El diseño generativo revoluciona el sector de la fabricación
- El diseño generativo es una tecnología de aprendizaje automático que puede generar múltiples soluciones a partir de la introducción de ciertos parámetros.
- Aunque lo más llamativo del diseño generativo son sus formas orgánicas, su verdadero superpoder es reducir al mínimo el material empleado en un objeto sin perder resistencia.
- Entre sus aplicaciones prácticas están los más modernos avances en robótica de última generación, componentes aeroespaciales, piezas automovilísticas, estructuras arquitectónicas aligeradas, productos personalizados y piezas de repuesto.
El diseño generativo evalúa innumerables propuestas de acuerdo con unos criterios de proyecto. De todos ellos, descarta los menos adecuados y selecciona los que resultan óptimos, por lo que el proceso de diseño es más rápido.
Consiste en una tecnología de aprendizaje automático que se adapta a los requisitos de los ingenieros y sugiere las mejores soluciones según esas demandas. El algoritmo de diseño generativo propone múltiples iteraciones que satisfacen esos criterios mediante la limitación de valores relativos a la masa, resistencia, flexibilidad u otras métricas de rendimiento.
El diseño generativo es particularmente útil en los procesos de diseño y fabricación, ya que ayuda a concebir nuevas ideas y transformarlas con más rapidez y mejor relación costo-eficiencia. También es una nueva manera de automatizar la fabricación en todo el sector.
El diseño generativo en el sector de la fabricación
En el sector de la fabricación existen diversos métodos y maquinarias muy arraigados, como la fundición, el moldeo por inyección, los tornos o los dispositivos de control numérico, cuyas limitaciones físicas han determinado en buena medida las herramientas y productos de los que disponemos en la actualidad.
El diseño generativo aporta a los fabricantes otra herramienta con la que abordar el diseño de productos y componentes. Y puede dar vía libre a unas posibilidades extraordinarias cuando se combina con tecnologías como la fabricación aditiva, el mecanizado multieje o el moldeo por inyección.
Mediante la fabricación aditiva es posible prototipar objetos con rapidez, probar materiales y perfeccionar el diseño antes de dar el salto a la producción real.
Cuando se trata de moldeo por inyección o fundición, encontrar el equilibrio perfecto entre peso y resistencia suele ser decisivo a la hora de seleccionar los metales y aleaciones que darán forma a los sistemas y componentes finales que han de producirse.
El diseño generativo es conocido por reproducir formas orgánicas similares a esqueletos, pero el motivo va más allá de la simple estética. Estas formas inspiradas en la naturaleza ponen de manifiesto una inteligente estrategia de diseño que mantiene la resistencia de los objetos a la vez que reduce muchísimo la cantidad de material necesario. En cualquier proceso que requiera fundición de metales a escala industrial, el ahorro en materiales es decisivo.
Cuando se combina con técnicas aditivas y métodos de fabricación tradicionales, el diseño generativo puede proponer objetos de un tamaño y complejidad hasta ahora inalcanzables.
La fabricación tradicional suele conllevar el montaje de varias piezas, lo que puede afectar negativamente a su resistencia. Por el contrario, el diseño generativo optimiza estas estructuras, reduce el material necesario y propone materiales alternativos que mejoren sus prestaciones.
Ventajas del diseño generativo
No solo la relación costo-eficiencia del diseño generativo es mucho más favorable, sino que también ayuda a trabajar mejor y a sacar el máximo partido a modos de diseño y fabricación que pueden ser obvios o resultar sorprendentes. Gracias al diseño generativo se puede:
Reducir costos
Pensemos en una sencilla pieza de plástico o metal. El diseño generativo ayuda a diseñarla con menos material que cuando se sigue un proceso de fundición o mecanizado por control numérico, sin que esto afecte a su resistencia e integridad estructural.
Cuando el tiempo es dinero, prototipar el mejor diseño con más rapidez mediante la combinación de diseño generativo y fabricación aditiva puede conllevar un ahorro todavía mayor.
No solo eso, cuando se combina con la nueva generación de robots de fabricación más inteligentes, veloces y reactivos disponible en la actualidad, el diseño generativo también aporta un ahorro potencial durante la fase de producción. Desde el primer momento, el diseño generativo ha tenido un gran impacto en la optimización de efectores finales, unos dispositivos que, colocados en el extremo de un brazo robótico, interactúan con el entorno, ya se trate de una fresadora o una pistola de pintura. Así, cada unidad robótica puede ejecutar sus tareas con más eficiencia.
Incrementar las prestaciones
Por verlo de otro modo, en lugar de simplemente eliminar lo que sobra, el material utilizado puede reorganizarse y configurar una forma nueva que mejore las prestaciones del objeto sin perder su tamaño y características esenciales. También puede emplearse un material distinto.
Innovar mejor (y más rápido)
El diseño generativo no sustituye a los diseñadores humanos, los ayuda en su labor. Como hace un becario cualificado, aporta sugerencias que puedan reorientar el diseño y llegar a nuevas maneras de enfocar las cosas a lo largo de todo el proyecto.
Consolidar piezas
Con el diseño generativo es fácil unificar múltiples componentes en piezas únicas, lo que reduce los costos de montaje, mejora la eficiencia y simplifica la cadena logística.
Ayudar al medioambiente
Combinar el diseño generativo con la fabricación aditiva permite minimizar los residuos de producción. También reduce la carga de trabajo de los dispositivos de fabricación, lo que suele conllevar una mayor eficiencia energética. Los productos resultantes tienen mejores prestaciones con menos materiales, que además pueden ser más sostenibles.
La fabricación sostenible es indisociable de la tecnología de diseño generativo, lo que impulsa conceptos como la fabricación ecológica y la economía circular.
El diseño generativo en el mundo real
El diseño generativo está transformando diversos sectores del mundo de la fabricación. Muchas empresas están implantándolo mediante programas piloto o, en algunos casos, reconfigurando modelos empresariales completos en torno a él.
Toyota se desmarca con un armazón de asiento más ligero
En el sector de la automoción concurren varios desafíos de diseño supuestamente irreconciliables. Los coches tienen que ser resistentes pero ligeros, rígidos pero capaces de absorber un impacto, y sostenibles a pesar de funcionar con sustancias contaminantes.
Debido a su gran complejidad y a su elevado número de componentes móviles, los vehículos tienen mucho que ganar con el diseño generativo.
A primera vista, no parece que haya mucho margen de maniobra en el diseño del bastidor de un asiento: debe resistir lo suficiente para soportar el peso de un humano adulto. Sin embargo, a medida que los nuevos modelos incorporan dispositivos electrónicos, calefacción y otras prestaciones, los asientos son cada vez más grandes, pesados y complejos.
Toyota-Japón recurrió al diseño generativo para hacer un bastidor más delgado, que deje libre más espacio en la cabina. El resultado fue tan positivo que se ha convertido en una referencia dentro de la empresa para replantear el diseño de otros componentes.
Robótica 2.0
La segunda versión de un proyecto de robótica avanzada, Roboy, es un robot humanoide desarrollado como experimento de una de las tecnologías que más expectativas despierta en todo el planeta: los robots asistentes.
Roboy 2.0 sabe hablar, dar la mano, poner música y andar en bicicleta. En 2019, incluso vendió helados en un carrito callejero de Múnich.
Cuando se construyen robots humanoides, los diseñadores suelen tomar los sistemas que permiten el movimiento humano: tendones, articulaciones, músculos... y reproducirlos con motores, servomotores, actuadores, baterías y cables. En el caso de Roboy, algunos de estos componentes se crearon mediante diseño generativo, que combinó elementos y redujo el material necesario, lo que hizo el conjunto más liviano sin perder agilidad.
Tecnología y estética en el diseño de mobiliario
El revolucionario diseñador industrial y arquitectónico Philippe Starck colaboró con Autodesk y Kartell, una empresa italiana que fabrica equipamiento doméstico y mobiliario, para crear una silla de lo más sugerente llamada A.I. Para darle forma hicieron uso de la inteligencia artificial y del diseño generativo.
Starck bosquejó los parámetros estéticos; los expertos en software establecieron las limitaciones requeridas por Kartell debidas al proceso de fabricación de moldeo por inyección, y el algoritmo de diseño generativo produjo una serie de diseños que Starck y el equipo terminaron de pulir para dar en el clavo con lo que estaban buscando.
Prevenir lesiones deportivas graves
Para prevenir lesiones medulares, los ingenieros y diseñadores de la empresa austriaca Edera Safety, especializada en equipamiento deportivo de seguridad, crearon mediante diseño generativo una espaldera de protección lumbar de altas prestaciones que se adapta a los movimientos rápidos del cuerpo durante la práctica de deportes de riesgo.
El proceso fue muy complicado por la gran cantidad de variables que inciden en el movimiento del cuerpo humano y por el amplio abanico de situaciones a las que se ve expuesto, que en ocasiones tienen necesidades contrapuestas. Hasta que no pusieron a prueba un modelo en condiciones reales, fue imposible saber de cuánta fuerza, rotación o impacto estaban hablando.
Únicamente tras comprobar la respuesta del prototipo de la espaldera, obtener ciertos parámetros e introducirlos nuevamente en el algoritmo de diseño generativo pudieron llegar al producto perfecto.
Cuando una leyenda de las motos puede ser aún mejor
Existe un pequeño segmento de entusiastas de las motocicletas a quienes les gusta experimentar y mejorar las prestaciones de algunos modelos de las marcas más emblemáticas del mundo. Pero lo que necesitan suele ser tan específico y nutre a un nicho de mercado tan restringido que las marcas, sujetas a procesos de producción de montaje en cadena muy rígidos y de escala planetaria, no siempre pueden proporcionárselo.
Aquí es donde entra en escena el taller canadiense MJK Performance, un fabricante que abastece a esta limitada pero fiel clientela con piezas de repuesto y modificaciones para motocicletas Harley-Davidson.
Crear piezas de repuesto con las que mejorar las prestaciones era un reto mucho mayor de lo que el equipo de MJK había previsto... hasta que el diseño generativo llegó a sus vidas.
Tras introducir los requisitos en el sistema se obtienen diversas opciones y en menos de media hora se efectúan digitalmente los últimos retoques para adecuar el modelo final a la singular estética de Harley-Davidson.
El futuro de la fabricación
Gran parte del éxito y la aceptación del diseño generativo se debe a que parte de un enfoque en el que se tienen muy en cuenta las necesidades reales.
La investigación en aprendizaje automático y métodos de entrenamiento está haciendo que el software avance con rapidez. Los primeros en adoptarlo ya están comprobando sus resultados en aplicaciones del mundo real y analizando datos muy valiosos proporcionados por sistemas como el internet industrial de las cosas (IIoT), que a su vez revierten a la investigación para incrementar todavía más las posibilidades de la tecnología.
Es solo un ejemplo de cómo la automatización va incorporando nuevas disciplinas y habilidades a un nuevo tipo de empleos, en lugar de sustituir al personal de fabricación.
Además de perfeccionar el diseño generativo, la tecnología está acelerando la implantación de la industria 4.0, donde diseñadores e ingenieros interactuarán con los programas informáticos más que nunca.
También supondrá un impulso a la ciencia de materiales. Por poner otro ejemplo, la dinámica de fluidos es especialmente complicada de modelar digitalmente. Sin embargo, los laboratorios de investigación están alimentando los algoritmos de diseño generativo con datos para simular mucho mejor el comportamiento de los fluidos, lo que ayuda a los ingenieros y diseñadores a crear componentes más adecuados para funcionar en entornos líquidos o gaseosos.
Uno de los mayores impactos del diseño generativo es que consigue que la fabricación sea más ecológica. Un estudio sobre los sectores de la automoción, aeroespacial y deportivo mostró que el diseño generativo reduce el peso de las piezas hasta en un cincuenta por ciento.
El diseño generativo también allanará el camino a los pequeños fabricantes artesanales y fomentará la innovación, impulsará los aspectos tanto artísticos como técnicos de la fabricación en el conjunto del sector y conseguirá que todos hagamos mejor las cosas.
Este artículo ha sido actualizado. Se publicó por primera vez en septiembre de 2019. En su redacción han colaborado Rosa Trieu y Dan Miles.