Diseño Generativo: Optimización del Acoplador de Soplador para alveo

Descripción general

IMT optimizó un acoplador de soplador para alveo, enfatizando la mínima pérdida de presión, la eficiencia del material y la geometría optimizada para el flujo. Utilizando diseño generativo y fabricación aditiva, se redujo la presión diferencial en un 13%, utilizando menos material.

Figura 1: conjunto de soplador alveolar con acoplador de soplador

Fondo

Desarrollar componentes mecánicos complejos requiere métodos innovadores para mejorar la eficiencia y el rendimiento. IMT utilizó diseño generativo para optimizar el acoplador del soplador para alveo, con el objetivo de reducir la presión diferencial y el volumen interno mientras se minimiza el uso de material. Todas las variaciones de diseño fueron fabricadas aditivamente y probadas para validar la mejor solución, logrando una reducción del 13% en la presión diferencial en comparación con el diseño original. Este éxito subrayó que el pleno potencial del diseño generativo solo se realiza a través de la fabricación aditiva, que permite estructuras optimizadas para el flujo.

Introducción

Los dispositivos de tecnología médica moderna están experimentando una creciente demanda de un mejor rendimiento y eficiencia de recursos. A IMT se le asignó el desarrollo de un acoplador de soplador para un simulador de pulmón diseñado para su subsidiaria, IMT Analytics. El objetivo era minimize la pérdida de presión y el volumen interno mientras se utilizan los materiales de manera efectiva. Esto se logró a través de prácticas de ingeniería tradicionales y utilizando herramientas como Autodesk Fusion 360, un software de diseño asistido por computadora (CAD), y Ansys FLUENT, un software de dinámica de fluidos computacional (CFD).

¿Qué es el Diseño Generativo?

El diseño generativo emplea algoritmos e inteligencia artificial para crear geometrías de componentes optimizadas. Los ingenieros definen las condiciones, como los requisitos fluidos y las restricciones de material, mientras que el software genera múltiples soluciones potenciales inspiradas en estructuras naturales. La mejor geometría se determina a través de simulaciones iterativas. Este método es particularmente efectivo con la fabricación aditiva, que puede producir formas complejas que la fabricación tradicional no puede.

Optimización a través del Diseño Generativo

Figura 2: Iteraciones del acoplador del soplador

1. Diseño y simulación manual

Un ingeniero experimentado primero modeló una geometría convencional para el acoplador del soplador. Esto fue simulado y probado con FLUENT. La primera versión fue luego fabricada aditivamente y medida con precisión para obtener datos precisos que validaran la simulación.

2. Diseño generativo con Fusion 360

La misma tarea se pasó a un algoritmo de diseño generativo en Fusion 360. El molde generado también fue simulado, luego fabricado aditivamente y medido. Los resultados de la prueba mostraron que esta variante tuvo un rendimiento inferior al del modelo desarrollado manualmente debido a parámetros de entrada inadecuados, como requisitos fluidos incorrectos y restricciones de material.

Figura 3: Variantes de acopladores producidas por diseño generativo

Corregir los parámetros mejoró los resultados. Además, se implementaron estructuras de celosía para optimizar aún más el uso de materiales. Estas estructuras de celosía reducen significativamente el peso y el material mientras preservan la integridad estructural. Tales diseños fueron particularmente beneficiosos en componentes optimizados para el flujo, promoviendo una distribución uniforme del aire.

Figura 4: Reducción de material mediante estructura reticular

3. Optimización Fina

La iteración final presentó una forma diseñada optimizada a través de la deformación de malla en FLUENT.

Esta versión fue fabricada aditivamente y medida, resultando en una reducción del 13% en la presión diferencial mientras se utiliza menos material, manteniendo el mismo volumen, modificando los grosores de las paredes e introduciendo una estructura de celosía para mejorar aún más el rendimiento. Esta forma optimizada solo se pudo lograr a través de la fabricación aditiva, ya que los métodos convencionales no pueden crear estructuras tan complejas y optimizadas para el flujo.

La iteración final combinó la forma impulsada por la ingeniería con optimizaciones adicionales utilizando la deformación de mallas en FLUENT. Este proceso implicó refinar la geometría en función de los resultados de las simulaciones iniciales, lo que llevó a un diseño más eficiente y efectivo.

Figura 5: Diseño Final

Conclusión

El diseño generativo es indudablemente efectivo en la optimización de formas, pero no reemplaza la experiencia crítica de los ingenieros. Las soluciones más sustanciales surgen de una combinación decisiva de principios de ingeniería clásica, técnicas de simulación avanzadas y diseño generativo. En las fases finales de nuestros proyectos, hemos empleado con confianza la fabricación aditiva y mediciones precisas para validar nuestros resultados, logrando una notable reducción del 13% en la presión diferencial.

Además, las ventajas completas del diseño generativo se realizan exclusivamente a través de la fabricación aditiva, lo que permite geometrías optimizadas para un flujo superior. En IMT, estamos comprometidos a aprovechar el diseño generativo para desarrollar soluciones innovadoras que satisfagan y superen los complejos desafíos de nuestros clientes.