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May 18, 2023

Diseño generativo: nTopology abriendo camino en el mundo de la impresión 3D

17 de mayo de 2023 por Abdul Montaqim Deja un comentario Uno de los más impresionantes

17 de mayo de 2023 por Abdul Montaqim Deja un comentario

Una de las características más impresionantes de la aplicación de diseño nTopology es que requiere mucho menos poder de cómputo. Según los cálculos de la empresa y sus socios, el tamaño de los archivos puede ser un 99 por ciento más pequeño en comparación con el software de diseño 3D tradicional.

El software tradicional y establecido desde hace mucho tiempo para el diseño 3D tiende a consumir mucha memoria y puede estresar seriamente a los procesadores. nTop, por otro lado, puede proporcionar la misma funcionalidad si se usa en una computadora portátil que las aplicaciones de diseño 3D tradicionales si se ejecutan en una supercomputadora, porque nTop fue diseñado específicamente para los requisitos de diseño e impresión 3D de hoy.

La forma en que nTop hace esto es difícil de explicar para un periodista no técnico, pero esencialmente, el software nTop elimina elementos como la extrusión, que es un concepto y requisito fundamental en las aplicaciones de diseño 3D tradicionales.

La extrusión se puede realizar haciendo clic y arrastrando una cara o un borde de un dibujo. Entonces, por ejemplo, digamos que si dibuja un cuadrado en la pantalla en una aplicación de diseño tradicional, puede hacer clic y arrastrar la cara y se convertirá en un cubo.

Suena simple, pero supongamos que si el objeto que está diseñando integra múltiples formas y caras, podría terminar con una larga lista de partes y docenas de extrusiones, todas las cuales requieren espacio de memoria y potencia de procesamiento.

El enfoque de nTop es completamente diferente y se creó desde cero para satisfacer las necesidades de la industria del diseño y la impresión en 3D, especialmente con respecto al elemento de diseño generativo, que es una gran parte del software.

Y aunque nTop tiene toda la funcionalidad necesaria para permitir proyectos de diseño completos de extremo a extremo, también se integra con todas las principales aplicaciones de software de diseño CAD tradicionales y establecidas desde hace mucho tiempo.

Ese es el alcance de nuestro conocimiento técnico, por lo que para brindarles a los lectores una comprensión más profunda, pensamos en entrevistar a alguien de nTop y publicar un extracto aquí.

Aunque desde entonces se mudó de nTop, Duann Scott era vicepresidente de nTopology en el momento de esta entrevista, y explica en detalle sobre el software y brinda una descripción general del sector del diseño y la impresión 3D en su conjunto, así como de las industrias relacionadas. .

RoboticsAndAutomationNews.com: Cuéntenos un poco acerca de nTopology en sí para la empresa.

Duann Scott de nTop : nTopology es un software de ingeniería de diseño. La empresa se fundó en la ciudad de Nueva York, creo, en 2015. Tenemos un enfoque diferente para hacer geometría. No es CAD tradicional, es un proceso diferente en el que es una herramienta de diseño computacional.

Ayudamos a ingenieros y diseñadores a resolver problemas que el CAD tradicional no puede resolver debido a problemas de geometría en el CAD existente. Podemos hacer cosas muy muy complejas muy fácilmente y podemos automatizar procesos. Por lo tanto, a menudo las personas no están diseñando una sola parte, sino que están diseñando un proceso, y el resultado son partes al final.

RoboticsAndAutomationNews.com: ¿Cuál es su visión general de los cambios que están ocurriendo en el sector de la fabricación como resultado de la aparición de la impresión 3D?

nArriba : La fabricación aditiva comenzó como un prototipo rápido. Inicialmente, solo se trataba de piezas de plástico para hacer prototipos y ver cómo se veían, encajaban y funcionaban las cosas. Luego, la industria pasó a cosas como plantillas y accesorios. Ahora, a medida que estos procesos han evolucionado, las personas están diseñando piezas de uso final.

Y, particularmente en la impresión 3D de metal, la paleta de materiales se ha abierto enormemente en los últimos cinco a 10 años. Ahora estamos en el punto en el que puede fabricar súper aleaciones y cobre, acero inoxidable, titanio y otros materiales de muy alto valor.

Parte del motivo del progreso se debe a que la impresión 3D ha sido impulsada por las industrias aeroespacial y médica. Así que las máquinas han evolucionado hasta un punto en el que se pueden hacer componentes muy complejos, diseños muy complejos con detalles muy finos y características finas.

Sin embargo, el software que la gente usaba para diseñarlo estaba diseñado para la fabricación sustractiva tradicional, para herramientas, moldeado, estampado, y el software no podía crear la complejidad que las máquinas podían crear.

Así es como nació realmente nTopology. Fue para desbloquear ese potencial de los procesos de fabricación mediante el uso de una forma diferente de abordar la geometría. Es realmente crítico rediseñar estos procesos porque el costo de las máquinas y los materiales aún es bastante alto. así que para obtener realmente el valor, debe diseñar para el proceso.

Esto se debe a que si toma un diseño de mecanizado existente y lo coloca en una impresora 3D, no será rentable. Pero si toma ese diseño y lo optimiza para múltiples requisitos, ya sea el proceso de fabricación, el proceso térmico, para el peso ligero, para otras funciones relacionadas con la acústica, puede hacerlo simultáneamente y luego también consolidar varias partes en un solo componente y realmente valor de la unidad de la impresora 3 0.

Así que ahí es donde estamos ahora. La gente entiende que este proceso de diseño multidisciplinario es fundamental para extraer el valor de la impresión 3D.

RoboticsAndAutomationNews.com: En otras palabras, las impresoras 3D son tan avanzadas que se requería una nueva aplicación y enfoque de software de diseño. Entiendo. Danos un ejemplo de cómo las piezas tradicionalmente simples se pueden diseñar con más complejidad. Parte de un brazo robótico, por ejemplo, como el que se muestra en el sitio web de nTop.

nArriba: Hemos visto algunos construidos como esta pieza de brazo de robot, pero en su mayoría están en I + D o para robots a medida.

Entonces, lo que sucede aquí en este diseño es que la estructura alámbrica de este componente es el cuerpo original diseñado en CAD a partir del ensamblaje del robot, básicamente el diseño tradicional de dicho componente.

Tomamos ese componente y aplicamos simulación: tensiones y restricciones en el componente. Y donde está el estrés, ejecutamos una simulación sobre eso, y lo que realmente muestra es la ruta de carga del estrés.

La simulación muestra al robot moviéndose y levantando cosas y orientándose, y podemos ver la tensión a medida que se mueve a través del componente. Esto nos ayuda a descubrir los lugares donde no necesitamos tener masa. Si no la necesitamos, quitamos la masa, por lo que terminas con una parte más liviana.

Luego podemos hacer un proceso secundario y luego podemos ejecutar la simulación nuevamente, y luego podemos descascarar las partes para hacerlas huecas, así que nuevamente reducimos más masa de la parte y también reducimos el tiempo de fabricación.

Volvemos a ejecutar una simulación y donde encontramos estrés cambiamos el grosor de esa capa, por lo que la pieza es más gruesa donde debe ser y más delgada donde no.

Entonces comienza a imitar el proceso natural de cómo se podría generar un hueso en el cuerpo humano. Entonces, un hueso humano se modifica continuamente en función de las tensiones que se le imponen.

Luego podemos entrar y hacer un relleno de celosía para que sea más fabricable en el sentido de que no necesitaría estructuras de soporte en el interior.

Así que ese es el tipo de enfoque que tomamos. Es realmente optimización de topología. Cuando piensa en el diseño generativo, lo que está haciendo es generar múltiples resultados y compararlos entre sí.

Por lo tanto, ejecutaríamos un script como el que podría ejecutar durante la noche, y luego en la mañana, cuando regrese al trabajo, podría tener miles de variantes de este diseño. Puede compararlos entre sí en función de la masa, su rendimiento o algún otro criterio que pueda tener.

Así que esa es una especie de enfoque.

Hicimos esto de verdad en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, donde diseñaron algunos brazos robóticos. En realidad, era un robot completamente articulado que tenía todo el cableado y cualquier otro componente integrado dentro de la pieza también, por lo que no tendría cables expuestos o cableado; todo era realmente autónomo,

Creo que el robot era para una aplicación submarina.

Así que puedes hacer cosas muy complejas con este proceso y con materiales de alta calidad.

La otra cosa que estamos haciendo ahora también con los socios no es necesariamente imprimir la pieza final, sino imprimir un molde de arena para fundir la pieza o imprimir componentes de sacrificio para la fundición de inversión.

Entonces podría imprimirlo en un polímero de menor costo y luego recubrirlo con una cerámica y luego verter metal en él para tener el mismo proceso conocido que ha existido durante miles de años al final, pero solo estamos enviando el diseño de una manera diferente allí.

RoboticsAndAutomationNews.com: Me imagino que las piezas de metal son difíciles de producir o consumen mucho tiempo para las impresoras 3D. ¿Existen materiales alternativos que sean igual de fuertes: nuevas aleaciones y tal vez diferentes plásticos y cosas por el estilo que puedan hacer el mismo trabajo que los metales?

nArriba : El coste en la estampación en metal está en la amortización del coste de la máquina, que puede resultar caro. Pero la calidad real de los materiales es muy buena.

Como dije antes, lo que estamos viendo que la gente empieza a hacer es imprimir piezas de polímero y moldearlas, o imprimir moldes de arena. Esa es una forma económica de hacerlo y también hay algunos procesos en los que hay polímeros de alta calidad y también diseños de fibra de carbono en las piezas para hacerlas rígidas y fuertes.

RoboticsAndAutomationNews.com: ¿Qué porcentaje del mercado potencial ha capturado la impresión 3D? Me refiero a qué tan ampliamente se usa la impresión 3D ahora en comparación con qué tan ampliamente se podría usar en el futuro.

nArriba : Yo diría que es un pequeño porcentaje en este momento. Como mencioné antes, lo que lidera la industria es la aeroespacial y médica. Entonces, en medicina y odontología, es más o menos como si no estuviera adoptando la fabricación aditiva, entonces se está quedando atrás.

Los implantes de columna, las reconstrucciones de rodilla, las placas óseas y otros aspectos están liderando el camino porque son pequeños, costosos y personalizados para cada cliente. La personalización es fundamental para asegurarse de no colocar el mismo implante en un niño de ocho años que en un hombre de cuarenta años que pesa 240 libras.

Por lo tanto, siempre modifica el diseño para esa persona en particular, y en odontología, los dientes de todos son diferentes, por lo que se está realizando una gran cantidad de escaneo para fabricar, y eso ocurre tanto en metal como en polímero.

Así que la medicina y la odontología realmente lo lideran. La adopción es realmente fuerte y comenzamos a ver que se expande a medida que las personas aprenden más sobre el proceso. Y el costo de la máquina y los materiales se ha ido reduciendo a lo largo de los años.

RoboticsAndAutomationNews.com: También mencionó la industria aeroespacial antes. ¿Qué hay de la automoción?

nArriba : Absolutamente, sí, tenemos clientes que fabrican vehículos eléctricos. Para el espacio y el vuelo, no creo que pueda mencionar sus nombres, pero sí, cada onza de peso que se ahorra reduce el peso de la estructura necesaria para transportar cargas y también la energía de la batería para hacerla funcionar. Por lo tanto, todo lo que hace que reduce el peso aumenta el rango y, por lo tanto, el aligeramiento es realmente crítico.

Uno de nuestros clientes, Cobra Aero, comenzó diseñando la cabeza del motor para el motor monocilíndrico que utilizan para los UAV (vehículos aéreos no tripulados) que fabrican.

Cobra comenzó con nosotros simplemente tratando de consolidar partes: tomando tres partes y combinándolas en una. A partir de ahí, también trabajamos con ellos para aligerar la cabeza del motor mediante estructuras de celosía. Y también enfriando el componente usando estructuras de celosía.

Hicimos todo esto en base a la simulación. Entonces, podemos tomar el mapa de presión del motor, el calor del motor, y lo usaremos para modificar las estructuras reticulares para optimizarlo y hacerlo mucho más eficiente, mucho más liviano y usar menos componentes.

Como combinar tres componentes en uno para que no haya ensamblaje, no haya sujetadores, no haya juntas; también requiere menos mantenimiento y también podemos hacer cosas como atenuar la acústica para reducir el sonido, lo cual es fundamental para un dron que está tratando de no ser visto.

Las estructuras de celosía le permiten modificar el comportamiento de un material sin cambiar el material. Se usa mucho en la fabricación aditiva. Diseñar usando estructuras de celosía significa que puede hacer que un componente se arrugue de cierta manera, absorba energía, reduzca su masa o cambie la forma en que se flexiona.

Lo usamos en polímeros. Lo ves en el acolchado y los asientos de los coches, y también en un casco de fútbol americano que diseñamos.

El casco fue diseñado para jugadores de la NFL. Hay varias empresas de cascos que utilizan este diseño ahora. Pero ganamos una subvención de la NFL para desarrollar cascos para detener las conmociones cerebrales utilizando estructuras de celosía para ayudar a absorber energía y detener la torsión de la cabeza durante el impacto.

Entonces, realmente puede cambiar la forma en que se comporta su material usando una estructura de celosía y eso es lo que llamamos metamateriales o materiales arquitectónicos.

RoboticsAndAutomationNews.com: Entonces usted proporciona software y consultoría relacionada. ¿Su software está disponible a través de la nube?

nArriba : Somos puramente una empresa de software. Desarrollamos el software desde cero. Los sistemas CAD existentes se basan en tomar bocetos o dibujos y ponerlos en una computadora, y se desarrollaron principalmente en la década de 1980.

El kernel que subyace a todo eso, la forma en que se crea la geometría, es un b-rep (representación de límites), y debido a que se desarrolló hace mucho tiempo, se desarrolló para computadoras de un solo subproceso, y hay problemas inherentes en la complejidad, que nunca fue jamás concebida al hacer geometrías tan complejas con un sistema CAD.

Lo que hacemos es diferente. Tenemos una forma diferente de crear geometría. Es básicamente una ecuación matemática y todo lo que estamos haciendo realmente es usar una fórmula para definir un producto, por lo que podemos hacer algo muy complejo, y el tamaño del archivo para esto en nTop probablemente sería de 160 kilobytes, mientras que si intentara hacer esto en un CAD tradicional, serían varios gigabytes.

No podría hacer nada en tiempo real como esto en un sistema CAD tradicional.

La nuestra es una ecuación puramente matemática que describe la geometría. También tenemos lo que llamamos diseño basado en campo, que es donde podemos usar cualquier dato para controlar la forma en que se comporta una geometría, ya sean datos de simulación o datos de pruebas empíricas o simplemente otra geometría para ayudar a definir la forma en que se comporta la geometría.

Entonces, por ejemplo, diseñamos una prótesis en la que agregamos una estructura de superficie para hacerla más fuerte. Puedes verlo en nuestra web.

Además, puedes ver en nuestro sitio web, ves un diseño de entrenador. Verá un mapa de presión de alguien que pone peso sobre su pie. Modificamos la densidad de la red en función de la fuerza que entra en la suela del zapato, por lo que podemos hacerlo más denso para absorber más energía donde hay más presión y hacerlo más escaso donde no hay presión.

Entonces podemos hacerlo más ligero. Vemos gente haciendo esto para optimizar un zapato para alguien con diabetes. Si tienen algún problema con los pies, podemos ayudarlos a aliviar el dolor y hacer que un zapato personalizado los resuelva específicamente para ellos.

Todo esto es posible porque la complejidad de la geometría subyacente no es un problema para nTop.

A menudo, las piezas son tan complejas que, si usa CAD tradicional, es posible que necesite usar otro software para los procesos posteriores, ya sea simulación o fabricación. La aplicación CAD no puede manejarlo por sí sola.

Tenemos nuestra propia funcionalidad interna para la simulación y para la fabricación. A menudo enviamos datos de fabricación directamente a las máquinas de impresión 3D porque cualquier software que se interponga entre nosotros y la máquina puede ralentizar las cosas.

Nuestro software es completamente local. Todavía no corremos en la nube. Esto se debe a que la mayoría de nuestros clientes están en el sector aeroespacial, de defensa y médico, y en la mayoría de los casos no están realmente listos para tener sus diseños en la nube. Hay demasiados problemas de seguridad.

Es posible que podamos hacer que nTop esté disponible como una aplicación en la nube, y tenemos personas que lo ejecutan en servidores. Pero, tal como está, el software es local, y debido a que lo hemos optimizado para CPU y GPU de múltiples núcleos, los ingenieros simplemente ejecutan nuestra aplicación en una computadora portátil.

No están ejecutando una supercomputadora para hacer y simular estos diseños realmente complejos porque nTop es muy eficiente en la forma en que describe esa geometría modificada.

Mira la entrevista completa en YouTube o abajo.

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