PROCESO COMPLETO DE OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA DE UNA PIEZA SOPORTE … · 2017-07-21 · en 3D. El esquema del proyecto se plantea de la siguiente manera: escaneo de la pieza escogida,

Proceso completo de optimización topológica

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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA

(ICAI)

GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

Especialidad Mecánica

PROCESO COMPLETO DE

OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA DE UNA

PIEZA SOPORTE PARA UN BLOQUE

MOTOR

Autor: Fernando Lozano Zurita

Directores: Alberto Carnicero López

Mariano Jiménez Calzado

Silvia Fernández Villamarín

Madrid

Julio 2017


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AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN RED DE

PROYECTOS FIN DE GRADO, FIN DE MÁSTER, TESINAS O MEMORIAS DE

BACHILLERATO

1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.

El autor D. FERNANDO LOZANO ZURITA

DECLARA ser el titular de los derechos de propiedad intelectual de la obra: PROCESO COMPLETO

DE OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA DE UNA PIEZA SOPORTE PARA UN BLOQUE MOTOR que

ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad

Intelectual.

2º. Objeto y fines de la cesión.

Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de

la Universidad, el autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas, de forma gratuita y no

exclusiva, por el máximo plazo legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de

archivo, de reproducción, de distribución y de comunicación pública, incluido el derecho de

puesta a disposición electrónica, tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El

derecho de transformación se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra a) del apartado

siguiente.

3º. Condiciones de la cesión y acceso

Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión

de derechos contemplada en esta licencia habilita para:

a) Transformarla con el fin de adaptarla a cualquier tecnología que permita incorporarla a

internet y hacerla accesible; incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e

incorporar “marcas de agua” o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.

b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica,

incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de

garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato.

c) Comunicarla, por defecto, a través de un archivo institucional abierto, accesible de modo

libre y gratuito a través de internet.

d) Cualquier otra forma de acceso (restringido, embargado, cerrado) deberá solicitarse

expresamente y obedecer a causas justificadas.

e) Asignar por defecto a estos trabajos una licencia Creative Commons.

f) Asignar por defecto a estos trabajos un HANDLE (URL persistente).

4º. Derechos del autor.

El autor, en tanto que titular de una obra tiene derecho a:

a) Que la Universidad identifique claramente su nombre como autor de la misma

b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través

de cualquier medio.

c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada.

d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras

personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos

de propiedad intelectual sobre ella.

5º. Deberes del autor.

El autor se compromete a:

a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún

derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.

b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la

intimidad y a la imagen de terceros.


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c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que

pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e

intereses a causa de la cesión.

d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por

infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.

6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.

La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y respetuoso

con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines de estudio,

investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad asume los siguientes

deberes y se reserva las siguientes facultades:

➢ La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no

garantiza ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un

uso posterior de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá

de la copia privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se

obtenga beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas.

➢ La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo

la responsabilidad exclusive del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en

nombre del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual

derivados del depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación

frente a la Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los

usuarios hagan uso de las obras.

➢ La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un

futuro.

➢ La Universidad se reserva la facultad de retirar la obra, previa notificación al autor, en

supuestos suficientemente justificados, o en caso de reclamaciones de terceros.

Madrid, a 13 de JULIO de 2017

ACEPTA

Fdo:

Motivos para solicitar el acceso restringido, cerrado o embargado del trabajo en el Repositorio

Institucional:


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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA

(ICAI)

GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

Especialidad Mecánica

PROCESO COMPLETO DE

OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA DE UNA

PIEZA SOPORTE PARA UN BLOQUE

MOTOR

Autor: Fernando Lozano Zurita

Directores: Alberto Carnicero López

Mariano Jiménez Calzado

Silvia Fernández Villamarín

Madrid

Julio 2017


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PROCESO COMPLETO DE OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA DE UNA

PIEZA SOPORTE PARA UN BLOQUE MOTOR

Autor: Lozano Zurita, Fernando

Directores: Carnicero López, Alberto; Jiménez Calzado Mariano; Villamarín Fernández

Silvia.

Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas

RESUMEN DEL PROYECTO

Introducción

El principal objetivo del presente proyecto se fundamenta la realización de un proceso

completo de optimización topológica, partiendo de una geometría y unas condiciones de

contorno iniciales. Adicionalmente, resulta de gran importancia obtener la mayor

cantidad de información posible relativa los problemas encontrados durante los

diferentes procesos, pues esta tecnología es relativamente reciente y se entiende que

posee un importante margen de mejora en algunos aspectos.

Dentro de los diferentes ámbitos tecnológicos que intervienen en la realización de la

tarea propuesta, podemos clasificar los mismos en cuatro grupos principales: ingeniería

inversa, análisis por elementos finitos, programas de post-procesamiento e impresión

en 3D. El esquema del proyecto se plantea de la siguiente manera: escaneo de la pieza

escogida, procesamiento de la información y generación de modelo computacional,

análisis por elementos finitos, optimización topológica, impresión 3D y ensayos finales.

Por parte de la ingeniería inversa, en líneas generales el término hace referencia a un

proceso de diseño en el que se parte de un modelo final del que obtener la información,

siendo este el sentido contrario a los planteamientos tradicionales. Dentro de esta

disciplina, en aplicaciones directamente ingenieriles podemos encontrar los métodos de

escaneo tridimensional, tales como el escáner láser o el escáner por luz estructurada,

que serán utilizados en este proyecto. Estas tecnologías son de desarrollo reciente y, por

lo tanto, los softwares y aplicaciones que intervienen en ellas son susceptibles de

mejora.

En referencia al análisis por elementos finitos de modelos computacionales, se utilizará

el programa ANSYS Workbench en su versión 17.1, junto con una extensión adicional

de optimización topológica. Otro punto interedante dentro del proyecto se basará en

realizar una comparativa cualitativa entre los modelos optimizados obtenidos en esta

versión y los generados en la versión 18.1 de este mismo programa.


8

Durante el transcurso del proyecto, se hará necesaria la utilización de un programa de

post-procesamiento de modelos computacionales denominado Space Claim, junto con

su extensión “STL Prepare”, también de reciente implementación. El objetivo de esta

herramienta se fundamenta en conseguir modificar los modelos de manera adecuada,

tanto para poder trabajar con ellos por elementos finitos, como para poder imprimirlos

posteriormente en 3D.

Por otra parte, en lo que respecta a las impresoras 3D y los procesos necesarios para

obtener modelos prototipados mediante esta tecnología, se pretende comprobar la

solidez estructural con respecto a la metodología a seguir y la calidad de los resultados

obtenidos. Esto es debido a que las impresoras 3D conforman un ámbito tecnológico

mucho más desarrollado que los procesos mencionados con anterioridad.

Metodología y resultados

Inicialmente, se escaneará la pieza escogida mediante las dos tecnologías mencionadas

anteriormente y se compararán los resultados obtenidos para seleccionar el que aporte

un modelo de mayor calidad. Este tipo de herramientas, genera una nube de puntos por

cada uno de los barridos realizados sobre la pieza. En este sentido, la calibración de las

máquinas y el diseño del procedimiento a seguir resultan de alta importancia. En las

siguientes imágenes, se puede ver cada uno de los dos procesos mencionados

anteriormente durante su realización.

Escáner láser Escáner de luz estructurada

Los resultados obtenidos mediante el escáner de luz estructurada resultan ser de mejor

calidad y, por tanto, se comenzó a trabajar sobre este modelo. El siguiente paso se basa

en tratar la información obtenida mediante el programa GeoMagic, con el fin de

disponer de un modelo computacional de calidad para ser trasladado posteriormente a

ANSYS Workbench, donde es crucial disponer de la resolución suficiente como para

poder analizar los esfuerzos a los que se someterá la pieza por el método de división en

elementos finitos. En la siguiente imagen se puede ver el modelo resultante del

tratamiento de la nube de punto en GeoMagic.


9

Modelo computacional generado con GeoMagic

A continuación, resultó necesaria la utilización de Space Claim como segundo

procesador para conseguir los resultados requeridos, debido principalmente a que

ANSYS no era capaz de interpretar las caras de la pieza de manera correcta. En la

imagen se muestra el modelo después de pasar por dicho programa.

Modelo computacional generado en SpaceClaim

Posteriormente, se procede a introducir las condiciones de contorno del diseño en el

programa ANSYS Workbench. La idea es representar la funcionalidad real de la pieza

de la manera más precisa posible. Una vez se dispone de estas condiciones, se procede a

realizar la optimización topológica con ayuda de la extensión mencionada. En las

siguiente imágenes, se pueden ver los esfuerzos reales a los que se encuentra sometida

la pieza y posteriormente el modelo ya optimizado.

Esfuerzos sobre el modelo Optimización topológica


10

Por último, el modelo debe volver a pasar por SpaceClaim para preparar la geometría

para la impresión en 3D, suavizando las zonas irregulares y asegurando la hermeticidad

y falta de solapamientos del modelo. En la siguiente imagen se muestra el diseño final

en procesamiento.

Modelo final en procesamiento

Finalmente se procede a la impresión en 3D de la pieza y a la realización de un ensayo

de tracción con el objetivo de comprobar si la optimización ha sido realizada de manera

correcta. En las siguientes imágenes, se puede ver la pieza impresa, el ensayo realizado,

y el resultado final.

Pieza en su posición de funcionamiento Ensayo de tracción

Fractura generada durante el ensayo Gráfica de tensión durante el ensayo


11

Conclusiones

En líneas generales, se considera que el proceso de optimización no se encuentra

completamente desarrollado, si bien es verdad que los principales problemas residen en

errores en los programas computacionales y no en la metodología del proceso.

Se han podido cumplir los objetivos propuestos y se ha obtenido un modelo con buenas

propiedades fruto de la combinación entre las tecnologías que han intervenido en el

proyecto.

Dentro de los inconvenientes más notorios de las tecnologías en desarrollo que han

intervenido, conviene destacar los siguientes:

✓ Necesidad de aplicar una gran cantidad de trabajo de post-procesamiento para

poder obtener un modelo útil tras el escáner láser.

✓ Inexistencia en comandos que adapten superficies concretas a geometrías

exactas tales como planos o cilindros.

✓ El tratamiento de modelos de calidad en sencillo, mientras que el tratamiento de

archivos con importantes imperfecciones es altamente complejo.

✓ Excesivo tamaño de los archivos generados tras la utilización de la extensión

“STL Prepare” en SpaceClaim, que imposibilita su posterior utilización dentro

de ANSYS Workbench.

✓ La mayoría de los comandos de optimización no están implementados en la

versión 17.1, y los resultados en la versión 18.1 no son significativamente

diferentes.


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FULL PROCESS OF TOPOLOGICAL OPTIMIZATION OF A PART

SUPPORT FOR A MOTOR BLOCK

Author: Lozano Zurita, Fernando

Directors: Carnicero López, Alberto; Jiménez Calzado Mariano; Villamarín Fernández

Silvia.

Collaborating Entity: ICAI - Universidad Pontificia Comillas

SUMMARY

Introduction

The main objective of the present project is based on the realization of a complete

process of topological optimization, starting from an initial geometry and contour

conditions. In addition, it is of great importance to obtain as much information as

possible regarding the problems encountered during the different processes, as this

technology is relatively recent and it is understood that it has an important margin of

improvement in some aspects.

Within the different technological areas involved in carrying out the proposed task, we

can classify them into four main groups: reverse engineering, finite element analysis,

post-processing programs and 3D printing. The project scheme is as follows: scanning

of the chosen piece, information processing and computational model generation, finite

element analysis, topological optimization, 3D printing and final tests.

By reverse engineering, in general terms the term refers to a design process in which it

is part of a final model from which to obtain the information, which is the opposite of traditional approaches. Within this discipline, in directly engineering applications we

can find the three-dimensional scanning methods, such as the laser scanner or the

scanner by structured light, that will be used in this project. These technologies are of

recent development and, therefore, the softwares and applications that intervene in them

are susceptible of improvement.

In reference to the finite element analysis of computational models, the ANSYS

Workbench program in its version 17.1 will be used, along with an additional extension

of topological optimization. Another interim point within the project will be based on a

qualitative comparison between the optimized models obtained in this version and those

generated in version 18.1 of this same program.


13

During the course of the project, it will be necessary to use a post-processing program

of computational models called Space Claim, along with its extension "STL Prepare",

also of recent implementation. The objective of this tool is based on being able to

modify the models in an appropriate way, both to be able to work with them by finite

elements, and to be able to subsequently print them in 3D.

On the other hand, with regard to the 3D printers and the processes necessary to obtain

prototyped models using this technology, it is tried to verify the structural solidity with

respect to the methodology to follow and the quality of the obtained results. This is due

to the fact that 3D printers form a much more developed technological field than the

previously mentioned processes.

Methodology and results

Initially, the selected piece will be scanned using the two technologies mentioned above

and the results obtained will be compared to select the one that provides a higher quality

model. This type of tool generates a cloud of points for each of the sweeps made on the

piece. In this sense, the calibration of the machines and the design of the procedure to

follow are of high importance. In the following images, you can see each of the two

processes mentioned above during their realization.

Laser scanner Structured light scanner

The results obtained using the structured light scanners prove to be of better quality and,

therefore, work on this model was started. The next step is to treat the information

obtained through the GeoMagic program, in order to have a quality computational

model to be transferred later to ANSYS Workbench, where it is crucial to have

sufficient resolution to analyze the efforts which will be subjected to the finite element

method. In the following image you can see the model resulting from the processing of

the point cloud in GeoMagic.


14

Computational model generated by GeoMagic

Then, it was necessary to use Space Claim as the second processor to achieve the

required results, mainly because ANSYS was not able to interpret the faces of the part

correctly. The image shows the model after passing through said program.

Computational model generated by SpaceClaim

Subsequently, the contour conditions of the design are introduced in the ANSYS

Workbench program. The idea is to represent the actual functionality of the part in the

most accurate way possible. Once these conditions are available, the topological

optimization is carried out with the help of the mentioned extension. In the following

images, you can see the actual efforts to which the piece is subjected and then the

already optimized model.

Efforts in the model Topology optimization


15

Finally, the model must pass through SpaceClaim to prepare the geometry for 3D

printing, smoothing the irregular areas and ensuring the hermeticity and lack of overlaps

of the model. The following image shows the final design in processing.

Final model while processing

We proceed to the 3D printing of the piece and to the realization of a tensile test in order

to check if the optimization has been done correctly. In the following images, you can

see the printed piece, the test performed, and the final result.

Piece in its working position Traction test

Fracture generated during the test Graph of tension during the test


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Conclusions

In general terms, it is considered that the optimization process is not completely

developed, although it is true that the main problems lie in errors in the computational

programs and not in the methodology of the process.

The proposed objectives have been achieved and a model with good properties has

been obtained as a result of the combination of the technologies that have intervened in

the project.

Among the most conspicuous drawbacks of the developing technologies that have

intervened, it is worth noting the following:

✓ Need to apply a large amount of post-processing to get a useful model after the

laser scanner.

✓ Non-existent in commands that adapt concrete surfaces to exact geometries

such as planes or cylinders.

✓ The treatment of quality models in simple, while the treatment of files with

important imperfections is highly complex.

✓ Excessive size of the files generated after using the "STL Prepare" extension in

SpaceClaim, which makes it impossible to use them within ANSYS

Workbench.

✓ Most optimization commands are not implemented in version 17.1, and the

results in version 18.1 are not significantly different.


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ÍNDICE

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN AL PROYECTO………………………………………………….…………..23

1.1 Introducción…………………………………………………………………………………………………………24

1.2 Motivación del proyecto………………………………………………………………………………………26

1.3 Metodología del proyecto……………………………………………………………………………………27

1.4 Conclusiones………………………………………………………………………………………………………..29

CAPÍTULO 2: ESTADO DE LA TÉCNICA…………………………………………………………………………31

2.1 Introducción………………………………………………………………………………………………………..32

2.2 Ingeniería inversa y metodologías de escaneo de piezas……………………………………..33

2.3 Optimización topológica………………………………………………………………………….…………..38

2.4 Impresión de modelos en 3D…………………………………………………………………..……………41

CAPÍTULO 3: OBTENCIÓN DEL MODELO COMPUTACIONAL……………………………………….43

3.1 Introducción…………………………………………………………………………………………………………44

3.2 Preparación de la pieza y los equipos……………………………………………………………………45

3.3 Escaneo de la pieza………………………………………………………………………………………………48

3.4 Comparativa ente las nubes de puntos…………………………………………………………………51

3.5 Tratamiento de las nubes de puntos…………………………………………………………………….54

3.6 Conclusiones………………………………………………………………………………………..………………61

CAPÍTULO 4: OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA DEL MODELO……………………………….…………63

4.1 Introducción…………………………………………………………………………………………………………64

4.2 Preparación del modelo……………………………………………………………………………………….66

4.3 Condiciones de funcionamiento de la pieza………………………………………………………….71

4.4 optimización topológica……………………………………………………………………………………….78

4.5 Post-procesamiento del modelo optimizado…………………………………..……………………88

4.6 Conclusiones………………………………………………………………………………………………………..91


18

CAPÍTULO 5: IMPRESIÓN 3D DEL MODELO OPTIMIZADO……………………………………………95

5.1 Introducción…………………………………………………………………………………………………………96

5.2 Características de la impresora……………………………………………………………………….……97

5.3 Impresión en 3D del modelo…………………………………………………………………………………99

5.4 Análisis de la pieza impresa……………………………………………………………………………….100

5.5 Conclusiones…………………………………………………………………………………………..……….…103

CAPÍTULO 6: ENSAYO DE TRACCIÓN SOBRE LA PIEZA IMPRESA EN 3D……………………..105

6.1 Introducción……………………………………………………………………………………………………….106

6.2 Fabricación de los soportes laterales………………………………………………………………….107

6.3 Ensayo de tracción……………………………………………………………………………..………………110

6.4 Conclusiones………………………………………………………………………………………………………114

CAPÍTULO 7: CONCLUSIONES Y ASPECTOS A MEJORAR EN LOS PROCESOS QUE HAN

INTERVENIDO EN EL PROYECTO……………………………………………………………………….………115

7.1 Aspectos a mejorar en los procesos……………………………………………………………………116

7.2 Conclusiones………………………………………………………………………………………………………119

BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………………………………….……….123


19

ÍNDICE DE FIGURAS

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN AL PROYECTO………………………………………………….…………..23

Figura 1.1.1 Ejemplo de optimización de forma………………………………………………………….24

Figura 1.1.2 Ejemplos de optimización de topología…………………………………………………..25

Figura 1.1.3 Escáner láser…………………………………………………………………………………………25

Figura 1.1.4 Escáner por luz estructurada…………………………………………………………………..25

Figura 1.2.1. Esquema genérico sobre el proceso completo de ingeniería inversa………26

CAPÍTULO 2: ESTADO DE LA TÉCNICA…………………………………………………………………………31

Figura 2.2.1 Proceso de ingeniería inversa………………………………………………………………….33

Figura 2.2.2 Ejemplo de programa de fotogrametría………………………………………………….34

Figura 2.2.3 Máquina de medición tridimensional con palpador……………………………….34

Figura 2.2.4 Escáner láser FARO………………………………………………………………………………..35

Figura 2.2.5 Escáner de luz estructurada CAPTURE…………………………………………………….36

Figura 2.2.6 Ventana gráfica del programa Geomagic……………………………………………….36

Figura 2.3.1 Perfil de optimización topológica……………………………………………………………39

Figura 2.4.1 Ejemplo de modelado 3D por capas……………………………………………………….41

Figura 2.4.2 Ejemplos de geometrías irrealizables por otros métodos……………………….42

CAPÍTULO 3: OBTENCIÓN DEL MODELO COMPUTACIONAL……………………………………….43

Figura 3.2.1 Calibrador del palpador utilizado en el proyecto……………………………………..46

Figura 3.2.2 Patrón para la calibración del láser…………………………………………………………47

Figura 3.3.1 Escáner láser sobre la pieza……………………………………………………………………48

Figura 3.3.2 Escáner de luz estructurada……………………………………………………………………50


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Figura 3.3.3 Escáner de luz estructurada en funcionamiento……………………………………..50

Figura 3.4.1 Nube de punto escáner láser………………………………………………………………….51

Figura 3.4.2 nube de puntos obtenida por luz estructurada………………………………………..52

Figura 3.5.1 Rellenado de agujeros…………………………………………………………………………….55

Figura 3.5.2 Modelo mallado sobre la nube de puntos……………………………………………….56

Figura 3.5.3 Relleno agujeros planos para conseguir generar caras del contorno………58

Figura 3.5.4 Modelo final previo a conversión en sólido de la malla de triángulos………58

Figura 3.5.5 Primero modelo sólido………………………………………………………………………….…59

CAPÍTULO 4: OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA DEL MODELO……………………………….…………63

Figura 4.2.1 Modelo sólido trasladado a ANSYS Workbench………………………………………66

Figura 4.2.2 Proceso de unión de caras………………………………………………………………………67

Figura 4.2.3 Fusión de caras y superficie sin rellenar…………………………………………….……68

Figura 4.2.4 Mallado y suavizado……………………………………………………………………………..70

Figura 4.2.5 Modelo final pre-optimización………………………………..………………………………70

Figura 4.3.1 Primer mallado de la pieza……………………………………………………………………..71

Figura 4.3.2 Error al intentar reducir el tamaño de los diferenciales…………………………..72

Figura 4.3.3 Momento torsor……………………………………………………………………………………..74

Figura 4.3.4 Presión ejercida por los tornillos……………………….…………………..….……………74

Figura 4.3.5 fuerza de tracción……………………………………………………………………………………75

Figura 4.3.6 Resultante de la suma de las fuerzas remotas…………………………………………75

Figura 4.3.7 Esfuerzos generados en el modelo………………………………………………………….76

Figura 4.3.8 Deformaciones generadas en el modelo………………………………………………….76

Figura 4.4.1 Conexión entre herramientas del programa…………………………………………...78

Figura 4.4.2 Selección del volumen completo……………………………………………………….……79

Figura 4.4.3 Exclusión de la zona de apoyo interior de un tornillo………………………………79


21

Figura 4.4.4 Exclusión de apoyo sobre el motor (1)……………………………………………………80



Figura 4.4.7 Exclusión de apoyo sobre la rueda de la cadena de transmisión……………..81

Figura 4.4.8 Exclusión del apoyo interior de la sujeción del disco……………………………….82

Figura 4.4.9 Exclusión del apoyo superior de un tornillo……………………………………….……82

Figura 4.4.10 Primer modelo optimizado obtenido……………………………………………………84

Figura 4.4.11 Segundo modelo optimizado obtenido………………………………………………….85

Figura 4.4.12 Tercer modelo optimizado obtenido…………………………………………………….85

Figura 4.4.13 Cuarto modelo optimizado obtenido…………………………………………………….86

Figura 4.4.14 Tercer modelo en etapa de post-procesado…………………………………………..86

Figura 4.4.15 Modelo final optimizado topológicamente (sin c.s.)………………………………87

Figura 4.4.16 Modelo final optimizado topológicamente (con c.s.)…………………………….87

Figura 4.5.1 Post-procesamiento fallido……………………………………………………………………..89

Figura 4.5.2 Procesamiento del modelo final………………………………………………………………90

Figura 4.6.2 Modelo optimizado en la versión 18.1…………………………………………………….92

CAPÍTULO 5: IMPRESIÓN 3D DEL MODELO OPTIMIZADO……………………………………………95

Figura 5.2.1 Materiales que utiliza la impresora con lista de precios………………………….97

Figura 5.2.2 Impresora utilizada en el proyecto………………………………………………………….98

Figura 5.4.1 Vista general de la pie..za impresa en 3D………………………………………………100

Figura 5.4.2 Pieza en su posición de funcionamiento (1)…………………………………………..101




22

CAPÍTULO 6: ENSAYO DE TRACCIÓN SOBRE LA PIEZA IMPRESA EN 3D……………………..105

Figura 6.2.1 Punteado para facilitar entrada de la broca………………………………………….107

Figura 6.2.2 Taladradora………………………………………………………………………………………….108

Figura 6.2.3 Sierra de corte………………………………………………………………………………………109

Figura 6.2.4 Soporte sobre la pieza…………………………………………………………………………..109

Figura 6.3.1 Pieza colocada en la máquina de tracción…………………………………………….110

Figura 6.3.2 Grietas durante el ensayo de tracción…………………………………………………..111

Figura 6.3.3 Pieza fracturada tras el ensayo de tracción (1)……………………..………………112

Figura 6.3.4 Pieza fracturada tras el ensayo de tracción (2)……………………….…………….112

Figura 6.3.5 Valores de tensión obtenidos durante el ensayo (kN)………………….………..113

CAPÍTULO 7: CONCLUSIONES Y ASPECTOS A MEJORAR EN LOS PROCESOS QUE HAN

INTERVENIDO EN EL PROYECTO……………………………………………………………………….………115

Figura 7.2.1 Pieza original………………………………………………………………………………………..119

Figura 7.2.2 Modelo final del post-tratamiento de la nube de puntos………………………119

Figura 7.2.3 Modelo final en el proceso de adaptación a ANSYS………………………………120

Figura 7.2.4 Modelo optimizado en ANSYS Workbench……………………………………………120

Figura 7.2.5 Modelo final tras el post-procesamiento del anterior……………………………120

Figura 7.2.6 Pieza impresa en 3D…………………………………………………………………………….121

Figura 7.2.7 Resultado del ensayo de tracción………………………………………………………….121


23

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN AL

PROYECTO


24

1.1 Introducción

Uno de los grandes problemas clásicos de la ingeniería consiste en determinar la

configuración óptima de un cuerpo, con el objetivo de satisfacer una serie de

restricciones o condiciones, empleando el menor número de recursos posible. La

solución a este problema puede ser enfocada desde diversos puntos de vista entre los

que destacan la optimización de forma y la optimización de topología.

Con respecto a la optimización de forma, el proceso se enfoca desde un estudio de las

posibles soluciones geométricas, bajo restricciones limitadas por las condiciones de

contorno del diseño.

Figura 1.1.1 Ejemplo de optimización de forma

Por otra parte, el estudio topológico consiste en analizar los esfuerzos a los que se verá

sometido el cuerpo en condiciones normales de funcionamiento, con el objetivo de

minimizar la cantidad de material utilizado sin alterar el nivel de esfuerzo, o

manteniéndolo dentro de los rangos admisibles.

Sin duda, esta última resulta una alternativa que ofrece mayor control sobre el

dominio del problema, pues es capaz de adaptarse a condiciones adicionales, como la

limitación de espacio.


25

Figura 1.1.2 Ejemplos de optimización de topología

Esta técnica, está creciendo exponencialmente en popularidad en los últimos años,

debido a las mejoras de software. Gracias a esto, es posible llevar a cabo análisis más

detallados, obteniéndose así mejores soluciones que son capaces de ahorrar

importantes cantidades de recursos a largo plazo.

El objetivo de este proyecto será por tanto, analizar el proceso completo de

optimización topológica de una pieza, desde su escaneo mediante láser y luz

estructurada, hasta el prototipado y sometimiento a ensayos del modelo final,

pasando por el análisis por elementos finitos ante una serie de esfuerzos

determinados.

Figura 1.1.3 Escáner láser Figura 1.1.4 Escáner por luz estructurada


26

1.2 Motivación del proyecto

Uno de los principales factores para la elección de este proyecto, surge del interés por

la investigación en los ámbitos del escaneado de piezas para la obtención de modelos

computacionales, el manejo de las herramientas informáticas para el post-procesado y

optimización de los modelos y el uso de tecnologías de impresión 3D, con el fin de

obtener prototipos funcionales para la realización de ensayos, en los que se someterá

al diseño a una serie de cargas, con el objetivo de comprobar la validez del proceso. En

este proyecto intervienen ciertos ámbitos aún sin optimizar por completo, lo que

puede permitir aportar un punto de vista interesante sobre las limitaciones existentes

y posibles factores a mejorar.

Con respecto a la primera etapa del proceso de ingeniería inversa, en el proyecto se

recogerá una comparativa entre los modelos obtenidos por luz estructurada y láser,

intentando determinar si existe algún tipo de diferencia significativa, en lo referido a

precisión, a la hora de captar la geometría y en susceptibilidad a fallos.

Figura 1.2.1. Esquema genérico sobre el proceso completo de ingeniería inversa

En relación al análisis y optimización topológicos, el software a utilizar ha sido

desarrollado recientemente, lo que aporta un extra de interés a su utilización y su

posterior comparación con los ensayos sobre el modelo definitivo.

Finalmente, con respecto a la impresión en 3D se comprobará la solidez de este

proceso, actualmente en auge. La combinación de estas tecnologías vanguardistas

ofrece una serie de soluciones ingenieriles capaces de suponer un punto de inflexión

en el mundo de la industria a nivel global.

Diseño original

Obtención y tratamiento

de la información

Diseño recuperado

Implementación de

mejoras

Nuevo diseño


27

1.3 Metodología de trabajo

A continuación, se expone una breve descripción de las diferentes etapas involucradas

en el proceso de optimización topológica de una pieza, siguiendo el orden cronológico

de realización.

✓ Selección del elemento objeto de estudio. Debido a que los enfoques de

resolución de problemas de optimización topológica pueden presentar

dificultados a la hora de linealizar matemáticamente las restricciones asociadas

al diseño, se ha decidido seleccionar una pieza de geometría sencilla, sometida

a esfuerzos no variables. En concreto, se trata de un anclaje lateral que une dos

secciones de un motor. Por lo tanto, el esfuerzo más representativo al que

estará sometida será de tracción, hecho que resulta altamente beneficioso,

pues facilita los ensayos finales sobre el modelo optimizado como se explicará

en los próximos capítulos.

✓ Escaneo de la pieza original y obtención del modelo computacional. En este

proyecto, se ha querido realizar una comparativa cualitativa entre la resolución

y susceptibilidad al fallo obtenidas en dos métodos diferentes de escaneado de

modelos, el escáner láser y el escáner mediante luz estructurada. Mediante

ambos procesos, se obtiene una nube de puntos que representa la geometría

exterior del modelo.

✓ Tratamiento de la nube, post-procesamiento. Mediante el programa Geomagic,

se reconstruye el modelo computacional, con el objetivo de que este

represente al original con la menor desviación posible. En este proceso, se pasa

de una nube de puntos inconexos, a un primer modelo sólido. En este caso, al

preparar el modelo para un proceso de optimización topológica, deben

rellenarse todo tipo de oquedades y desahogos del modelo original, con el fin

de obtener únicamente el volumen exterior, pues la propia herramienta de

optimización será la encargada de generar estas zonas.

✓ Análisis por elementos finitos. Utilizando el programa ANSYS Workbench 17.1,

se somete el modelo a los diferentes esfuerzos y condiciones de contorno, con

el fin de determinar las zonas críticas de tensiones y deformaciones que se

generan en la pieza. Gracias a este primer análisis y con ayuda de la extensión

de optimización topológica, el programa es capaz de detectar qué diferenciales

del modelo se encuentran menos solicitados, con el fin de retirar material de


28

estas zonas y obtener un diseño que cumpla las mismas solicitaciones que el

modelo original, reduciendo considerablemente su masa.

✓ Impresión en 3D y ensayos sobre el diseño final. Se ha seleccionado la

impresión en 3D como método para la obtención de prototipos funcionales del

modelo, debido a que las geometrías obtenidas por el método de optimización

topológica suelen ser complicadas de fabricar. Con respecto a las pruebas sobre

el modelo final, se someterá el diseño a ensayos de tracción a fractura para

comparar los resultados teóricos obtenidos con el programa, con la resistencia

real del modelo.

✓ Conclusiones. Por último, se considera de gran importancia en este proyecto la

interpretación de los resultados obtenidos, así como la detección de posibles

fallos o factores mejorables en el proceso.


29

1.4 Conclusiones

En este capítulo se han analizado de manera general las diferentes partes que

componen el proyecto. Es de especial importancia, entender la necesidad de integrar

estas tres tecnologías (escaneado, optimización e impresión en 3D) con el objetivo de

desarrollar y sistematizar un método valido y coherente para la resolución de este tipo

de problemas.

Por otra parte, con respecto a la motivación del proyecto debe quedar claro que, más

allá de estandarizar una metodología organizada para la optimización topológica, es de

gran relevancia la investigación sobre las limitaciones de las diferentes herramientas

informáticas que intervienen en el proceso.

Por último, en el final de este capítulo, se ha analizado de manera esquemática la

metodología a seguir durante el transcurso de las diferentes etapas del proceso,

presentando así este Proyecto de Fin de Grado.


30


31

CAPÍTULO 2

ESTADO DE LA

TÉCNICA


32

2.1 Introducción

Para comenzar el proceso de ingeniería inversa, el escaneo de la pieza será realizado

mediante un láser acoplado a un brazo de medición por coordenadas (marca FARO) y

un elemento de medición por luz estructurada (marca Capture).

Los datos serán recogidos en el programa Geomagic, que posteriormente servirá para

tratar la nube de puntos hasta conseguir el modelo final que será exportado en su

formato correspondiente a Ansys. Este será el programa utilizado para llevar a cabo el

análisis por elementos finitos, y gracias a su extensión de optimización topológica se

podrá obtener el modelo optimizado de la pieza (mínimo peso posible para mantener

las propiedades de resistencia frente a esfuerzos dentro de los rangos admisibles).

Posteriormente, el modelo obtenido será trasladado al programa SpaceClaim de Ansys,

con el objetivo de regularizar la superficie para poder obtener un diseño imprimible en

3D.

A continuación, el modelo será generado por el método de impresión 3D que se

adapte mejor a la geometría obtenida y, finalmente, el prototipo será ensayado en una

máquina de tracción.

En este capítulo, se explora toda la información referente a las etapas anteriormente

mencionadas, con el objetivo de obtener una idea detallada del nivel de desarrollo de

las diferentes tecnologías que intervienen en el proceso completo de optimización

topológica de una pieza.


33

2.2 Ingeniería inversa y metodologías de escaneo de piezas

El término “Ingeniería inversa”, nace durante el transcurso de la Segunda Guerra

Mundial. Los equipos de investigación de los diferentes ejércitos, incautaban el arsenal

enemigo con la finalidad de conseguir información para mejorar el suyo propio. Así

nace la ingeniería inversa, cuyo objetivo se basa en obtener información de un diseño

mediante el razonamiento abductivo, con el único fin de asegurar una mejora

continua, basada en conceptos ya existentes.

Hoy en día, los elementos más sometidos a esta metodología son programas

computacionales y componentes electrónicos, pero cualquier producto es susceptible

de ser objeto de la ingeniería inversa. Este método se denomina así porque avanza en

dirección opuesta a las tareas habituales en un proceso de ingeniería, empezando por

el modelo final y no por un concepto a desarrollar.

Figura 2.2.1 Proceso de ingeniería inversa

En el ámbito que nos ocupa, han surgido numerosos avances que facilitan la obtención

de modelos computacionales tratables por medio de software. Este es el caso de las

máquinas de medición tridimensional, capaces de reconocer mediante diversas

tecnologías, la topología de un elemento concreto y trasladar esta información a un

ordenador para su posterior tratamiento.


34

Dentro de las máquinas de medición tridimensional, cabe destacar el escáner por láser

y el escáner por luz estructurada (que serán los métodos utilizados en el proyecto para

la obtención del modelo computacional). No obstante, existen varias posibles

alternativas como la fotogrametría, que actualmente está alcanzando un alto nivel de

desarrollo, o la obtención de modelos por contacto directo con palpador. Sin embargo

estos otros métodos no resultan tan eficaces como los dos mencionados

anteriormente, si bien es verdad que la fotogrametría está comenzando a utilizarse

con gran frecuencia en el panorama industrial y arquitectónico. La medición por

palpador es un método complejo, pues requiere de una calibración muy precisa y es

extremadamente lento para la obtención de un modelo completo geometrías

complicadas.

Figura 2.2.2 Ejemplo de programa de fotogrametría

Figura 2.2.3 Máquina de medición tridimensional con palpador


35

El funcionamiento del escáner láser es el siguiente: un haz de luz láser incide sobre un

objeto y, mediante un sensor, se detecta la posición de este sobre la geometría del

elemento. De esta forma el software es capaz de generar una nube de puntos a partir

de la información recibida. Resulta de gran importancia para el éxito del proceso,

calibrar previamente el láser mediante una placa patrón. El proceso de calibración se

encuentra bastante automatizado y, entre otras finalidades, consigue determinar un

rango de distancias a las que debe colocarse el emisor para obtener un buen modelo

computacional.

Figura 2.2.4 Escáner láser FARO

El método de escáner por luz estructurada se fundamenta en la emisión, por parte de

un foco, de patrones de luz concretos. El propio instrumento recibe la luz reflejada y

comparar estos datos con su información almacenada, de manera que es capaz de

reconocer la estructura del objeto en cuestión. En comparación con el escáner láser, la

calibración es automática y el número de escaneos necesarios para construir el

modelo es significativamente menor, pues el rango de distancia entre el elemento

emisor y la pieza a escanear es más grande. Gracias a esto, se considera que el escáner

por luz estructurada es más rápido en la mayoría de los casos. Sin embargo, tiene una

serie de inconvenientes, entre los que destaca la sensibilidad a la luz ambiente y a los

reflejos. El escáner de luz estructurada ha de realizarse en condiciones de poca

luminosidad y asegurarse de que la pieza ha sido limpiada a conciencia previamente

para evitar fallos en la recepción de la información.


36

Figura 2.2.5 Escáner de luz estructurada CAPTURE

Las nubes de puntos obtenidas con cualquiera de los dos métodos, deben pasar a

continuación por un post-procesador (Geomagic en este caso) para obtener un modelo

final que, en el caso que nos ocupa, será sometido a un análisis funcional por

elementos finitos para su posterior optimización topológica. Por tanto, el proceso de

ingeniería inversa comenzaría con el escaneo, donde un programa genera la nube de

puntos, para pasar a continuación por un post-procesado, donde se da forma a la pieza

y se obtiene el modelo del diseño original.

Figura 2.2.6 Ventana gráfica del programa Geomagic


37

A modo de resumen, conviene destacar que las nubes de puntos obtenidas por los

diversos métodos de escaneo, son reconocidas en el programa de manera

completamente desestructurada. En este sentido, el primer paso en la utilización del

Geomagic reside en ensamblar las diferentes capas de puntos obtenidas directamente

por el método seleccionado en cada caso. Posteriormente se procede a mejorar el

modelo mediante el tratamiento de los puntos por medio de reducción de

solapamientos, simplificación de bordes, reducción del nivel de ruido, relleno de zonas

que no hayan sido capturadas, homogeneización de superficies etcétera.

En general, el método de escaneo de piezas para la obtención de modelos

computacionales, se encuentra bastante estandarizado, si bien es verdad que existen

ciertas desigualdades en el resultado, dependiendo de la metodología elegida. En el

Capítulo 3, se hablará en profundidad de las diferencias obtenidas en los modelos por

cada uno de los métodos, así como de todas las complicaciones que hayan podido

surgir durante el proceso. Esta etapa del proyecto, es fundamental para el correcto

desarrollo del mismo, pues la obtenido de un buen modelo, condiciona en gran

medida las futuras interacciones sobre el mismo. Es ilógico pretender obtener un

diseño correctamente optimizado sin disponer de un modelo previo de calidad.


38

2.3 Optimización topológica

En el año 1960, el matemático Schmidt propuso una revolucionaria idea que dio origen

a una nueva disciplina: en ingeniería, por término general, se trata de diseñar objetos o

sistemas de coste mínimo que durante su vida útil, deben ser capaces de resistir las

solicitaciones requeridas en cada caso. Por lo tanto, los problemas de optimización en

el diseño, podrían ser planteados de forma sistemática en términos de problemas de

minimización bajo restricciones, pudiendo ser así resueltos mediante técnicas de

programación no lineal, utilizando herramientas computacionales.

Desde entonces, y bajo diferentes enfoques, la optimización de formas y dimensiones

en ingeniería estructural, se plantea de manera habitual desde formulaciones de

mínimo peso, con restricciones no lineales impuestas con el objetivo de limitar los

valores admisibles en lo referente a campos de desplazamientos y tensiones.

Sin embargo, desde el año 1988, Bendsoen y Kikuchi desarrollaron los conceptos

básicos de optimización topológica desde formulaciones de máxima rigidez. En base a

este tipo de planteamiento se pretende distribuir una cantidad predeterminada de

material en un reciento de forma que busque minimizar la energía de deformación de

la pieza resultante para un estado de carga determinado.

De esta manera, se evita tener que trabajar con numerosas restricciones no lineales,

teniendo en cuenta el alto número de variables de diseño que es consustancial a los

problemas de optimización topológica. A cambio, no es posible contemplar estados de

carga múltiples y las formulaciones de máxima rigidez, conducen por lo general a

problemas intrínsecamente mal planteados, donde se obtienen soluciones

indefinidamente oscilantes al refinar la discretización.

En concreto, en lo referente a este proyecto, la optimización de topología será

realizada sobre el modelo escaneado en los siguientes pasos:

✓ Tratamiento de la geometría, con el fin de obtener una malla de calidad,

mediante la cual el programa es capaz de dividir el diseño en pequeñas

estructuras que pueden ser tratadas de manera más sencilla.

✓ Imposición de las restricciones de contorno, en lo referente a las cargas a

soportar por el modelo, desde las fuerzas directas a las que la pieza estará

sometida, hasta esfuerzo indirectos derivados del funcionamiento de la pieza.

✓ Dentro de la propia optimización, en el programa computacional es necesario

definir nuevas restricciones, que hacen referencia a las superficies y volúmenes


39

que deben ser excluidos de la optimización, con el fin de que la pieza mantenga

unas características externas, que son necesarias para su funcionalidad final,

como las zonas de apoyo de los tornillos. Además es importante asegurar una

continuidad física del volumen completo de la pieza, pues en ciertas ocasiones,

el programa puede decidir que no es necesaria la pieza al completo (por

ejemplo en el caso de que cierta zona no sufra ningún tipo de esfuerzos). En

estos casos, es necesario definir restricciones que permitan al programa extruir

material adicional dentro del volumen de la pieza original, que faciliten la unión

del diseño completo.

✓ Finalmente, debido a la complejidad de las geometrías obtenidas, es

importante tratar el modelo obtenido, con el fin de hacerlo fabricable, hecho

que no siempre resulta sencillo, sobre todo en modelos que provienen de

escaneos en 3D, donde la geometría no es exacta en la mayoría de los casos

(caras con ligeras ondulaciones, esquinas redondeadas o aristas mal definidas).

En este ejemplo, podemos comprobar la importancia del tratamiento del modelo

optimizado. Se trata de un gancho que sostiene una carga vertical hacia abajo.

Figura 2.3.1 Perfil de optimización topológica


40

En conclusión, la optimización topológica actualmente está restringida a problemas de

cargas aisladas y no variables, debido a la falta de linealidad de las restricciones

necesarias para la obtención de modelos a nivel matemático computacional. Así

mismo, otros hechos que resultan clave para el éxito del proceso son le correcta

definición de restricciones propias de la optimización (región a optimizar) y el post-

tratamiento de la información obtenida.

Se considera que actualmente los métodos de optimización topológica se encuentran

en un estado prematuro de desarrollo, lejos de una estandarización concreta. Los

programas utilizados (Ansys Workbench en este caso), mejoran enormemente de

versiones anteriores a más modernas, añadiendo incluso funciones completamente

nuevas, como tener en cuenta para la distribución de la topología, la resonancia propia

de la pieza, evitando así posibles colapsos que pueden producirse incluso cumpliendo

las restricciones de tensiones y deformaciones.


41

2.4 Impresión de modelos en 3D

La impresión en 3D es un grupo de tecnologías de fabricación por adición, donde un

objeto es creado tridimensionalmente mediante la adición sucesiva de capas de

material. La impresión en 3D, es por lo general un método más rápido, barato y fácil de

utilizar que otras tecnologías de fabricación por adición. Sin embargo, como cualquier

proceso industrial, se encuentra sometido a un compromiso entre el precio de coste

del proceso y la tolerancia en las medidas de los objetos producidos. Las impresoras 3D

ofrecen a los desarrolladores del producto, la posibilidad de imprimir partes o

montajes completos y funcionales, que no podrían ser generados por ningún otro tipo

de método de fabricación. Es aquí donde la utilización de la impresión en 3D cobra

sentido dentro del proceso, pues las geometrías obtenidas por los métodos de

optimización topológica suelen ser de alta complejidad. Además, las tecnologías

avanzadas de impresión en 3D, pueden servir incluso como prototipos de productos.

Figura 2.4.1 Ejemplo de modelado 3D por capas

Desde el año 2003 ha habido un importante crecimiento en la venta de impresoras 3D.

De manera inversa, el coste de las mismas ha sido reducido en importante medida.

Una de las principales razones es que esta tecnología, abarca una serie de campos muy

amplios, tales como el diseño industrial, la arquitectura, la joyería, el calzado, la

automoción, ingeniería civil, educación, sistemas de información geográfica y muchos

otros. En relación a sus orígenes, en los años ochenta, se desarrollaron equipos y

materiales de fabricación de aditivos tempranos. En 1981, Hideo Kodama, invento dos


42

métodos de fabricación, precursores de los utilizados actualmente, basándose en

plásticos fotoendurecibles. Destacan a su vez grandes aportaciones en los años

ochenta por Alain Le Méhauté y Chuck Hull entre otros.

Dentro de los principios generales de funcionamiento de esta tecnología, el aditivo de

fabricación se lleva a planos virtuales de diseño asistió por ordenador (CAD) o

softwares de modelado y animación. Existe una enorme variedad de métodos

disponibles para la impresión en 3D, que dependen básicamente de las propiedades

finales requeridas y de la complicación geométrica del modelo. En este sentido, los

datos más relevantes suelen ser las tolerancias generales requeridas con respecto al

modelo original y las propiedades mecánicas del diseño. Este último es

extremadamente importante en este proyecto, pues las piezas impresas en 3D serán,

sometidas a ensayos que deben ser determinantes a la hora de comprobar la viabilidad

y la precisión del proceso completo de optimización topológica.

Figura 2.4.2 Ejemplos de geometrías irrealizables por otros métodos

Dentro de los materiales utilizados, obviamente una impresora 3D no puede utilizar

cualquiera, si bien es verdad que existe una amplia gama de materiales con diversas

propiedades, como transparentes, opaco, flexible, rígido, resistente a altas

temperaturas y mucho más. Esta es una de las razones por las que las tecnologías de

impresión 3D avanzadas pueden ser utilizadas como prototipos del modelo o diseño

original, si bien es verdad que por lo general el acabado superficial resultante no suele

ser de alta calidad. Sin embargo, este hecho no suele resultar relevante para las

propiedades deseadas de los modelos 3D. Si fuese así el caso, existen métodos por los

que se pueden obtener buenas propiedades con tolerancias de rugosidad de hasta 16

micras, que obviamente resultan más costos.


43

CAPÍTULO 3

OBTENCIÓN DEL

MODELO

COMPUTACIONAL

MEDIANTE ESCÁNER

TRIDIMENSIONAL


44

3.1 Introducción

La primera decisión a tomar en este proyecto, reside en la selección de una pieza

existente que se adapte a las condiciones requeridas. En este sentido, los factores más

importantes que han de tenerse en cuenta son el tipo de cargas a las que esté

sometido el diseño y la viabilidad para el escaneo.

Con respecto al primer condicionante, como se ha mencionado anteriormente, el

análisis necesario para llevar a cabo la optimización topológica, debe llevarse a cabo en

modelos sometidos a esfuerzos con poca o nula variabilidad. Por tanto, queda

descartado cualquier diseño de piezas móviles como pistones, brazos de carga y otros.

Por otra parte, con respecto a la viabilidad de escaneo, los requisitos son sencillos de

cumplir y encajan con algunos factores que vienen bien a la optimización topológica,

por ejemplo, la presencia de un gran número de oquedades y desahogos en la

superficie del modelo. Este hecho dificulta el escaneo de la pieza y se obtendrás zonas

huecas que deben ser rellenadas con el programa de post-procesado. Así mismo,

mientras la geometría de la pieza sea lo más robusta posible, existirá mayor cantidad

de material retirable de la misma.

Todos estos factores unidos, permitieron selección como pieza a optimizar, el soporte

lateral del bloque motor de una furgoneta de la marca Mercedes. La pieza presenta las

características adecuadas para el proceso, sobre todo en lo referente a la distribución

de esfuerzos. Su funcionalidad es la siguiente: sirve como anclaje lateral de la parte

delantera y trasera del motor y a su vez, dispone de una base donde se encuentra

alojado un soporte de sujeción para una de las ruedas de la cadena de distribución. Por

tanto, a priori, los esfuerzos a los que se verá sometida la pieza, serán ejercidos por la

diferencia entre las tensiones a un lado y al otro de la rueda de la cadena de

distribución, así como una ligera tracción generada por la separación entre las piezas

unidas del motor.

Teniendo todos estos datos en cuenta, se procede al escaneo de la pieza seleccionada

por los métodos de luz láser y luz estructurada.


45

3.2 Preparación de la pieza y los equipos

Los procesos de escaneo tridimensional de piezas son métodos delicados y que

requieren de una importante preparación para asegurar la precisión del resultado

final. En este sentido existen numerosos aspectos a tener en cuenta a la hora de

preparar tanto la pieza como las máquinas para evitar todo tipo de fallos que serían

reflejados en el primer modelo computacional. Algunos de estos fallos pueden ser

menores y corregibles, como agujeros en la superficie de la nube de puntos, o pueden

ser graves y determinantes para la elección del método de escaneo elegido, como no

reconocer una zona entera de la pieza o una curva concreta, pues estas son mucho

más complicadas de reproducir a posteriori.

En primer lugar, se hablará de la preparación de la pieza necesaria para obtener un

escaneo adecuado. En primero lugar, es altamente importante limpiar la superficie

completa de la pieza para evitar que el programa interprete como parte de la

geometría, zonas donde queda acumulada la suciedad. Estas zonas, pueden ser a su

vez motivo de reflejos indeseados que generen agujeros en la superficie del modelo

computacional, por lo que el primer paso sería la limpieza con agua y jabón de la

superficie de la pieza, con ayuda de un cepillo de pelo duro pero no metálico, para

evitar rayar la superficie.

Con respecto a los reflejos que puedan producirse en la pieza, puede resultar de

utilidad rociar un spray de color blanco sobre las zonas susceptibles a este fenómeno.

De esta manera se evita que la luz reflejada distorsione el modelo, obteniéndose así

mucha mayor precisión. Este punto es especialmente importante en el escáner por luz

láser, pues este requiere de una alta luminosidad exterior durante el proceso, por el

contrario que el método de luz estructurada que requiere de baja luminosidad. En el

caso de que existiesen zonas transparentes, también sería necesario rociar la pieza con

este spray para poder captar la geometría.

Otro hecho importante en la preparación de la pieza reside en seleccionar los patrones

a seguir durante el escaneo, en lo referente a la posición de la pieza. Esta debe

encontrarse siempre fija y si es posible, anclada a una superficie de referencia, pues si

se mueve durante el escaneo, el modelo obtenido no es válido en ningún caso. Por

tanto hay que diseñar previamente las posiciones de colocación de la pieza y las

direcciones de los barridos (sobre todo con el escáner láser) para asegurar pasar por

toda la geometría de la pieza. Es de destacar que en esto procesos se busca la mayor

precisión posible y por tanto estos pasos han de seguirse de manera muy meticulosa.


46

Por parte de la preparación necesaria para las máquinas que intervienen en el proceso,

resulta mucho más delicada la calibración del escáner láser, pues la del elemento de

medición por luz estructurada se realiza de manera automática con los patrones de luz

emitidos y la distancia del objeto a escanear. Para calibrar el escáner láser (Faro) es

necesario calibrar primero el cabezal del palpador que se encuentra en el brazo de

medición. De esta manera, el equipo reconoce la posición del brazo de medición en

todo momento. A continuación se muestra en la figura 3.2.1 el elemento utilizado para

reconocer la posición del cabezal del palpador durante la calibración realizada.

Figura 3.2.1 Calibrador del palpador utilizado en el proyecto

El proceso a seguir en este caso es sencillo, simplemente se coloca el palpador

apoyado sobre la superficie superior, asegurándose de que la esfera esté en contacto

con las tres superficies del soporte y el programa de manera automática reconocerá la

posición del palpador.

El siguiente paso es la calibración de la luz láser mediante un elemento que funciona

como patrón de reconocimiento. En la figura 3.2.2 se muestra dicho calibrador.


47

Figura 3.2.2 Patrón para la calibración del láser

El procedimiento a seguir, consiste en hacer pasar repetidas veces la luz láser emitida

por el aparato a calibrar a diferentes distancias, de modo que el programa es capaz de

ajustar la luz del láser a las intensidades requeridas.

Tras realizar estos imprescindibles pasos, se considera que la pieza y los aparatos están

listos para comenzar con el proceso de escaneo.


48

3.3 Escaneo de la pieza

Como se ha mencionado anteriormente, uno de los factores clave para conseguir un

correcto escaneo se basa en diseñar una estrategia en cuanto a posicionamiento de la

pieza y barridos del láser se refiere. En este apartado se describe el proceso llevado a

cabo durante el escaneo de la pieza por el método de luz láser y el de luz estructurada.

Con respecto al método de escaneo por luz láser, la pieza es posicionada en una mesa

de mármol de referencia que ha de permanecer completamente inmóvil para asegurar

que no sucede ningún tipo de movimiento accidental durante el escaneo, lo que

dañaría los datos obtenidos. Por cuestiones geométricas los soporte del bloque motor,

se decide que el proceso óptimo a seguir consiste en situar la pieza delante del láser e

ir moviéndola sobre su punto central, tras realizar cada barrido desde fuera hacia

dentro con el escáner. Esta idea, en primer lugar facilita mantener una posición

cómoda de las manos durante el escaneo, cosa que a priori no resulta sencilla, pues las

pasadas han de realizarse lentamente y el escáner posee un peso considerable para ser

manipulado exclusivamente con las manos. En segundo lugar, se permite acceder a

toda la geometría de la pieza en solo varias pasadas.

En este caso, no se ha requerido de ningún tipo de spray para captar zonas reflejantes

de la pieza. Además, las oquedades y desahogos no precisan de ser captados, pues

serán eliminados en el proceso de optimización topológica posterior, o en su defecto,

el programa los generará automáticamente en el modelo si resulta conveniente. A

continuación, en la figura 3.3.1, se muestra una imagen del escaneo sobre la pieza

seleccionada para el proyecto. En la imagen se puede apreciar la distancia requerida

para el correcto funcionamiento del escáner, que suele oscilar entre 5 y 7 centímetros.

Figura 3.3.1 Escáner láser sobre la pieza


49

Un hecho importante a la hora de tener en cuenta sobre el escáner láser, resulta

mantener controlado en todo momento la posición del cabezal del palpador, pues se

trata de un elemento frágil y, al no intervenir en el escaneo, suele pasar desapercibido

durante el proceso y puede recibir golpes si se acerca mucho el láser a la pieza. En este

caso, se decide también que la forma óptima de realizar el escaneo es con la pieza en

posición horizontal, debido a que de esta manera posee mayor equilibrio. Por tanto,

han de realizarse dos fusiones de barridos (cara posterior y anterior) con sus

correspondientes nubes de puntos, que finalmente serán unidas en una sola para dar

lugar al modelo final.

Los pequeños barridos que se van realizando sobre la pieza deben ser de pequeño

tamaño para que el programa no se sature al generar la nube de puntos y obtener así

una mejor precisión. Los barridos, son unidos por el programa de manera automática,

sin embargo en la mayoría de las ocasiones, la unión no se realiza correctamente. Esto

no supone un grave problema a nivel de resultado final, pues en el post-procesador

puede ser corregido sin problema, sin embargo aumenta en gran medida el nivel de

trabajo a realizar sobre la primera nube de puntos, hasta que esta pueda ser tratada a

nivel de estructura matemáticamente solidificable.

Por otra parte, con respecto al escáner por luz estructurada, el proceso realizado sin

duda resulta más eficaz en cuanto a tiempo de escaneo, pues el mayor espectro de

este aparato permite escanear a la pieza en muchos menos barridos y las uniones de

nubes de puntos suelen resultar más factibles.

En este caso, se sitúa la pieza a unos 20 centímetros del cabezal emisor de luz y se

requiere de un ambiente con muy baja luminosidad. En la figura 3.3.2 se puede

observar la preparación del escáner de luz estructurada frente a la pieza. Por tanto,

podemos concluir que cada uno de los métodos posee ciertas ventajas e

inconvenientes en diferentes aspectos que intervienen en el escaneo. Sin embargo, el

resultado final debería ser muy similar en ambos casos. Se hablará de las diferencias

obtenidas y los criterios de selección de la nube de puntos en el siguiente apartado.

A modo de pequeño resumen, el escáner de luz estructurada es más rápido y requiere

de menor preparación, sin embargo el escáner láser requiere de menos condiciones

específicas para funcionar y permite mayor flexibilidad a seleccionas zonas concretas

de escaneo, ya sea por su complejidad o por fallos en primeras pasadas. En este

proyecto, no se requiere de precisión en zonas geométricamente complejas o difíciles

de alcanzar, por lo que en principio este factor no sería determinante, si bien es verdad

que el tiempo tampoco resulta un hecho decisivo.


50

Figura 3.3.2 Escáner de luz estructurada

En la siguiente figura 3.3.3, se puede apreciar el escáner de luz estructurada en

funcionamiento, así como las condiciones específicas de las que se ha hablado durante

este y otros apartados.

Figura 3.3.3 Escáner de luz estructurada en funcionamiento


51

3.4 Comparativa entre las nubes de puntos obtenidas

Como se ha mencionado anteriormente, las desigualdades entre los dos modelos

obtenidos no deben ser muy significativas en cuanto a precisión o nivel de detalle, sin

embargo merece la pena describir algunas de las diferencias encontradas y sobre todo,

lo criterios de selección utilizados para escoger la que será la nube de puntos utilizada

para obtener el modelo computacional de la pieza.

A continuación, en las figuras 3.4.1 y 3.4.2, podemos observar las nubes de puntos

obtenidas por el método de luz láser y luz estructurada respectivamente. Cabe

destacar, que para realizar una comparativa valida, es preciso ensamblar primero los

escaneos de ambos modelos para tener una mejor visión de las zonas que han sido

captadas en el conjunto global de la pieza. Con este fin, se utiliza el programa

Geomagic como post-procesador de la nube de puntos, siendo este el primer paso

hacia la obtención del modelo final previo a la optimización topológica.

Figura 3.4.1 Nube de punto escáner láser

En esta primera imagen, podemos observar desde la ventana gráfica del programa

Geomagic, la primera nube de puntos ensamblada del modelo computacional,

obtenida mediante el escáner láser.


52

En la imagen podemos apreciar una serie de zonas con falta de información, que el

programa no ha podido recoger. Sin embargo, Estas zonas no son relevantes para

obtener el modelo final, pues la optimización topológica será la encargada de generar

estos huecos con el fin de reducir la cantidad de material lo más posible ante unos

esfuerzos que serán predeterminados en la siguiente herramienta informática que será

utilizada.

Por otra parte, en cuanto a la calidad de la nube, podemos decir que es

suficientemente densa y representativa de la pieza, por tanto se puede dar por válida.

En este caso, el único punto de desventaja de este modelo, reside en que no se

consiguió captar bien alguno de las zonas más complicadas de la pieza, cerca de los

soportes para los tornillos. Al tener estas superficies una geometría complicada, será

difícil reproducirlas o volverlas a generar en el programa de post-procesado.

A continuación, se muestra una imagen del modelo obtenido por el método de

escaneo por luz estructurada, donde se puede apreciar una resolución y calidad de la

nube muy similar, como era de esperar.

Figura 3.4.2 nube de puntos obtenida por luz estructurada

En este caso podemos apreciar como existen más zonas corruptas, donde se han

captados algunos puntos que no corresponden con la superficie de la figura. Sin

embargo, esto es muy sencillo de eliminar con el post-procesador, por lo que no

constituye un problema o un punto crítico de cara a la elección del modelo utilizado.

Por otra parte, en este caso se han captado mucho mejor las zonas de geometría

compleja y necesaria para el modelo, por lo que se considera que este, posee mejor

calidad que el obtenido mediante el método de escáner por luz láser.


53

Este hecho no quiere decir que el método de luz estructurada siempre obtenga

mejores resultados a nivel general que le método de luz láser. Como se ha visto en

apartados anteriores, ambos poseen sus ventajas y sus inconvenientes y su utilización

depende de las características específicas, no tanto deseadas en el modelo, si no

referentes al transcurso del escaneo, como condiciones de la pieza, del entorno de

trabajo o de los aparatos disponibles.

Por lo tanto, podemos concluir que, en este caso, el modelo obtenido por el método

de la luz estructurada posee mejor calidad para cumplir con los requisitos específicos

de esta pieza y para su posterior optimización topológica, por lo tanto será el modelo

utilizado. Por otro lado, el modelo obtenido con el escáner láser será desechado.

Como se ha podido comprobar, la comparativa entre ambos modelos se lleva a cabo

de manera puramente cualitativa, si bien es verdad que existen ciertos medidores de

la calidad de la nube de puntos como la densidad de la misma o el solapamiento. Sin

embargo, como era de esperar, estos medidores no aportan demasiada información,

pues las medidas son muy similares en ambos métodos, por lo tanto la decisión se ha

tomado en función a la subsanabilidad de los errores encontrados en los modelos,

recayendo la mayoría de estos, en la captación de las geometrías más complejas y

difíciles de alcanzar con los escáneres.

Una vez que disponemos de este primer modelo computacional, es momento de

comenzar con su tratamiento, con el objetivo de disponer de una superficie de la

mayor calidad posible para poder ser tratada por elementos finitos en el siguiente

programa utilizado, que será Ansys Workbench en este caso. Con este objetivo, en el

siguiente apartado se definen todos los procesos a seguir en el post-procesamiento de

la nube de puntos, necesarios para conseguir un modelo de calidad.


54

3.5 Tratamiento de la nube de puntos

Sin duda, el tratamiento de la nube de puntos obtenida, es uno de los puntos clave de

este proyecto, pues en este momento se construye el primer modelo computacional

sólido. El objetivo de esta etapa es pasar de un modelo básico y sin superficies

definidas, a un modelo exportable a Ansys Workbench, donde se pueda tratar la

geometría de manera precisa, distinguiendo entre las diferentes caras de cuerpo

global. Este hecho, puede parecer algo sencillo a priori, sin embargo es importante

destacar que, al tratarse de un modelo escaneado, en ningún momento se han creado

superficies que el programa vaya a interpretar posteriormente como caras del diseño,

siendo estas fundamentales para la implementación de las condiciones de contorno.

A continuación, se explica el proceso detallado a seguir, para conseguir los objetivos

anteriormente descritos y así, poder finalizar con un modelo de calidad. Se dividirá el

proceso en 6 etapas, cada una de las cuales se encargará de corregir una serie de

aspectos específicos. Es de suma importancia realizar las diferentes etapas en el orden

correcto, pues de otro modo el resultado no sería el esperado. Se describirán las

etapas de manera ordenada y para un procedimiento genérico, sirviendo así de

referencia para posteriores proyectos similares. Posteriormente, se verá la aplicación

real de cada una de las diferentes etapas sobre el modelo correspondiente a este

proyecto.

Etapa 1: Alineamiento.

En el caso de que la pieza no se haya podido escanear de una sólo vez, se tendrá más

de una nube de puntos, cada una representando una geometría parcial de la pieza y

desalineadas. En ese caso se hace necesario alinear dichas nubes de puntos para

terminar con una única nube final que represente a la pieza de manera global.

Con este fin, Geomagic dispone de una ventana de alineamiento entre conjuntos,

subconjuntos y el término global del diseño. La metodología a seguir es sencilla,

simplemente se seleccionan tres puntos de cada una de las partes a ensamblar que

coincidan geométricamente de manera respectiva. De esta forma el programa alinea

los diferentes escaneos, que posteriormente han de ser guardados como un pequeño

subconjunto, al que se van añadiendo más escaneos progresivamente.


55

Etapa 2: Limpieza y mejora de la nube de puntos

El objetivo de esta etapa se basa en tratar la nube de puntos con el fin de

transformarla posteriormente en una malla con la mejor calidad posible. Esta etapa del

proceso se realiza de manera semiautomática por parte del programa. Simplemente se

indican los procesos a seguir, de manera que la herramienta computacional mejora la

calidad de la malla automáticamente. Algunas de las acciones requeridas son reducir la

densidad de la nube de puntos, con el fin de poder tratarla de manera más rápida, al

reducir la cantidad de datos a procesar, y a su vez obtener un modelo más limpio, que

represente mejor las verdaderas superficies de la pieza.

Eliminar el solapamiento en la medida de lo posible, es otra de las acciones principales

a realizar en esta etapa del proceso, que de nuevo se realiza de manera

semiautomática.

La acción más importante a realizar en esta etapa consiste en rellenar los agujeros no

captados por el escáner en el modelo computacional. Con este fin, el programa

dispone de una serie de comandos para rellenar los diferentes agujeros de tres

posibles maneras: natural (intuyendo la posible geometría faltante), tangencial

(reduciendo mucho la curvatura del entorno) o completamente recto, uniendo las

zonas sin puntos mediante nubes rectas.

En la siguiente figura 3.5.1, se puede apreciar como el programa propone una manera

de rellenar el agujero que se adapta bien a la geometría perdida.

Figura 3.5.1 Rellenado de agujeros


56

Este hecho no suele darse de manera natural durante la mayoría del proceso, por lo

tanto hay que buscar zonas donde poder rellenar los agujeros de manera recta y

posteriormente conectarlos naturalmente. Este ha resultado ser el mejor modo de

representar la geometría real de la pieza. Cabe destacar que el modelo escaneado

poseía en torno a veinte mil agujeros inicialmente. Obviamente no tiene sentido

plantearse realizar esta técnica de uno en uno. La solución es utilizar el comando

existente para rellenar todos los agujeros al mismo tiempo, utilizando las tres maneras

anteriormente expuestas y decidir cuál de ellas representa mejor la geometría de la

pieza. En este caso, se ha optado por rellenar agujeros de manera recta, pues los otros

comandos no intuían bien la superficie de la pieza, generando curvas ilógicas.

Etapa 3: Transformación de la nube de puntos en una malla de triángulos

En este caso, si los pasos anteriores se han seguido correctamente, solo es necesario

aplicar un comando para convertir la nube de puntos en una malla de triángulos. Esta

será la primera vez que el modelo tendrá una geometría como tal, pues antes eran

simplemente puntos que la representaban.

Sobre este primer modelo geométrico, se aplican las etapas sucesivas hasta conseguir

un modelo sólido y exportable. A continuación se muestra en la figura 3.5.2 una

imagen del primer modelo mallado de la pieza, donde se sigue viendo la nube de

puntos sobre la superfice.

Figura 3.5.2 Modelo mallado sobre la nube de puntos


57

Etapa 4: Limpieza y mejora de la malla de triángulos

EL objetivo de esta etapa consiste en convertir la malla en una representación de

calidad del contorno exterior del conjunto de la pieza. Para ello existen diferentes

comandos que transforman geometrías existentes en formas predeterminadas, hecho

que resulta extremadamente útil a la hora de transformar modelos provenientes de

escaneos. Por ejemplo, en este caso se ha utilizado el comando agujero cilíndrico para

conseguir obtener las zonas interiores donde van alojados los tornillos en la pieza.

Estas son zonas completamente inaccesibles para el escáner por razones obvias, y

altamente importantes para el posterior análisis de esfuerzo en Ansys Workbench,

debido a que la principal condición de contorno pasa por la sujeción de la pieza en

estas superficies. Por tanto, seguramente el proyecto entero no hubiera sido posible

de realizar sin la existencia de este comando.

Sin embargo, existe una gran complicación que surge del intento de rellenar las zonas

de desahogos en la pieza. En el programa existe un comando que genera geometría

hasta la altura impuesta por un plano de referencia que puede colocarse donde se

desee. Sin embargo, esta posibilidad no resulta factible en la pieza, pues se necesita el

mismo concepto, pero aplicado a una sola zona de la geometría de la pieza (en

concreto las partes central y posterior, que se encuentran completamente vaciadas).

Este hecho es debido a que la optimización topológica aún se encuentra en desarrollo

a nivel informático y por tanto, otros programas ajenos a ellas no están preparados

para cumplir con las necesidades específicas requeridas parar el tratamiento de los

modelos computacionales. De otra manera, no sería necesario llenar zonas de las

piezas, pues no representa la geometría real, pero en este caso es imprescindible y el

programa no dispone de esta opción.

Sin embargo, este inconveniente se consiguió solventar de la siguiente manera:

volviendo al modelo de nube de puntos, se eliminan por completo las geometrías

interiores al contorno de la pieza y se rellena posteriormente como un agujero plano

de grandes dimensiones. Esta idea consiguió que se siguiese adelante con el proyecto.

Finalmente, se realizan tratamientos adicionales sobre la superficie de triángulos, tales

como la regularización de la llama, suavizamiento de la misma, reducción del nivel de

ruido, de la densidad de triángulos y definiendo de manera más precisa los bordes y

artistas de la pieza (hecho clave, como se ha comentado anteriormente).


58

A continuación se muestra en la figura 3.5.3 una imagen de cómo se consiguió rellenar

las caras completas de la pieza como agujeros planos. En la figura 3.5.4 se muestra el

resultado final de tratamiento de la malla, previo a su conversión en sólido

.

Figura 3.5.3 Relleno de agujeros planos para conseguir generar las caras del contorno

Figura 3.5.4 Modelo final previo a conversión en sólido de la malla de triángulos


59

Etapa 5: Conversión en sólido por superficies exactas

De nuevo, si se han realizados correctamente los anteriores pasos, esta etapa se

resume en un comando que crea el primero modelo sólido envolviendo la superficie de

triángulos. Este será el primero modelo computacional exportable y funcional en otros

programas. La pieza pasa de ser una simple malla a convertirse en un volumen al que

pueden atribuirse todas las propiedades de un sólido real. Escogiendo incluso el

material posteriormente, el programa es capaz de calcular el volumen de la pieza y su

peso y de esta manera, aseguramos que el modelo es hermético.

En la figura 3.5.5 se muestra el primero modelo sólido y resultado final de tratamiento

de la nube de puntos y del proceso de escaneo de la pieza para la obtención del

modelo computacional.

Figura 3.5.5 Primero modelo sólido

En la imagen se puede apreciar la gran resolución obtenida en el modelo. Sin embargo,

pueden observarse ligeras imperfecciones en algunas zonas concretas, sobre todo a la

hora de rellenar los desahogos debido al problema del programa anteriormente

mencionado. Estas imprecisiones no son relevantes, pues una vez el modelo es sólido

será exportado al programa Space Claim de Ansys, donde podrá ser tratado con mucha

mejor precisión para obtener el modelo computacional final previo a la optimización

topológica.


60

Etapa 6: Exportar el modelo final

En este caso, el programa que se va a utilizar a continuación de este, requiere exportar

el modelo en formato stp. Gracias a la compatibilidad entre estos programas, este

hecho pudo realizarse sin ningún inconveniente, si bien es verdad que el archivo era de

gran tamaño y tardó mucho tiempo en ser procesado por Ansys Workbench.

De esta manera finaliza el proceso de tratamiento de la nube de puntos, pasando el

modelo computacional obtenido a un segundo programa de post-tratamiento, esta vez

con un modelo sólido del que hablaremos en el próximo capítulo. La necesidad de

utilizar este segundo programa, surge por la falta de calidad en las caras generadas de

manera automática en el modelo sólido por Space Claim, si bien es verdad que las

aristas reales de la pieza si fueron representadas con alta calidad.


61

3.6 Conclusiones

Durante el transcurso de esta etapa del proyecto, se ha podido comprobar como la

gran mayoría de procesos involucrados poseen un gran nivel de desarrollo en cuanto a

funcionalidad pero no en cuanto a adaptación a la optimización topológica.

El mayor de los problemas reside en la ausencia de un comando que rellene material

hasta un plano bajo unas zonas parciales de la pieza, y no sobre el conjunto completo.

La solución sería implementar en el comando existente un modo boceto, donde definir

las zonas deseadas. El boceto se integraría con la propia pieza, de manera que

pudiesen reconocerse geometrías existentes y, gracias a esto, poder por ejemplo

realizar rectas sobre las aristas del modelo.

La ausencia de este comando condujo a solventar el problema mediante el comando

de relleno de agujeros planos, empeorando así considerablemente la calidad del

modelo final. Sin embargo como se ha comentado anteriormente, este hecho no

resulta muy relevante, pues la optimización topológica se encargará de crear

desahogos sobre estas zonas, generando superficies precisas que serán las fabricadas a

posteriori.

Otra carencia importante del programa, reside en no poder definir de manera directa

las caras de la pieza. La solución sería un comando (integrado igualmente con el modo

boceto) donde se definan estas superficies y las convierta en caras completamente

planas. La ausencia de este comando si pudo ser determinante en el éxito del proceso,

sin embargo al quedar bien definidas las aristas, simplemente se generaron numerosas

caras adicionales dentro de cada una de las caras reales.

Debido a esto, es hizo necesaria la utilización de otro programa de post-procesado

(Space Claim). Gracias a este programa, se pudo transformar el modelo sólido en una

geometría bien definida, sobre el contorno de la pieza y con las caras necesarias para

imponer correctamente las condiciones de contorno. Esto es debido a que las

condiciones de contorno residen en hacer saber al programa las restricciones reales de

la pieza en funcionamiento, que se describirán en el siguiente capítulo, al igual que el

proceso seguido en el Space Claim para conseguir el modelo que será sometido a la

optimización topológica.

Como conclusión final, se considera que los problemas acaecidos durante el transcurso

de esta etapa del proyecto han podido ser solventados sin demasiados inconvenientes,

obteniéndose así un modelo de alta calidad completamente valido para el proceso de

optimización topológica que se quiere realizar. A su vez, hay que tener en mente que

el modelo optimizado será posteriormente impreso en 3D, por lo que se podrá realizar

una comparativa física entre lo obtenido al final del proyecto, con la pieza real de la


62

que se partía en un comienzo. En este sentido, el capítulo final, recoge las diferencias y

principales problemas encontrados, así como una serie de propuestas y soluciones

para afrontar el proceso completo de optimización topológica aplicado a una pieza

existente. Aquí puede comprobarse la utilidad de los procesos de ingeniería inversa,

pues el diseño desde cero del modelo optimizado para las condiciones de contorno

impuestas, hubiese sido mucho más costoso tanto en tiempo como en cantidad de

recursos.


63

CAPÍTULO 4

OPTIMIZACIÓN

TOPOLÓGICA DEL

MODELO


64

4.1 Introducción

El objetivo de esta etapa del proyecto, consiste en emplear el modelo sólido obtenido

mediante el post-procesamiento de la información procedente del escáner

tridimensional, con el fin de realizar un cálculo por elementos finitos que sea capaz de

determinar las zonas más solicitadas del diseño ante una serie de esfuerzos y

condiciones de contorno concretos, con ayuda del programa ANSYS Workbench, en la

versión 17.1.

Una vez obtenida dicha información y mediante la extensión de optimización

topológica, será generado un modelo capaz de cumplir con los requisitos

predeterminados, reduciendo a su vez el peso del diseño en un porcentaje

considerable.

Cabe destacar que el primero modelo computacional exportado a ANSYS Workbench,

no resultó ser de la calidad esperada y por tanto ha sido necesario emplear un nuevo

software (Space Claim), capaz de tratar el diseño con el fin de hacerlo manejable en

Ansys. Adicionalmente, esta misma herramienta ha sido utilizada para el tratamiento

del modelo optimizado, con el objetivo de generar un archivo viable para ser impreso

en 3D.

Por tanto, el proceso que es descrito en este capítulo se estructura de la siguiente

manera:

✓ Tratamiento del modelo original mediante la herramienta Space Claim.

Preparación para la optimización topológica.

✓ Cálculo por elementos finitos de los esfuerzos generados en el diseño bajo las

condiciones de contorno a las que se somete al mismo.

✓ Optimización de la topología del modelo.

✓ Post-tratamiento del diseño mediante Space Claim. Preparación para la

impresión en 3D.


65

Posteriormente, en el capítulo se recoge una comparativa entre el modelo final

obtenido mediante la versión 17.1 de ANSYS, y el obtenido mediante la versión 18.1.

Cabe destacar que la versión 18.1 tiene incluida directamente la herramienta de

optimización topológica y por tanto no requiere de una extensión adicional. La

comparativa entre ambos modelos se realizará de manera puramente cualitativa, pues

no se profundizó en el funcionamiento del software en la versión 18.1.

Otro factor importante a tener en cuenta, hace referencia a la reducida antigüedad de

este tipo de herramientas informáticas. La extensión de la versión 17.1 utilizada en el

proyecto, carece de numerosas funciones, que deberán ser implementadas durante los

próximos años en futuras versiones. En este sentido, otro de los principales objetivos

de este capítulo se basa en aportar la mayor cantidad de información posible a cerca

de las carencias del software utilizado.


66

4.2 Preparación del modelo

Como se ha comentado anteriormente, ha resultado necesario para el correcto

desarrollo del proyecto, la utilización del programa Space Claim. En la figura 4.2.1, se

muestra una imagen donde se puede ver el modelo obtenido mediante el tratamiento

de la nube de puntos generada por el escáner de luz estructurada.

Figura 4.2.1 Modelo sólido trasladado a la ventana gráfica de ANSYS Workbench

Inmediatamente podemos identificar algunos de los problemas presentes en el

modelo. El primero de ellos, se trata del gran tamaño del archivo. Al generarse una

geometría que proviene de una malla con millones de puntos, la resolución del

programa puede hacer que las superficies resulten extremadamente irregulares a

pequeña escala, traduciéndose en un archivo difícil de manejar.


67

Otro de los principales problemas presentes en el modelo, resulta ser el gran número

de caras en las que el programa divide cada una de las superficies de la figura. Sin

embargo, en este sentido, la herramienta es capaz de reconocer todas las aristas como

límites laterales de las caras, hecho que hubiera sido mucho más complicado de

solucionar de no haber sido así (puesto que no existe un comando para separar caras).

La importancia de una correcta definición de las caras en el modelo, se hace necesaria

para la implementación de las condiciones de contorno del mismo. ANSYS Workbench

dispone de tres posibilidades para aplicar estas condiciones a la geometría del diseño,

a saber, líneas, superficies y volúmenes. En el caso que nos ocupa, todas las

condiciones, tanto de restricciones en los desplazamientos de la pieza, como en

imposición de las fuerzas a las que está sometida, han de ser aplicadas sobre

superficies.

Para solucionar este problema, Space Claim dispone de un comando capaz de fusionar

caras colindantes. Sin embargo, la herramienta presenta un inconveniente importante

y difícil de manejar para los intereses del proyecto. Al unir las caras, la geometría no se

mantiene constante, generándose así zonas con ondulaciones pronunciadas. La

metodología óptima a seguir para solventar dicho problema, pasa por juntar las caras

en grupos lo más reducidos posibles. Una vez se dispone de estas pequeñas

agrupaciones, se procede a unirlas entre sí para generar la superficie final. En la figura

4.2.2 se puede apreciar una imagen del proceso de unión de las caras en el diseño.

Figura 4.2.2 Proceso de unión de caras


68

Otro problema que se ha encontrado en el modelo, resulta ser el solapamiento de

ciertas superficies en zonas concretas de la pieza. El programa posee un comando para

eliminar el solapamiento, pero al tratarse de caras superpuestas pero no intersecadas,

no se reconoce ningún error sobre el modelo. La solución, pasa por eliminar las caras

conflictivas y utilizar el comando existente para rellenar agujeros. Sin embargo, el

programa no dispone de la opción que tenía la herramienta Geomagic, donde se podía

seleccionar el tipo de relleno de los agujeros (normal, tangencial o plano). Debido a

esto, al rellenar los agujeros se generaban superficies curvas no deseadas. Para

solventarlo, fue necesario realizar numerosos intentos de rellenar la superficie

faltante, con diferentes combinaciones de caras eliminadas, hasta que finalmente se

obtuvo un modelo correcto. En la figura 4.2.3, se puede ver el resultado final del

proceso de fusión de caras, previo al relleno del agujero más significativo, que apareció

en la zona frontal superior de la pieza.

Figura 4.2.3 Fusión de caras y superficie sin rellenar


69

Es importante mencionar que, como puede comprobarse en la imagen, al borrar

cualquiera de las caras del modelo, el programa entiende que la geometría no es

hermética y transforma el modelo sólido en una superficie abierta. Por tanto, será

necesario volver a transformar el modelo en sólido al finalizar este proceso.

Finalmente, un último inconveniente sobre el modelo es la imprecisión de la mayoría

de superficies resultante de todos los procesos realizados sobre las mismas. Para

solucionarlo, fue necesaria la utilización de una licencia adicional dentro del programa

Space Claim (STL prepare). Esta licencia incluye una serie de herramientas adicionales

que se encargan de afinar la calidad de la superficie del modelo, y será especialmente

importante en el post-procesado de la geometría optimizada, para obtener un modelo

con calidad suficiente para poder ser impreso en 3D.

En esta parte del proceso, la metodología a seguir se basa en reducir el diseño

mediante un programa que envuelve la superficie con cierto rango de tolerancia,

suavizando así las zonas irregulares. En primer lugar, hay que convertir el modelo (que

debe ser sólido) en una malla de triángulos. Posteriormente y tras aplicar el comando

ya mencionado, se vuelve a un modelo sólido.

En este punto surge uno de los mayores problemas encontrados durante el transcurso

del proyecto. Al transformar inicialmente el modelo a superficie y volver a

transformarlo en sólido, el tamaño del archivo aumenta de manera extremadamente

importante, haciéndose unas miles de veces superior al modelo original. Este hecho

imposibilita totalmente la utilización de los modelos tratados con la licencia de “STL

prepare” en el programa Ansys Workbench. Por tanto, para mejorar la geometría, se

ha utilizado exclusivamente el comando de mallado de Space Claim.

Por otra parte, el gran tamaño del archivo no dificulta en ningún caso la impresión en

3D del modelo final ya optimizado y tratado con el “STL prepare”, por tanto este si será

utilizado en el post-procesado.

En las figuras 4.2.4 y 4.2.5 se muestra como gracias al comando de mallado y

suavizando la geometría, se obtienen superficies mucho más regulares en comparación

con las originales (figura 4.2.1). Tras este proceso, se considera que la pieza está

preparada para poder ser analizada por elementos finitos en el programa ANSYS

Workbench.


70

Figura 4.2.4 Mallado y suavizado

Figura 4.2.5 Modelo final pre-optimización


71

4.3 Condiciones de funcionamiento de la pieza

Una vez obtenido el modelo final previo a la optimización topológica, el siguiente paso

tiene por objetivo simular mediante ANSYS Workbench, todas las condiciones de

funcionamiento de la pieza, desde sus restricciones en los desplazamientos, hasta las

fuerzas ejercidas sobre la misma. La correcta selección de estos parámetros es

fundamental para la obtención posterior del modelo optimizado, pues como se ha

mencionado anteriormente, el objetivo es poder reducir la cantidad de material

utilizado en la pieza, pudiendo esta seguir cumpliendo las solicitaciones de carga a las

que se encontrará sometida.

El primer paso a realizar, consiste en generar un mallado correcto. Gracias a esto, la

herramienta es capaz de dividir el modelo en pequeños elementos y, de esta manera,

analizar correctamente los esfuerzos a los que la pieza se encuentra sometida, una vez

se introduzcan las condiciones de contorno en el programa.

La calidad del mallado viene determinada por la homogeneidad y la ortogonalidad de

los triángulos en los que se divide la superficie del diseño. En este sentido, se podrá

comprobar si la calidad del modelo es suficiente, pues el programa posee una serie de

comandos capaces de generar la malla automáticamente, adaptándose esta lo mejor

posible a la geometría presente. En la figura 4.3.1 se puede apreciar que la calidad del

primer mallado obtenido es muy buena, pues lo tetraedros generados son regulares y

ortogonales en su mayoría.

Figura 4.3.1 Primer mallado de la pieza


72

Sin embargo, un pequeño inconveniente derivado de los procesos realizados sobre el

modelo, resulta ser el tamaño de las divisiones generada

s en la malla. A menor tamaño de las divisiones sobre la superficie, mayor será la

precisión en los resultados finales obtenidos. En la figura 4.3.2 se observa como el

programa no es capaz de procesar un mallado de menor tamaño, devolviendo un

error. Sin embargo se considera que la calidad de la malla obtenida es más que

suficiente para poder realizar la optimización de topología, pues los esfuerzos que

aparecerán en la pieza podrán ser calculados de manera correcta.

Figura 4.3.2 Error al intentar reducir el tamaño de los diferenciales en el mallado

Una vez obtenido un mallado con la suficiente calidad, es momento de imponer las

condiciones de contorno sobre el modelo. El objetivo de esta etapa se basa en

conseguir representar, de la mejor manera posible, los esfuerzos reales a los que se

encontrará sometida la pieza en funcionamiento.

Con este fin, se procede a identificar la funcionalidad exacta del diseño. La estructura

se encuentra anclada por su parte frontal y trasera por una serie de tornillos que la

sujetan a presión. Se denominará parte delantera del modelo a la zona donde solo

existe un alojamiento para tornillos. La zona trasera de la pieza, será por tanto la de

mayor espesor, y donde se encuentran dos zonas para el alojamiento de tornillos.


73

Existe una tercera zona en el modelo, situada en el lateral de la pieza sobre la parte

trasera, a la que se denominará zona de carga. La razón de esta denominación es que

esta será la sección de la pieza donde se recibe la mayor parte de esfuerzos externos.

Las condiciones, en lo referente a los desplazamientos, impuesta en el modelo son las

siguientes: Con el fin de permitir imponer cargas sobre las superficies de apoyo de los

tornillos, el modelo se encuentra empotrado en la superficie inferior de los apoyos de

la parte delantera y trasera del diseño. Esto es debido a que la pieza se encuentra

unida a dos partes diferentes del motor, que no poseen desplazamientos relativos

entre sí. No resulta factible imponer empotramiento en las superficies interiores de los

cilindros, pues estas zonas se necesitan para situar una ligera carga de tracción a la que

estará sometido el modelo como se explicará en próximos apartados.

Por parte de las fuerzas a las que se encuentra sometida la pieza, las condiciones

impuestas han sido las siguientes: una fuerza remota principal, ejercida sobre el

soporte presente en la zona de carga del modelo, además de una segunda fuerza

perpendicular a la misma y de menor tamaño. La razón de la existencia de estas

fuerzas reside en que este soporte, sostiene una de las ruedas de la correa de

transmisión del motor, por lo tanto se genera una fuerza que crea un momento flector

sobre la pieza, debida a la tensión total de la correa, y una segunda fuerza en dirección

perpendicular a la principal, debida a la diferencia de tensiones a un lado y a otro de la

rueda, que posibilita que esta gire. Un hecho interesante para el desarrollo del

proyecto, ha resultado ser variar la dirección de dichas fuerzas dentro de un ángulo

determinado. El objetivo es analizar posteriormente las diferencias sobre el modelo

optimizado en función abanico de posibilidades. En este sentido, al querer obtener un

único modelo para su posterior impresión en 3D, se seleccionará el que aporte una

geometría más homogénea y estable, pues este hecho facilitará el posterior

procesamiento del modelo.

Por otra parte, se ha impuesto una fuerza resultante de la presión que ejercerán los

tornillos sobre su superficie de apoyo superior. Este esfuerzo se traducirá en el grosor

y la topología de las zonas de apoyo.

Adicionalmente, y como ya se ha comentado, ha sido necesario imponer una ligera

fuerza de tracción aplicada entre las superficies interiores de apoyo de los tornillos,

pues de lo contrario, la extensión de optimización topológica entendía que no era

necesaria la existencia de ningún tipo de unión entre las dos partes de sujeción de la

pieza, pues no se transmitía ningún esfuerzo relevante entre las mismas.

En las figuras 4.3.3, 4.3.4, 4.3.5 y 4.3.6, se pueden ver, a modo de resumen, todos los

esfuerzos introducciones en el diseño desde la ventana gráfica del programa, así como

los valores de magnitud de los mismos. Cabe destacar que se han utilizado valores

reales para la imposición de las fuerzas a las que se somete al modelo, fruto de


74

investigación en las características de los tornillos y de la cadena de distribución del

motor.

Figura 4.3.3 Momento torsor

Figura 4.3.4 Presión ejercida por los tornillos


75

Figura 4.3.5 fuerza de tracción

Figura 4.3.6 Resultante de la suma de las fuerzas remotas (traducción de la tensión de

las correas sobre el disco, y este sobre su apoyo en la pieza)


76

Una vez impuestas las condiciones de contorno y obtenida la malla, se procede a

resolver el modelo de esfuerzos generados sobre el diseño. En la figura 4.3.7 y 4.3.8,

podemos ver los esfuerzos y deformaciones (respectivamente) que se generan en la

pieza a partir de las condiciones de contorno impuestas. El objetivo posterior de la

optimización topológica, no será reducir estos esfuerzos ni mantenerlos en estos

valores, si no conseguir que la pieza no exceda sus límites de deformación, reduciendo

la cantidad de material lo máximo posible (bajo ciertos coeficientes de seguridad).

Figura 4.3.7 Esfuerzos generados en el modelo

Figura 4.3.8 Deformaciones generadas en el modelo

Como se puede comprobar, cabe destacar que la pieza no posee importantes

solicitaciones en lo referente a los esfuerzos generados en el tronco central de la

misma, aun habiendo impuesta la fuerza de tracción entre apoyos. Que la pieza este

coloreada de azul no quiere decir que no exista ningún tipo de esfuerzo, si no que las

zonas con tonos de mayor frecuencia se encuentran significativamente más solicitadas.


77

Aun así, la adición de la fuerza de tracción sobre el cuerpo del diseño, si ha resultado

funcionar como se esperaba, pues ahora debe existir una cierta cantidad de material

que mantenga unida la pieza para que la fuerza sobre los tornillos no desplace de

posición a los mismos.

En este sentido, seguramente el resultado óptimo hubiese sido realizar una nueva

pieza que solo dispusiera de los dos apoyos de la parte trasera, sin embargo el objetivo

del proyecto, como se comenta en anteriores capítulos, pasa por optimizar la pieza ya

existente, con todas sus condiciones de contorno, que incluyen el apoyo de la parte

delantera.


78

4.4 Optimización topológica

Una vez se dispone del modelo resuelto bajo las condiciones de contorno, es momento

de aplicar la extensión de optimización topológica, con el objetivo de reducir el

volumen de la pieza, sin sobrepasar ningún límite crítico de la misma.

Desde la venta gráfica del ANSYS Workbench, la herramienta de topología ha de ser

conectada con el modelo y los resultados obtenidos en el anterior paso, de esta

manera, el programa dispone de la información necesaria para ponerse en

funcionamiento. En la figura 4.4.1 se puede observar dicha conexión.

Figura 4.4.1 Conexión entre herramientas del programa

Dentro de la herramienta de optimización topológica, podemos encontrar diferentes

comandos a aplicar sobre nuestro modelo. A continuación se explica cada uno de ellos

en el orden de aplicación que deben realizarse con el objetivo de obtener un resultado

correcto:

✓ Designe Space (Espacio de diseño): Este comando permite seleccionar las

zonas de la pieza que han de ser optimizadas topológicamente. No se trata de

una tarea tan sencilla como simplemente seleccionar el volumen completo de

la pieza, pues se desea que la geometría conserve ciertas propiedades

indispensables, como las zonas de apoyo de los tornillos o de la rueda en la

zona lateral trasera. En este sentido, el comando cuenta con dos posibles

operaciones a realizar, una de selección y otra de exclusión.

Sobre el modelo que corresponde a este caso, se ha aplicado una selección de

volumen completo de la pieza, para posteriormente excluir las zonas que se


79

mencionan anteriormente. En las imágenes 4.4.2, 4.4.3, 4.4.4, 4.4.5, 4.4.6 4.4.7,

4.4.8 y 4.4.9, podemos ver las selecciones y exclusiones impuestas en cada

situación.

Figura 4.4.2 Selección del volumen completo

Figura 4.4.3 Exclusión de la zona de apoyo interior de un tornillo

Es importante destacar que la selección de exclusiones de la figura 4.4.3,

inicialmente estaba pensada para excluir las tres zonas de los tornillos, sin

embargo, tras todas las pruebas de optimización que se fueron realizando


80

hasta llegar al modelo final, se pudo ver que el programa simplemente

mantenía las superficies por haberlo indicado y no porque resultase necesario

para la estructura del diseño. Es por tanto que, en el modelo final, no se aplican

estas exclusiones con el objetivo de poder reducir aún más el volumen de la

pieza, gracias a hacer las zonas de apoyo de los tornillos de diferente altura a la

inicialmente determinada (por supuesto, este hecho no compromete de ningún

modo la funcionalidad final de la pieza).

Figura 4.4.4 Exclusión de apoyo sobre el motor (1)



81


Por la propia experiencia adquirida sobre el transcurso de este proyecto,

resulta mucho más conveniente realizar las exclusiones en regiones

individuales. De esta manera se hace mucho más sencillo el modificarlas o

eliminarlas, sobre todo en los casos en los que ha de seleccionarse un gran

número de superficies para dicha exclusión, como se puede comprobar en las

imágenes anteriores.

Figura 4.4.7 Exclusión de apoyo sobre la rueda de la cadena de transmisión


82

Figura 4.4.8 Exclusión del apoyo interior de la sujeción del disco de la cadena de

transmisión

Figura 4.4.9 Exclusión del apoyo superior de un tornillo


83

Por la misma razón que ha sido mencionada con anterioridad, solo se ha

excluido el apoyo superior del tornillo que era estrictamente necesario para

que el programa realizase la optimización de manera correcta, ganando así

espacio para aumentar aún más la reducción de volumen.

✓ Manufacturing: contiene una serie de comandos que pueden resultar muy

útiles a la hora de facilitar el trabajo de post-procesado sobre el modelo, así

como añadir restricciones adicionales. Desde condiciones de simetría, hasta

imposiciones de grosor máximo o mínimo. No ha sido necesaria la utilización

de ninguna de estas condiciones sobre el modelo del proyecto. Se probó variar

el grosor máximo y mínimo pero no se obtuvo ningún resultado

suficientemente significativo.

✓ Optimization: Aquí podremos encontrar dos sencillos comandos que

simplemente requieren que se introduzca la información sobre el objetivo de la

optimización. Mediante el comando “Constraint”, podemos seleccionar si

minimizar el volumen, la masa, los grados de libertad del modelo, el grado de

interferencia con frecuencias naturales, los esfuerzos en zonas concretas o en

el conjunto de la pieza o las deformaciones de la misma. Sin embargo, la

mayoría de estos comandos no se encuentran disponibles en la versión 17.1 de

Ansys. Como se comenta en anteriores capítulos, la versión 18.0 recoge mucha

mayor variedad de posibilidades en este sentido. Al final de este capítulo, se

recoge una comparativa entre el modelo obtenido en la versión 17.1 y un

primer modelo, sin llegar a profundizar en detalle, de la versión 18.0.

Finalmente el comando “Objetive”, permite minimizar o maximizar las

condiciones anteriormente mencionadas. Para este caso concreto, se ha

seleccionado reducción en el volumen de en torno a un 70% del contorno del

modelo original, que se estima en un 20% adicional sobre la pieza real.

✓ Convergence Graphs: Este último comando permite mostrar las gráficas de

convergencia durante el proceso de optimización topológica, hecho que resulta

altamente útil a la hora de decidir el número de iteraciones que realizar para

obtener un resultado final. Inicialmente, el programa tiene predeterminado

realizar 500 iteraciones hasta llegar a un resultado con un 0,05% de desviación.

En este caso concreto, el procesado de las iteraciones necesarias para alcanzar

tales grados de precisión resultaba excesivamente largo, por lo que se decidió

reducir el número de iteraciones, basándose en el momento en el que las

gráficas de convergencia se aproximaban a una zona de valor de desviación

constante. Mediante 7 iteraciones, se obtenían resultados prácticamente

iguales en mucho menor tiempo. Es importante tener en cuenta que no se


84

realizó una sola prueba para la obtención del modelo final, sino un gran

número de ellas y por tanto este hecho resultó muy beneficioso para el

desarrollo del proyecto.

Una vez aplicados todos los comandos mencionados sobre el modelo, el último paso

antes de lanzar la simulación que obtenga el modelo final, es introducir la forma en la

que el programa releje los resultados obtenidos. En este sentido, para la optimización

topológica existen dos comandos, “Node Values” y “Average Node Values”. Este

último, sin duda es con el que se obtienen mejores resultados. El funcionamiento es el

siguiente, el programa da un valor de relevancia (de 0 a 1) a cada una de las divisiones

del modelo, en función a su importancia a la hora de mantener las condiciones de

contorno bajo los límites establecidos. A continuación, existe una barra regulable de 0

a 1, donde se muestran sobre el modelo las diferentes zonas que cumplen con un valor

menor o igual al seleccionado.

Tras resolver el modelo, simplemente es cuestión de seleccionar un valor mediante el

cual se obtenga un diseño que sea fabricarle, donde además se mantengan las

condiciones de hermética y continuidad de la pieza. En las figuras 4.4.10, 4.4.11, 4.4.12

y 4.4.13 se pueden ver algunas de las versiones obtenidas que no resultaron

satisfactorias.

Figura 4.4.10 Primer modelo optimizado obtenido


85

Este primer modelo sirvió como ensayo para poner en funcionamiento el programa,

sometiendo a la pieza a una única carga de tracción en su dirección longitudinal.

Figura 4.4.11 Segundo modelo optimizado obtenido.

Este segundo modelo, incluye adicionalmente la presión generada por los tornillos, así

como una fuerza puntual en la zona de carga en la dirección real de aplicación.

Posteriormente se decidió que resultaba de mayor conveniencia imponer una carga

remota de modo que se transmitiese un momento flector sobre el cuerpo del diseño.

Figura 4.4.12 Tercer modelo optimizado obtenido


86

Este modelo presenta todas las solicitaciones del diseño final, excepto la fuerza de

tracción, por lo que se hizo necesario añadir la exclusión de las superficies laterales de

la pieza con el objetivo de mantener una continuidad estructural.

Figura 4.4.13 Cuarto modelo optimizado obtenido

Las expectativas sobre este cuarto modelo fueron buenas en todo momento, llegando

incluso a trasladarlo al programa de post-procesado para obtener una primer idea de

cómo sería un modelo final. Sin embargo, fue desechado por la adición de condiciones

extra que no habían sido implementadas inicialmente, como la existencia de un par

torsor o la presión de los tornillos. En la figura 4.4.14 se muestra este modelo después

de realizarse el post-procesamiento sobre el mismo. Los comandos necesarios serán

explicados en próximos apartados.

Figura 4.4.14 Tercer modelo en etapa de post-procesado


87

Finalmente, el la figura 4.4.15 se muestra el modelo final obtenido tras el proceso de

optimización topológica. Tras añadir un pequeño coeficiente de seguridad, se decidió

poner fin a esta etapa del proceso con el modelo que aparece en la figura 4.4.16, para

evitar fallos en el diseño, fruto de la posible falta de precisión en el proceso de

impresión en 3D.

Figura 4.4.15 Modelo final optimizado topológicamente (sin coeficiente de seguridad)

Figura 4.4.16 Modelo final optimizado topológicamente (con coeficiente de seguridad)


88

4.5 Post-procesamiento del modelo optimizado

El objetivo de esta etapa se fundamenta en transformar el diseño optimizado

topológicamente, de modo que se obtenga una geometría fabricable y más coherente.

Este hecho resulta necesario, debido a que las secciones en las que se divide la pieza

que conforman cada una de las caras excluidas en la optimización, se mantienen por

completo en el modelo resultante. Debido a esto, aparecen zonas de alta irregularidad

en la pieza.

Para corregir dichas imperfecciones, se ha necesitado de una licencia adicional, como

se comentó anteriormente, dentro del programa Space Claim, denominada “STL

Prepare”. Como su propio nombre indica, se ha de exportar el modelo desde ANSYS en

formato stl. para poder trabajar con el mismo.

Dentro de esta extensión, podemos encontrar una serie de comandos capaces de

suavizar el contorno de la topología de la pieza. A continuación se exponen los pasos a

seguir en orden de realización:

✓ Mallado del modelo: el primer paso a realizar, consiste en ejecutar un

comando que transforma el modelo solido en una malla con la que se puede

analizar mejor la estructura del diseño. Este es el mismo paso que se llevó a

cabo durante el procesamiento del modelo previo a la optimización topológica.

Gracias a esto, se habilitan una serie de comandos adicionales, capaces de

tratar la malla resultante. El primero y más general de los mismos es el

“Autofix”. Tras analizar los erros del mallado, este comando es capaz de

corregir huecos en la superficie de la pieza (de modo que quede

herméticamente cerrada), solapamientos entre superficies y errores en la

distribución de las divisiones generadas. Al realizar este primer paso, no se

observan cambios significativos sobre el diseño, pero resulta esencial de cara a

generar un modelo viable para la impresión en 3D.

✓ Reducir mediante cáscara: este sin duda es uno de los comandos

fundamentales necesarios para obtener un modelo de calidad. El

procedimiento es muy simple, basta con seleccionar el volumen entero o una

sección concreta de la pieza e imponer un grado de desviación en milímetros.

Gracias a esta herramienta, se crea una nueva superficie, adaptándose a la

existente, pero reduciendo o suavizando las zonas con claras desviaciones. Esta

herramienta, ha de ser combinada con la que se mencionará a continuación

para conseguir los resultados perseguidos.


89

✓ Desplazamiento de superficies: seleccionando una zona concreta de la pieza,

este comando es capaz de desplazar los tetraedros seleccionados en una

dirección perpendicular a los mismos. Gracias a esto, se pueden reducir las

esquinas generadas en las superficies excluidas de la optimización topológica.

Para obtener el resultado final, simplemente es necesario ir combinando estos dos

últimos comandos, tras haber realizado un “Autofix” sobre el mallado. Se desplaza una

zona irregular de la superficie del modelo y posteriormente se crea una reducción

mediante cáscara lo más precisa posible, de modo que los desplazamientos no

generen nuevas aristas agresivas.

El problema principal de este proceso, aparte de ser lento de llevar a cabo, resulta ser

que la geometría final obtenida no es perfectamente recta. En la figura 4.5.1, se puede

ver un procedimiento de post-procesado fallido sobre uno de los modelos optimizados

inicialmente propuesto. En la imagen se puede apreciar con claridad las irregularidades

generadas, así como zonas que han sido excesivamente modificadas debido al uso del

comando de reducción por cáscara.

Figura 4.5.1 Post-procesamiento fallido sobre uno de los modelos optimizados

inicialmente propuestos

Dentro del programa Space Claim, existe un comando adicional capaz de transformar

superficies en geometrías concretas. Este hecho hubiese sido especialmente útil a la

hora de obtener cilindros perfectos en las zonas de apoyo de los tornillos. Sin


90

embargo, la herramienta no reconocía la superficie y generaba el cilindro en una

posición que no correspondía con la adecuada. La alineación manual de los mismos

tampoco resultaba una solución viable, por tanto se decidió continuar con la

metodología anteriormente expuesta. Este es un error importante del programa que

deberá ser corregido para futuras versiones, pues puede ser decisivo a la hora de

fabricar un modelo optimizado real. El propósito de este proyecto es, como ya se ha

comentado anteriormente, investigar a cerca de las limitaciones de las herramientas

informáticas involucradas dentro del proceso y no el conseguir un modelo perfecto, si

bien es verdad que debe ser suficientemente representativo como para poder

comprobar si la información obtenida computacionalmente es veraz.

En la figura 4.5.2 se puede ver el procesamiento del modelo final que será impreso en

3D. En el Capítulo 5, se hablará de los defectos obtenidos.

Figura 4.5.2 Procesamiento del modelo final

A primera vista se puede observar como efectivamente, una de las zonas de apoyo de

tornillos fue reducida a la mitad al no resultar necesaria para mantener las condiciones

de rigidez de la pieza en carga. Además, como se comenta anteriormente, el cilindro

de mayor tamaño resulta bastante irregular.


91

4.6 Conclusiones

En general, se puede considera que el proceso de optimización topológica ha podido

ser realizado de manera correcta sin complicaciones importantes, si bien es verdad

que han surgido ciertos problemas que merece la pena comentar.

El inconveniente más importante encontrado dentro del proceso, resulta ser el tamaño

del archivo obtenido después de pasar un modelo sólido a malla y de nuevo a sólido

dentro del programa Space Claim. En la figura 4.6.1 se pude observar el tamaño de los

archivos.

Figura 4.6.1 Tamaño de los archivos

El modelo sólido topológicamente optimizado, corresponde con el archivo llamado

“Diseñar2.stp”. Posteriormente, y tras convertir el diseño en una malla, se genera el

archivo “Diseñar2.scdoc”. Tras realizar las operaciones anteriormente mencionadas, se

termina el post-procesado devolviendo el modelo a sólido (“Diseñar2Solido.stp”).

Como se puede comprobar, el archivo ha aumentado unas 24000 veces su tamaño

original. Este hecho imposibilita por completo su reutilización dentro de ANSYS

Workbench. La idea original se basaba en transferir el diseño final a este programa,

para comparar los resultados obtenidos en el mismo, con los ensayos de tracción y

flexión realizados posteriormente sobre el modelo impreso en 3D. Debido a este

inconveniente, únicamente se realizarán los ensayos con el fin de comprobar si el

modelo optimizado es capaz de distribuir las tensiones correctamente antes de

generar una grieta, o si por el contrario existe alguna zona claramente más debilitada.

Se hablará de estos resultados en el Capítulo 6.

Otros de los problemas encontrados durante el proceso, son los errores a la hora de

reconocer geometrías, la excesiva división de caras dentro de cada superficie del

modelo, la imposibilidad de unir dichas caras sin alterar la geometría del diseño y las

irregularidades generadas debido a la exclusión de caras en la optimización topológica,

como se ha ido comentando a lo largo del capítulo.


92

Por otra parte, se ha conseguido mantener perfectamente las dimensiones de la pieza

(se muestra en el Capítulo 5), así como las zonas que eran necesarias para la

funcionalidad de la misma, como los apoyos interiores, superiores e inferiores de los

tornillos.

No existe ningún tipo de error en el mallado que imposibilite seguir con el proceso y,

excepto las zonas ya mencionadas, el resto parece poseer una alta calidad superficial.

Así mismo, las superficies interiores de los cilindros, que fueron generadas durante el

post-procesamiento de la nube de puntos sobre el modelo escaneado, se mantiene en

perfectas condiciones para asegurar el correcto encaje de los tornillos. En este punto,

el modelo se encuentra preparado para ser impreso en 3D.

Adicionalmente, resulta interesante aportar una comparativa cualitativa entre el

modelo optimizado obtenido con la versión 17.1 de ANSYS Workbench y el obtenido

con la versión 18.1. Cabe destacar, como se menciona al comienzo del capítulo, que no

se ha profundizado en el funcionamiento de la herramienta en esta última versión, por

tanto simplemente esta comparativa será útil para ver si existen diferencias

significativas entre ambos modelos. En la figura 4.6.2 se puede ver el modelo

optimizado, obtenido con las mismas condiciones de contorno y solicitaciones que el

original.

Figura 4.6.2 Modelo optimizado en la versión 18.1


93

Como se puede apreciar, existen ligeras diferencias con respecto a la figura 4.4.16,

pero nada que resulte significativo como para realizar el modelo final en esta versión.

La zona delantera, donde los dos nervios se unen en el apoyo del tornillo, se mantiene

completamente igual. Por otro lado, en la zona trasera, parece darse mayor

importancia al apoyo que ha sido reducido en el modelo final de la versión 17.1. En el

Capítulo 6 se comprobará si este hecho resulta relevante a la hora de resistir las

solicitaciones impuestas sobre la pieza.


94


95

CAPÍTULO 5

IMPRESIÓN 3D DEL

MODELO OPTIMIZADO


96

5.1 Introducción

Los objetivos de esta etapa del proyecto se fundamentan en conseguir imprimir el

modelo topológicamente optimizado con la mayor resolución posible, además de

analizar los fallos en la pieza resultante.

Es importante recordar que el diseño será sometido posteriormente a un ensayo de

tracción y, por lo tanto, la calidad y solidez de la impresión serán factores

determinantes a la hora de poder sacar conclusiones válidas.

Con este fin, se utilizará una impresora moderna de alta calidad. Marca Dimension y

modelo élite BST 768. Durante el transcurso del presente capítulo se mencionarán las

propiedades de dicha impresora, así como los tipos de materiales con los que es capaz

de trabajar. No resulta relevante el tipo de material con el que la pieza sea

prototipada, debido a que el principal objetivo del ensayo de tracción es, como ya se

ha comentado, diferenciar si existen zonas debilitadas en el modelo o si por el

contrario los esfuerzos se transmiten de manera homogénea a lo largo de la pieza.

La principal razón por la cual se ha decidido utilizar esta tecnología para la fabricación

de los prototipos de la pieza, pasa por la facilidad con la cual este método es capaz de

reproducir geometrías atípicas. Los procesos de optimización topológica, acarrean una

serie de operaciones matemáticas a nivel computacional extremadamente no líneas.

Por otra parte, al introducirse una gran variedad de esfuerzos sobre el diseño, es lógico

esperar que el resultado de la pieza final sea altamente complejo.

Durante el transcurso del capítulo se hablará de los problemas encontrados a lo largo

del proceso de impresión si los hubiese, así como de los resultados obtenidos.


97

5.2 Características de la impresora

Como se ha comentado anteriormente, se ha utilizado una impresora Dimension Elite

BST 768. Una de las principales cualidades por las que destaca esta herramienta es su

amplio especio de impresión, hecho que permite generar estructuras tridimensionales

de gran tamaño en comparación a otros modelos. Otro beneficio de esta impresora,

resulta ser la gran calidad con la que se representa el modelo computacional. En la

gran mayoría de ocasiones, las piezas impresas en 3D poseen unas importantes marcas

fruto del paso de la boquilla extrusora de material a lo largo de la diseño. En este caso,

las marcas resultarán mucho menos perceptibles, si bien es verdad que seguirán

existiendo.

Es importante mencionar que las impresoras 3D trabajan siempre con dos tipos de

materiales como mínimo. Este hecho posibilita la generación de geometrías imposibles

de realizar por otros métodos de fabricación. La idea es la siguiente: se dispone de un

material principal, que será el utilizado para generar el diseño, y un segundo material

adicional que será colocado en aquellas zonas en las que no exista cuerpo físico de la

pieza, pero si se requiera de la presencia de material para poder seguir continuado con

las capas del modelo. Este material podrá ser desechado una vez se haya generado la

geometría completa de la pieza. En la figura 5.2.1, se puede ver una imagen del

proceso de adquisición online de dichos materiales.

Figura 5.2.1 Materiales que utiliza la impresora con lista de precios


98

La utilización de estos plásticos ABS duraderos, permite a los usuarios probar modelos

3D para testear funcionalidad, forma y ensamble de las geometrías generadas. Además

este modelo dispone de un sistema de auto-limpieza, capaz de ahorrar grandes

cantidades de tiempo.

Otro ámbito importante donde destaca la impresora seleccionada para el proyecto,

hace referencia a la relación calidad precio, sobre todo gracias al gran tamaño de su

zona de impresión. Al pertenecer a la escuela técnica superior de ingeniería del ICAI, la

impresora debe ser capaz de cubrir el mayor abanico de solicitaciones posible, desde

prototipos para proyectos, posibles lecciones de docencia o incluso encargas de

empresas externas. En este sentido, la calidad, el tamaño y la relación calidad precio,

hacen de esta impresora, sin duda uno de los mejores modelo posibles en el mercado

actual. En la figura 5.2.2, se puede apreciar una imagen de la impresora en la portada

de su manual de instrucciones.

Figura 5.2.2 Impresora utilizada en el proyecto


99

5.3 Impresión 3D del modelo

El proceso de impresión de modelos computacionales de manera directa, se encuentra

completamente automatizado. Simplemente es necesario disponer de un archivo de

las características adecuadas y posicionar el diseño en una zona de la caja de impresión

de manera manual o automática.

En este sentido, existe un único procedimiento muy importante que debe ser

asegurado antes de comenzar con la impresión si se pretende obtener resultados de

calidad. El programa informático que utiliza la impresora 3D, transforma la geometría

sólida (formato stl.) en una malla mediante divisiones por tetraedros. Si la resolución

no es suficiente, este hecho puede provocar que la geometría no quede representada

de manera precisa, al aproximar, por ejemplo, una curva a varias rectas de pequeño

tamaño.

Este hecho no ha resultado ser ningún inconveniente de cara al desarrollo de esta

etapa del proyecto, pues inicialmente y sin realizar ningún tipo de ajuste adicional, se

disponía de un modelo computacional de calidad y perfectamente válido para poder

ser impreso en 3D por este método. Por tanto, se procedió directamente a introducir

el diseño en el software de la impresora con el fin de generar el primer modelo físico

de la pieza optimizada topológicamente.

Un factor adicional a tener en cuenta a la hora de realizar cualquier impresión en 3D es

el tiempo que dura el proceso. Por lo general, este tipo de métodos de fabricación se

caracterizan por ser lentos. En el caso que nos ocupa, inicialmente se estimaron entre

trece y quince horas para poder obtener la pieza. Gracias a la optimización topológica,

la cantidad de material que interviene en el diseño es lo más reducida posible, bajo las

solicitaciones impuestas. Por tanto, el tiempo real de impresión del modelo resultó ser

inferior a lo esperado inicialmente. Tras once horas de máquina en funcionamiento, el

programa fue capaz de generar el primer modelo físico del proyecto, fruto de todos los

procesos realizados anteriormente.

Una vez se dispone de la pieza, es de extrema relevancia realizar los cálculos

pertinentes necesarios para asegurar las propiedades deseadas se han conseguido

reproducir de manera correcta.


100

5.4 Análisis de la pieza impresa

En la Figura 5.4.1 se puede apreciar una primera vista general de la pieza. La geometría

ha podido ser representada sin ningún tipo de inconveniente y, como era de esperar,

la calidad superficial obtenida es excelente para tratarse de un modelo impreso en 3D.

Figura 5.4.1 Vista general de la pieza impresa en 3D

Por otra parte, todas las cualidades que el diseño debía incluir de manera

imprescindible, como el grosor de los orificios adecuados para los tornillos, el área de

las zonas de apoyo de los mismos y, sobre todo, la distancia entre los puntos de

soporte, han podido mantenerse en perfectas condiciones, por lo que se considera que

el proceso de impresión en 3D ha podido ser realizado sin ningún tipo de complicación.

Este hecho, presenta una clara diferencia con respecto a las dos principales tecnologías

utilizadas a lo largo del proyecto (herramientas de escaneo y de optimización

topológica). Durante el proceso completo que ha seguido la pieza, se han mencionado

numerosos inconvenientes y posibles soluciones a los mismos en prácticamente cada

una de las etapas acaecidas. La clave reside en la antigüedad de cada una de las

tecnologías, así como en su grado de desarrollo. Como se ha mencionado

anteriormente, la optimización topológica de piezas a partir de escáneres

tridimensionales constituye un área de la ingeniería en actual auge y desarrollo. Sin

embargo, durante las últimas décadas, las impresoras 3D han cobrado gran


101

importancia en el panorama de la fabricación industrial, llegando a consolidar

metodologías y procesos hasta niveles de precisión muy elevados.

En las figuras 5.4.2, 5.4.3 y 5.4.4, se puede apreciar el nivel de encaje de la pieza

optimizada en la posición original de la misma.

Figura 5.4.2 Pieza en su posición de funcionamiento (1)



102


Se considera por tanto que la pieza obtenida es de la calidad esperada y que se

encuentra en las condiciones óptimas para realizar el ensayo de tracción mencionado

anteriormente.


103

5.5 Conclusiones

Como se ha mencionado anteriormente, se considera que el proceso de impresión en

3D dispone de metodologías sólidas que permiten alcanzar resultados de manera muy

eficaz.

En este caso, la selección de la impresora correcta ha resultado clave para asegurar

que la pieza no poseía ningún tipo de defecto estructural, pues de lo contrario hubiese

sido necesario volver a imprimirla, retrasando así la programación dispuesta para los

ensayos posteriores de manera considerable.

Por otro lado, el material utilizado es muy estándar para este tipo de procesos y ha

sido capaz de cumplir con los requisitos predeterminados, si bien es verdad que podía

apreciarse una considerable cantidad del material desechable en ciertas zonas

concretas de la geometría de la pieza de difícil acceso. Sin embargo, este hecho no ha

dificultado en absoluto la posterior etapa de ensayos.

Las dimensiones de la pieza han conseguido ser representadas de manera perfecta,

hecho que quería conseguirse desde el comienzo en este proyecto, con el fin de

generar un modelo completamente representativo de la pieza original.

Por lo tanto, es este punto, podemos considerar que el diseño se encuentra en las

condiciones óptimas para ser ensayado a tracción, sujeto por las zonas de apoyo de los

tornillos. Se introducirán varillas coincidentes con las dimensiones reales de los

mismos, con el fin de simular unas condiciones de funcionamiento reales.


104


105

CAPÍTULO 6

ENSAYO DE TRACCIÓN

SOBRE LA PIEZA

IMPRESA EN 3D


106

6.1 Introducción

A lo largo del presente capítulo, se describirán los procesos que han sido necesarios

llevar a cabo para la correcta realización de un ensayo de tracción sobre la pieza. El

objetivo es realizar un testeo representativo de cara a comprobar si la optimización

topológica ha sido realizada de manera adecuada. En este sentido, existen numerosos

factores a tener en cuenta.

En primer lugar, como se ha comentado anteriormente, el objetivo de la realización de

los ensayos no se fundamenta en determinar el valor máximo de tensión que la pieza

es capaz de soportar, pues no fue posible trasladar el modelo computacional

optimizado de vuelta al ANSYS para realizar dichas simulaciones. El fin de esta etapa

del proyecto será por tanto, analizar si la estructura del modelo ha sido diseñada

correctamente, mediante la detección de posibles zonas débiles.

Con el fin de reproducir con la mayor verosimilitud posible las condiciones de contorno

impuestas en el modelo, se ha de diseñar un apoyo capaz de sostener la pieza por las

zonas donde se ubican los tornillos. Como se verá a continuación, la máquina de

tracción no disponía de ningún tipo de mordaza útil para esta tarea, por lo que fue

necesario construir unos soportes laterales que dispusieran de orificios en su zona

central para encajar correctamente con las sujeciones de la máquina.


107

6.2 Fabricación de los soportes laterales

Como ya se ha comentado, resulto necesario fabricar algún tipo de soporte con el

objetivo de poder sostener la pieza en la posición correcta para realizar un ensayo de

tracción representativo. Esto es debido a la geometría de la máquina de tracción, que

únicamente dispone de dos mordazas con un único orificio centrado para soportar las

piezas.

La solución propuesta para resolver este inconveniente, se basó en fabricar una serie

de placas de acero de 4 mm de espesor con una distribución de orificios concreta, de

tal manera que resultase posible atravesar las zonas de soporte de la pieza con varillas

de metal y, simultáneamente, colocar una varilla adicional unida a la zona de soporte

de la máquina de tracción. El proceso seguido para la fabricación de dichos soportes es

el siguiente, en orden de realización:

✓ Sobre la placa en bruto, se realizan primero unas ligeras entallas para poder

apoyar la broca del taladro, con ayuda de un ligero golpe de martillo. En la

imagen 6.2.1 se puede ver el punzón utilizado para dicha tarea.

Figura 6.2.1 Punteado para facilitar entrada de la broca

✓ El siguiente paso consiste simplemente en utilizar el taladro para generar los

orificios necesarios para cada una de las placas. Cabe destacar que si se


108

pretende utilizar una varilla de metal de cierto tamaño para atravesar el

orificio, el tamaño de la broca debe ser ligeramente superior al diámetro del

mismo. En este caso se han utilizado brocas de 5,2 mm y 6,2 mm. En la figura

6.2.2 se puede apreciar una de las placas de metales sujetada por una mordaza

bajo el taladro. El giro del mismo siempre debe realizarse en sentido horario y

la zona de trabajo ha de estar lo suficientemente lubricada y refrigerada como

para asegurar que el material no se calienta en exceso. De otro modo la podría

generarse viruta larga y quedarse adherida a la broca. Tampoco interesa un

tamaño de viruta pequeño. Esto es posible regularlo mediante la velocidad de

giro de la broca, y depende del material que se esté taladrando.

Figura 6.2.2 Taladradora

✓ Una vez se tienen los orificios es momento de cortar las piezas mediante una

sierra. El orden de estas dos operaciones, es debido a que resulta más sencillo

agarrar con la mordaza piezas de mayor tamaño para poder realizar los

agujeros. Mediante un marcador metálico se establecen las líneas de corte y

posteriormente se procede como se muestra en la figura 6.2.3. No es posible

cortar chapas de este espesor con la cizalladora de la que se disponía.


109

Figura 6.2.3 Sierra de corte

Por supuesto, es altamente importante realizar todas estas operaciones con las

medidas de seguridad adecuadas que, además de las propias de las máquinas como

setas o pantallas de protección, se hace imprescindible el uso de guantes y gafas en

todo momento. El último paso, también realizado en la sierra de corte se trata de

ajustar la longitud de las varillas de acero.

Una vez se dispone de todos los elementos que conforman el soporte diseñado se

puede proceder con el ensayo de tracción. En la figura 6.2.4 se puede ver el soporte

montado sobre la pieza.

Figura 6.2.4 Soporte sobre la pieza


110

6.3 Ensayo de tracción

En la figura 6.3.1 se puede ver la posición de la pieza dentro de la máquina de tracción,

sujeta por los soportes laterales anteriormente fabricados. De manera adicional, se

añadieron una serie de arandelas de seguridad que ajustan a las varillas por presión

para evitar que las placas se moviesen durante el ensayo.

Figura 6.3.1 Pieza colocada en la máquina de tracción

El ensayo se realizará a una velocidad lenta, de un milímetro por minuto, de manera

que se pueda apreciar la aparición de grietas si sucediesen antes de la fractura

completa de la pieza.

Se ha colocado una célula capaz de generar una tensión de 2 kN. Se espera que esta

sea suficiente como para fracturar la pieza por completo. De lo contrario, se podrían

generar deformaciones en la misma, haciendo que el modelo no fuese valido para

repetir el ensayo.


111

Comenzando con el proceso, al alcanzar un valor de tensión aproximado de 1kN

aparece la primera grieta en dos zonas de la pieza de manera simultánea. Este hecho

puede ser muy interesante de analizar y se comentará en el próximo apartado.

Efectivamente se genera una importante grieta previa a la fractura total de la pieza,

debido a que el material plástico con el que está fabricada posee una ligera elasticidad

bajo carga. En la figura 6.3.2 se pueden ver las dos grietas en el momento en el que

sucedieron durante el ensayo.

Figura 6.3.2 Grietas durante el ensayo de tracción

Finalmente, y tras un tiempo adicional de avance, la pieza se fracturo por completo

poniendo así fin al ensayo de tracción. A continuación, en las figuras 6.3.3 y 6.3.4,

podemos analizar el estado de la fractura. Sin duda, esta se ha realizado en una de las

zonas que cabía esperar, pero resulta muy interesante de cara a las conclusiones sobre

el proyecto que esta fractura se haya dado simultáneamente en dos zonas diferentes.


112

Figura 6.3.3 Pieza fracturada tras el ensayo de tracción (1)

Figura 6.3.4 Pieza fracturada tras el ensayo de tracción (2)

Por último, en la figura 6.3.5, podemos ver una gráfica obtenida mediante el programa

informático de la máquina de tracción. En ella podemos comprobar los valor de


113

fractura, así como el lógico descenso en la tensión una vez se han generado las

primeras grietas.

Figura 6.3.5 Valores de tensión obtenidos durante el ensayo (kN)

0,00E+00

2,00E-01

4,00E-01

6,00E-01

8,00E-01

1,00E+00

1,20E+00


114

6.4 Conclusiones

Como ya se ha mencionado, no resulta importante de cara al análisis de los datos el

valor de tensión en el punto de rotura, sino la forma en la que la pieza ha generado las

primeras grietas. Como se comenta en anteriores capítulos, la pieza se encuentra

optimizada topológicamente para resistir una serie de fuerzas diferentes entre las

cuales existe una tracción entre las zonas de apoyo de los tornillos (como se ha

simulado en el ensayo).

En este sentido, si existiese una zona claramente más débil ante este esfuerzo, es

altamente probable que el programa pudiera haber retirado una mayor cantidad de

material de otras zonas de la pieza, pues el objetivo era disminuir el peso mantenido

los rangos de valores de tensión requeridos. Por tanto, se trata de una buena señal el

hecho de que la pieza se haya fracturado por dos zonas de manera simultánea,

queriendo esto indicar que la optimización topológica ha tenido en cuenta la

distribución de esfuerzos ante la tracción impuesta en el modelo original.

Hubiera sido muy interesante poder realizar un ensayo para la principal carga a la que

se sometía a la pieza en su estado de funcionamiento (generada por la tensión de la

correa de distribución). Sin embargo, no ha resultado posible debido a la capacidad de

sujeción de la máquina disponible. Se hubiese requerido de otro tipo de equipos más

específicos para poder haber llevado a cabo este ensayo.


115

CAPÍTULO 7

CONCLUSIONES Y

ASPECTOS A MEJORAR

EN LOS PROCESOS QUE

HAN INTERVENIDO EN

EL PROYETCO


116

7.1 Aspectos a mejorar en los procesos

Uno de los principales objetivos del presente proyecto, ha resultado ser identificar el

nivel de desarrollo de las tecnologías que intervienen en el mismo. En este sentido,

tanto el escaneo tridimensional por medio de luz láser o luz estructurada y su posterior

tratamiento computacional, así como el proceso de optimización topológica dentro de

ANSYS Workbench del modelo obtenido, son sin duda dos tecnologías con un enorme

potencial que aún se encuentran en desarrollo y, por tanto, pueden surgir

complicaciones o inconvenientes durante la utilización de las mismas.

Por otro lado, se ha podido comprobar la solidez del proceso de impresión en 3D,

tanto en la estructuración de su metodología como en su reducida susceptibilidad a

fallos.

Con respecto al escaneo tridimensional de la pieza, los mayores inconvenientes

encontrados durante el transcurso de esta etapa han sido:

✓ Lentitud y complicidad de manejo en el proceso en el caso de escáner por luz

láser.

✓ Necesidad de aplicar una gran cantidad de trabajo de post-procesamiento para

poder obtener un modelo útil.

✓ Requiere de equipos caros y condiciones de funcionamiento muy específicas.

Por parte de los problemas más significativos encontrados durante la etapa de post-

procesamiento de la nube de puntos:

✓ Inexistencia de un comando capaz de rellenar material hasta un boceto

generado por el usuario sobre un plano concreto.

✓ Inexistencia de un comando capaz de aproximar superficies a geometrías

exactas tales como planos o cilindros.

✓ Lentitud en el procesamiento de algunos comandos que intervienen en el

conjunto total de la pieza, debido a la gran cantidad de información.

✓ El tratamiento de modelos de calidad en sencillo, mientras que el tratamiento

de archivos con importantes imperfecciones es altamente complejo.


117

✓ El modelo resultante no fue lo suficientemente precio como para poder ser

trasladado directamente al ANSYS Workbench.

Con respecto a los problemas encontrado durante la utilización de la herramienta de

post-procesamiento Space Claim y su extensión “STL Prepare”, destacan:

✓ De la misma manera que el programa anterior, el funcionamiento es muy

correcto en modelos de calidad pero poco eficiente en archivos con altas

imperfecciones.

✓ Inaptabilidad de un comando capaz de generar superficies exactas mediante la

referencia de geometrías perfectas como cilindros o planos.

✓ Inexistencia de un comando para separar correctamente las caras en las que el

programa divide cada una de las superficies del modelo.

✓ Al utilizar el comando para unir caras, no existe la opción de mantener la

geometría intacta, por lo que la mayoría de las veces se generaban curvaturas

no deseadas.

✓ Imposibilidad de unir caras en secciones circulares concéntricas o cilíndricas

completas, como en el caso de los apoyos de los tornillos.

✓ Excesivo tamaño de los archivos generados tras la utilización de la extensión

mencionada, que imposibilita su posterior utilización dentro de ANSYS

Workbench.

✓ El comando reducir por cáscara, modifica excesivamente la geometría de la

pieza en zonas no deseadas, pues no es posible aplicarlo únicamente en

pequeñas secciones.

✓ Al trabajar con modelos con geometrías imperfectas, el programa no reconoce

mediante “doble click” la superficie completa seleccionada si no parte de la

misma, lo que resta funcionalidad a la mayoría del resto de los comandos.


118

Por último, por parte de los problemas encontrados en la utilización de la extensión de

optimización topológica dentro de ANSYS Workbench en la versión 17.1, encontramos:

✓ La mayoría de objetivos de la optimización no están implementados

(interferencia con frecuencias propias, desplazamientos etc.).

✓ Cuando se selecciona en exclusión una superficie que el programa entiende

que no es necesaria para el modelo optimizado, se generan zonas

extremadamente irregulares y difíciles de corregir.

✓ Los resultados no se actualizan al realizar cambios sobre las condiciones de

contorno. Es necesario borrar alguna de las condiciones de la optimización y

volverá a implementar para que el programa pueda volver a comenzar con el

proceso de obtención del modelo optimizado.

✓ Los datos de funcionamiento predeterminados conducen a procesos de

iteración innecesarios y excesivamente largos. Es necesario modificar esto

antes de comenzar con la resolución.


119

7.2 Conclusiones

En líneas generales, se considera que el proceso de optimización no se encuentra

completamente desarrollado, si bien es verdad que los principales problemas residen

en errores en los programas computacionales y no en la metodología del proceso.

Se han podido cumplir la mayoría de los objetivos propuestos y se ha obtenido un

modelo con buenas propiedades fruto de la combinación entre las tecnologías que han

intervenido en el proyecto. Finalmente, a modo de resumen, en las figuras 7.2.1,

7.2.2, 7.2.3, 7.2.4, 7.2.5, 7.2.6 y 7.2.7, se puede ver el resultado final del modelo tras

cada una de las etapas en orden de realización.

Figura 7.2.1 Pieza original

Figura 7.2.2 Modelo final del post-tratamiento de la nube de puntos


120

Figura 7.2.3 Modelo final en el proceso de adaptación a ANSYS

Figura 7.2.4 Modelo optimizado en ANSYS Workbench

Figura 7.2.5 Modelo final tras el post-procesamiento del anterior


121

Figura 7.2.6 Pieza impresa en 3D

Figura 7.2.7 Resultado del ensayo de tracción


122


123

BIBLIOGRAFÍA


124

REFERENCIA DE IMÁGENES NO PROPIAS:

Figura 1.1.1 Ejemplo de optimización de forma

http://www.elsevier.es/ficheros/publicaciones/02131315/0000002800000001/v1_201

305061211/S0213131511000393/v1_201305061211/es/main.assets/gr16.jpeg

Figura 1.1.2 Ejemplos de optimización de topología

https://iberisa.files.wordpress.com/2011/08/4_gancho_proceso_completo1.png

https://es.pinterest.com/pin/559079741222832625/

Figura 1.1.3 Escáner láser

http://img.directindustry.es/images_di/photo-g/5159-8415301.jpg

Figura 1.1.4 Escáner por luz estructurada

https://support.hp.com/ec-es/product/hp-3d-structured-light-scanner/14169438

Figura 2.2.1 Proceso de ingeniería inversa

http://seguridadinformaticasaiablog.blogspot.com.es/p/el-objetivo-de-la-ingenieria-

inversa.html

Figura 2.2.2 Ejemplo de programa de fotogrametría

https://topotectura.wordpress.com/tag/fotogrametria/

Figura 2.2.3 Máquina de medición tridimensional con palpador

http://www.tecnimetalsa.com/comparativa%20tridimensionales.htm

Figura 2.2.4 Escáner láser FARO

http://www.faro.com/products/metrology/faro-scanarm/overview

Figura 2.2.5 Escáner de luz estructurada CAPTURE

http://www.faroandina.com/index.php/soluciones/metrologia-escaner/escaner

Figura 2.2.6 Ventana gráfica del programa Geomagic

https://www.youtube.com/watch?v=efcmrZQvDLE

Figura 2.3.1 Perfil de optimización topológica

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4296/fichero/VolumenI%252F4.pdf

https://iberisa.files.wordpress.com/2011/08/4_gancho_proceso_completo1.png

https://support.hp.com/ec-es/product/hp-3d-structured-light-scanner/14169438


125

Figura 2.4.1 Ejemplo de modelado 3D por capas

http://impresorasena3d.blogspot.com.es/2015/09/?m=0

Figura 2.4.2 Ejemplos de geometrías irrealizables por otros métodos

http://www.xdviral.com/5-ventajas-de-la-impresora-3d/

Figura 5.2.1 Materiales que utiliza la impresora con lista de precios

http://www.techsoft.co.uk/Products/3DPrintingMaterials/SST768

Figura 5.2.2 Impresora utilizada en el proyecto

http://fab.cba.mit.edu/content/tools/dimension/Dimension%20768%20Elite%20User%

20Guide.pdf

REFERENCIAS A PÁGINAS WEB UTILIZADAS EN LA BÚSQUEDA DE INFORMACIÓN:

http://www.pixelsistemas.com/noticias/106

http://fab.cba.mit.edu/content/tools/dimension/Dimension%20768%20Elite%20Us

er%20Guide.pdf


https://www.finiteelementanalysis.com.au/featured/topological-optimisation-with-

ansys-17-0/

http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4296/fichero/VolumenI%252F4.pdf

https://previa.uclm.es/actividades/2010/congresoIM/pdf/cdarticulos/110.pdf

http://www.3dnatives.com/es/optimizacion-topologica-10012017/

https://impresoras3d.com/blogs/noticias/102825479-breve-historia-de-la-impresion-

3d

http://intranet.bibliotecasgc.bage.es/intranet-tmpl/prog/local_repository/documents/

17854.pdf

https://es.wikipedia.org/wiki/Impresora_3D

http://www.leica-geosystems.es/es/Escaneres-laser-HDS_5570.htm

http://www.faro.com/es-es/productos/topografia-3d/laser-scanner-faro-focus-

3d/informacion-general

http://www.xdviral.com/5-ventajas-de-la-impresora-3d/

http://fab.cba.mit.edu/content/tools/dimension/Dimension%20768%20Elite%20User%20Guide.pdf

http://fab.cba.mit.edu/content/tools/dimension/Dimension%20768%20Elite%20User%20Guide.pdf

http://www.pixelsistemas.com/noticias/106

http://fab.cba.mit.edu/content/tools/dimension/Dimension%20768%20Elite%20Us%20er%20Guide.pdf

http://fab.cba.mit.edu/content/tools/dimension/Dimension%20768%20Elite%20Us%20er%20Guide.pdf


https://previa.uclm.es/actividades/2010/congresoIM/pdf/cdarticulos/110.pdf

http://intranet.bibliotecasgc.bage.es/intranet-tmpl/prog/local_repository/documents/

https://es.wikipedia.org/wiki/Impresora_3D


126

http://www.faro.com/es-es/productos/topografia-3d/laser-scanner-faro-focus-

3d/caracteristicas

http://detopografia.blogspot.com.es/2012/11/que-es-el-laser-escaner-terrestre.html

http://www.3dnatives.com/es/escaner-de-luz-estructurada-06122016/

http://www.directindustry.es/fabricante-industrial/escaner-luz-estructurada-

106356.html

TUTORIALES ANSYS 17.1 SOBRE OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA:

https://www.finiteelementanalysis.com.au/featured/topological-optimisation-with-

ansys-17-0/

https://www.youtube.com/watch?v=XhEUf6t7CkU

https://www.youtube.com/watch?v=PMcP7mK1Zec

https://www.youtube.com/watch?v=KsWJ0qsp6mE

https://www.youtube.com/watch?v=xHN810lJs4k

TUTORIALES SPACE CLAIM:

https://www.youtube.com/watch?v=QuksllFXMkE

https://www.youtube.com/watch?v=DVDeo99E7oM

https://www.youtube.com/watch?v=gT5X9bs1-u8

http://www.spaceclaim.com/en/default.aspx

http://www.ansys.com/products/platform/ansys-spaceclaim

http://www.spaceclaim.com/en/Support/Tutorials/Essentials.aspx

https://www.sculpteo.com/es/tutoriales/tutorial-de-spaceclaim/spaceclaim-tutorial-

modelado-3d-para-la-impresion-3d-con-spaceclaim/

https://www.sculpteo.com/es/tutoriales/tutorial-de-spaceclaim/

APUNTES DE DISEÑO Y FABRICACIÓN INTEGRADOS:

http://sifo.comillas.edu/

http://www.3dnatives.com/es/escaner-de-luz-estructurada-06122016/

http://www.directindustry.es/fabricante-industrial/escaner-luz-estructurada-106356.html

http://www.directindustry.es/fabricante-industrial/escaner-luz-estructurada-106356.html

https://www.youtube.com/watch?v=xHN810lJs4k

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PROCESO COMPLETO DE OPTIMIZACIÓN TOPOLÓGICA DE UNA PIEZA SOPORTE … · 2017-07-21 · en 3D. El esquema del proyecto se plantea de la siguiente manera: escaneo de la pieza escogida,