuras celulares o estructuras reticulares en escalas micro o meso para las propiedades preferidas. Por ejemplo, en el campo aeroespacial, las estructuras reticulares fabricadas mediante el proceso de fabricación aditiva se pueden utilizar para la reducción de peso. [8] En el campo biomédico, los bioimplantes hechos de estructuras reticulares o celulares pueden mejorar la osteointegración . [9]
Las piezas con múltiples materiales o con una distribución compleja de materiales se pueden lograr mediante procesos de fabricación aditiva. Para ayudar a los diseñadores a aprovechar esta capacidad, se han propuesto varios métodos de diseño y simulación [10] [11] [12] para respaldar el diseño de una pieza con múltiples materiales o materiales con clasificación funcional . Estos métodos de diseño también suponen un desafío para el sistema CAD tradicional. La mayoría de ellos solo pueden trabajar con materiales homogéneos en la actualidad.
Dado que la fabricación aditiva puede fabricar piezas directamente a partir del modelo digital de los productos, reduce significativamente el coste y el tiempo de producción de productos personalizados. Por tanto, la forma de generar rápidamente piezas personalizadas se convierte en una cuestión central para la personalización en masa. Se han propuesto varios métodos de diseño [13] para ayudar a los diseñadores o usuarios a obtener el producto personalizado de forma sencilla. Estos métodos o herramientas también pueden considerarse métodos DfAM.
Debido a las limitaciones de los métodos de fabricación tradicionales, algunos componentes complejos suelen separarse en varias partes para facilitar la fabricación y el montaje. Esta situación ha cambiado gracias al uso de tecnologías de fabricación aditiva. Se han realizado algunos estudios de casos para demostrar que algunas piezas del diseño original se pueden consolidar en una pieza compleja y fabricarse mediante procesos de fabricación aditiva. Este proceso de rediseño se puede denominar consolidación de piezas. La investigación muestra que la consolidación de piezas no solo reducirá el número de piezas, sino que también puede mejorar el rendimiento funcional del producto. [14] Los métodos de diseño que pueden guiar a los diseñadores para realizar la consolidación de piezas también se pueden considerar como un tipo de métodos DfAM.
Las estructuras reticulares son un tipo de estructuras celulares (es decir, abiertas). Estas estructuras eran anteriormente difíciles de fabricar, por lo que no se usaban ampliamente. Gracias a la capacidad de fabricación de forma libre de la tecnología de fabricación aditiva, ahora es posible diseñar y fabricar formas complejas. Las estructuras reticulares tienen propiedades mecánicas de alta resistencia y baja masa y multifuncionalidad. [15] Estas estructuras se pueden encontrar en piezas de las industrias aeroespacial y biomédica. [16] [17] Se ha observado que estas estructuras reticulares imitan la red cristalina atómica, donde los nodos y puntales representan átomos y enlaces atómicos, respectivamente, y se denominan metacristales. Obedecen los principios de endurecimiento metalúrgico (fortalecimiento del límite de grano, endurecimiento por precipitado, etc.) cuando sufren deformación. [18] Además, se ha informado de que la resistencia al rendimiento y la ductilidad de los puntales (enlaces metaatómicos) se pueden aumentar drásticamente aprovechando el fenómeno de solidificación fuera de equilibrio en la fabricación aditiva, lo que aumenta el rendimiento de las estructuras a granel. [19]
En los procesos de fabricación aditiva que utilizan calor para fundir polvo o materia prima, la consistencia del proceso y la calidad de la pieza están fuertemente influenciadas por el historial de temperatura dentro de la pieza durante la fabricación, especialmente en el caso de la fabricación aditiva de metal. [20] [21] El modelado térmico se puede utilizar para informar el diseño de la pieza y la elección de los parámetros del proceso para la fabricación, en lugar de realizar pruebas empíricas costosas. [22] [23] [24]
Las estructuras metálicas fabricadas de forma aditiva con la misma forma (macroscópica) y tamaño pero fabricadas con diferentes parámetros de proceso tienen microestructuras sorprendentemente diferentes y, por lo tanto, propiedades mecánicas. [25] Los abundantes y altamente flexibles parámetros del proceso de AM influyen sustancialmente en las microestructuras de AM. [25] Por lo tanto, en principio, se podría imprimir en 3D simultáneamente la (macro)estructura, así como la microestructura deseada, dependiendo del rendimiento esperado del componente de AM especializado bajo la carga de servicio conocida. En este contexto, la ingeniería de materiales computacionales integrada multifísica y multiescala (ICME) para el enlace computacional de la cadena proceso-(micro)estructura-propiedades-rendimiento (PSPP) se puede utilizar para buscar de manera eficiente un subespacio de diseño de AM para el punto óptimo con respecto al rendimiento de la estructura de AM bajo la carga de servicio conocida. [26] El espacio de diseño integral de AM de metal es ilimitado y de alta dimensión, que incluye todas las combinaciones posibles de composiciones de aleación, parámetros de proceso y geometrías estructurales. Sin embargo, siempre se considera un subconjunto restringido del espacio de diseño (subespacio de diseño). El rendimiento, como objetivo de diseño, dependiendo de la carga de servicio termoquímico-mecánica, puede incluir múltiples aspectos funcionales, como la capacidad de absorción de energía específica, la resistencia/vida a la fatiga, la resistencia a altas temperaturas, la resistencia a la fluencia, la resistencia a la erosión/desgaste y/o la resistencia a la corrosión. Se plantea la hipótesis de que el enfoque de diseño óptimo es esencial para desentrañar todo el potencial de las tecnologías de fabricación aditiva de metales y, por lo tanto, su adopción generalizada para la producción de componentes de soporte de carga estructuralmente críticos. [26]
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