Diseño para la fabricación aditiva.

El diseño para la fabricación aditiva (DfAM o DFAM) se diseña para la fabricación como se aplica a la fabricación aditiva (AM). Es un tipo general de métodos de diseño o herramientas mediante las cuales el rendimiento funcional y / u otras consideraciones clave del ciclo de vida del producto, como la capacidad de fabricación, la confiabilidad y el costo, pueden optimizarse sujeto a las capacidades de las tecnologías de fabricación aditiva.

Este concepto surge debido a la enorme libertad de diseño que proporcionan las tecnologías de AM. Para aprovechar todas las ventajas de las capacidades únicas de los procesos de AM, se necesitan métodos o herramientas de DFAM. Los métodos o herramientas típicos de DFAM incluyen optimización de topología, diseño para estructuras multiescala (celosía o estructuras celulares), diseño multimaterial, personalización masiva, consolidación de piezas y otros métodos de diseño que pueden hacer uso de las funciones habilitadas para AM.

El DFAM no siempre está separado del DFM más amplio, ya que la creación de muchos objetos puede implicar pasos tanto aditivos como sustractivos. No obstante, el nombre “DFAM” tiene valor porque enfoca la atención en la forma en que la comercialización de AM en los roles de producción no es solo una cuestión de cómo cambiar las partes existentes de sustractivas a aditivas. Más bien, se trata de rediseñar objetos enteros (ensamblajes, subsistemas) en vista de la nueva disponibilidad de AM avanzada. Es decir, implica rediseñarlos porque su diseño anterior completo, incluso cómo, por qué y en qué lugares se dividieron originalmente en partes discretas, se concibió dentro de las limitaciones de un mundo en el que la AM avanzada aún no existía. Por lo tanto, en lugar de solo modificar un diseño de parte existente para permitir que se realice de manera aditiva, el DFAM completo implica cosas como volver a imaginar el objeto general de manera que tenga menos partes o un nuevo conjunto de partes con límites y conexiones sustancialmente diferentes. Por lo tanto, el objeto ya no puede ser un conjunto, o puede ser un conjunto con muchas menos piezas. Muchos ejemplos de este impacto práctico tan arraigado del DFAM han estado surgiendo en la década de 2010, a medida que AM amplía enormemente su comercialización. Por ejemplo, en 2017, GE Aviation reveló que había utilizado DFAM para crear un motor de helicóptero con 16 piezas en lugar de 900, con un gran impacto potencial en la reducción de la complejidad de las cadenas de suministro. Es este aspecto de replanteamiento radical que ha llevado a temas como el de que “DFAM requiere ‘interrupción a nivel de empresa'”. En otras palabras, la innovación disruptiva que AM puede permitir puede extenderse lógicamente a toda la empresa y su cadena de suministro, no solo cambiar el diseño en el taller de una máquina.

DFAM incluye tanto temas generales (que se aplican a muchos procesos de AM) como optimizaciones específicas de un proceso de AM en particular. Por ejemplo, el análisis DFM para estereolitografía maximiza DFAM para esa modalidad.

Fondo
La fabricación aditiva se define como un proceso de unión de materiales, mediante el cual un producto se puede fabricar directamente a partir de su modelo 3D, generalmente capa por capa. En comparación con las tecnologías de fabricación tradicionales, como el mecanizado CNC o la fundición, los procesos de AM tienen varias capacidades únicas. Permite la fabricación de piezas con una forma compleja y una distribución de material compleja. Estas capacidades únicas aumentan significativamente la libertad de diseño para los diseñadores. Sin embargo, también traen un gran desafío. Reglas o reglas de diseño tradicional para fabricación (DFM) profundamente arraigadas en la mente de los diseñadores y restringen severamente a los diseñadores para mejorar aún más el rendimiento funcional del producto al aprovechar las ventajas de estas capacidades únicas aportadas por los procesos de AM. Además, las herramientas CAD tradicionales basadas en características también son difíciles de manejar con geometría irregular para mejorar el rendimiento funcional. Para resolver estos problemas, se necesitan métodos de diseño o herramientas para ayudar a los diseñadores a aprovechar todas las ventajas de la libertad de diseño que ofrecen los procesos de AM. Estos métodos o herramientas de diseño pueden clasificarse como Diseño para Fabricación Aditiva

Métodos
Optimización de topología
La optimización de topología es un tipo de técnica de optimización estructural que puede optimizar el diseño del material dentro de un espacio de diseño determinado. En comparación con otras técnicas típicas de optimización estructural, como la optimización del tamaño o la optimización de la forma, la optimización de la topología puede actualizar tanto la forma como la topología de una pieza. Sin embargo, las formas complejas optimizadas obtenidas de la optimización de topología son siempre un dolor de cabeza para los procesos de fabricación tradicionales, como el mecanizado CNC. Para resolver este problema, se pueden aplicar procesos de fabricación aditiva para fabricar el resultado de la optimización de la topología. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que algunas limitaciones de fabricación, como el tamaño mínimo de las características, también deben considerarse durante el proceso de optimización de la topología. Dado que la optimización de la topología puede ayudar a los diseñadores a obtener una geometría compleja óptima para la fabricación aditiva, esta técnica puede considerarse uno de los métodos DFAM.

Diseño de estructura multiescala
Debido a las capacidades únicas de los procesos de AM, se pueden realizar piezas con complejidades multiescala. Esto proporciona una gran libertad de diseño para que los diseñadores utilicen estructuras celulares o estructuras de celosía en micro o mesoescala para las propiedades preferidas. Por ejemplo, en el campo aeroespacial, las estructuras de celosía fabricadas por el proceso de AM se pueden utilizar para la reducción de peso. En el campo biomédico, el bioimplante hecho de celosía o estructuras celulares puede mejorar la osteointegración.

Diseño multimaterial
Las piezas con distribución de materiales complejos o de múltiples materiales se pueden lograr mediante procesos de fabricación aditivos. Para ayudar a los diseñadores a aprovechar esta ventaja, se han propuesto varios métodos de diseño y simulación para respaldar el diseño de una pieza con varios materiales o materiales con clasificación funcional. Estos métodos de diseño también suponen un desafío para el sistema CAD tradicional. La mayoría de ellos solo pueden tratar con materiales homogéneos ahora.

Diseño para personalización masiva.
Dado que la fabricación aditiva puede fabricar directamente piezas a partir del modelo digital de los productos, reduce significativamente el costo y el tiempo de producción de productos personalizados. Por lo tanto, cómo generar rápidamente piezas personalizadas se convierte en un tema central para la personalización masiva. Se han propuesto varios métodos de diseño para ayudar a los diseñadores o usuarios a obtener el producto personalizado de una manera fácil. Estos métodos o herramientas también pueden considerarse como los métodos DFAM.

Consolidación de piezas
Debido a las limitaciones de los métodos de fabricación tradicionales, algunos componentes complejos generalmente se separan en varias partes para facilitar la fabricación y el ensamblaje. Esta situación ha sido cambiada por el uso de tecnologías de fabricación aditiva. Se han realizado algunos estudios de caso para mostrar que algunas partes en el diseño original se pueden consolidar en una parte compleja y fabricarse mediante procesos de fabricación aditiva. Este proceso de rediseño se puede llamar como consolidación de piezas. La investigación muestra que la consolidación de piezas no solo reducirá el conteo de piezas, sino que también puede mejorar el rendimiento funcional del producto. Los métodos de diseño que pueden guiar a los diseñadores para realizar la consolidación de piezas también pueden considerarse como un tipo de métodos DFAM.