El diseño generativo, al rescate de los ingenieros de Panasonic
Los moldes de inyección son imprescindibles para la producción en masa de componentes de plástico complejos. Para crear productos de mayor calidad a un menor precio, se ha dado prioridad al desarrollo de sistemas avanzados de refrigerado de materiales fundidos. Sin embargo, no es tarea fácil: hasta para los ingenieros más experimentados es un trabajo laborioso. La automatización del diseño de conductos de agua podría facilitarles el trabajo.
A eso aspira la japonesa Life Solutions Company de Panasonic Corporation, y para ello ha desarrollado un nuevo método de fabricación pensado para conductos de agua refrigeradora de moldes con la LUMEX Avance-25, la primera impresora 3D híbrida para metales. Su combinación de fabricación aditiva con fresado ha permitido generar un sistema de refrigeración conforme (un sistema que dispone los conductos de refrigeración ajustándose a la forma de los productos) que ha reducido los tiempos de refrigeración un 20 % en comparación con métodos convencionales, en los cuales los conductos se instalan entre aberturas taladradas dentro del mismo molde.
Seiichi Uemoto es analista del Centro de Ingeniería de Fabricación de la compañía, donde se diseñan y fabrican los moldes. Además, imparte clases de diseño de moldes y actúa de apoyo en el desarrollo de habilidades de ingeniería asistida por ordenador (CAE, por sus siglas en inglés), enseñando las técnicas avanzadas necesarias en el diseño de moldes.
Uemoto se encontraba optimizando el diseño de los circuitos de refrigeración de moldes metálicos con forma de caja (presentado en la exposición InterMold de 2014), utilizando datos de deformación a partir de productos moldeados para analizar el espacio hueco entre canales de refrigeración, cuando se le ocurrió automatizar los diseños de los moldes metálicos.
“Pensé que, si se fijaban los ajustes adecuados, podría utilizar diseño generativo para crear canales de refrigerado de moldes automáticamente”, explica. Así comprobó cómo el diseño generativo aplica el análisis estructural y produce formas de peso reducido con gran eficiencia.
Prosigue: “La optimización de la topología solo puede producir una propuesta a partir de las condiciones que proporciona el sistema. Es difícil producir algo de contornos suaves a partir del resultado que se genera. Pero me percaté de que el diseño generativo resultaría de por sí en formas más suaves, y que con esta técnica podríamos generar distintos conceptos de forma efectiva y teniendo en cuenta los principios de fabricación”.
Un flujo de trabajo apoyado en el diseño generativo
Uemoto aspiraba a que la aplicación del diseño generativo a los moldes daría lugar nuevas formas de molde, por un lado, y, por otro, automatizaría el proceso de diseño en sí. Los ingenieros altamente cualificados de la compañía están desarrollando una gama de productos con la ayuda de Moldflow de Autodesk, que reproduce simulaciones de moldeado para refinar sus diseños aún más. “Pensé que, si utilizábamos diseño automático para ofrecer ideas a los diseñadores que no se les habrían podido ocurrir sin ayuda, eso les daría más libertad para hacer su trabajo”, explica Uemoto.
Para conseguirlo, Panasonic colaboró con el equipo Consulting de Autodesk, con centro de operaciones en Birmingham (Reino Unido), en un proyecto que aplicaba diseño generativo a conductos de agua para el refrigerado de moldes. Para ello seleccionaron como objeto de pruebas las aspas de un ventilador que se utilizan en sistemas de ventilación por conductos, ya en producción a gran escala.
Las aspas del ventilador eran pequeñas y de formas complejas. Un diseñador experto facilitó los requisitos para la forma inicial del aspa, una serie de condiciones para la generación de los conductos de agua y las limitaciones que impedirían que los caminos trazados por los canales influyeran en los detalles del producto moldeado.
Durante el proceso de diseño generativo, la forma del producto fue cambiando a lo largo de numerosas iteraciones hasta que solo quedaron los componentes esenciales para crear los conductos de agua necesarios. Como los ingenieros de Panasonic ya habían diseñado moldes sumamente refinados, Uemoto pensó que sería difícil que el software ofreciese una mejora drástica de la eficiencia del diseño original. “Pero me impresionaron los modelos que se estaban generando totalmente terminados de forma automática”, admite.
La disposición de los conductos de agua fue aún más sorprendente. Parte del diseño incluye los conductos dispuestos para recorrer la carcasa exterior del molde, que de pronto se dispersaron de formas inusitadas. Uemoto describe el diseño resultante como algo que nunca habría imaginado: “Las formas que aportó el proceso de diseño generativo no las habría podido concebir una persona”.
Demostrando la aptitud a través de la producción
A continuación del proceso de diseño, se fabricaron cuatro muestras de molde diferentes: el Ejemplo B, la pieza que ya se utilizaba en producción, diseñada por un experimentado ingeniero; el Ejemplo C, un diseño generativo y automatizado, basado en la pieza original; el Ejemplo D, un diseño generativo con requisitos más laxos en cuanto a la forma, y el Ejemplo E, que era el mismo diseño del Ejemplo C, pero con conductos de agua adicionales. Los productos fabricados a partir de los moldes se midieron con precisión para evaluar el rendimiento de cada uno de ellos.
Las mediciones de los productos fabricados a partir de estos moldes demostraron que había muy poca diferencia de rendimiento entre un molde con conductos de refrigerado generados de forma automática y el diseño del ingeniero experimentado. “Ahora podía ver cómo el diseño estaba calculado para dar forma al producto mediante cambios en la temperatura dentro del molde —explica Uemoto—. Era francamente extraordinario. Al final, obtuvimos datos CAM [de fabricación asistida por ordenador] finamente contorneados, con lo cual cumplimos nuestro objetivo de trabajar con diseño automatizado”.
Un ingeniero experimentado tarda unas ocho horas en diseñar un molde y ahora mismo no existe una forma de optimizar ese proceso, independientemente de la habilidad del profesional. A pesar de todo, Uemoto prevé que el éxito de este proyecto dará pie a ideas que reducirán la carga de trabajo de diseño de estos ingenieros.
“Es un gran avance —afirma—. Si esto se convierte en parte de un programa de software en el futuro cercano, podría llevarnos a una solución que acelere algunas funciones y nos permita desarrollar programas centrándonos más en el control de la temperatura. Eso beneficiaría a un amplio espectro de usuarios y aplicaciones”.