Diseño óptimo de estructuras porosas para fabricación aditiva con el método “Sequential Element Rejection and Admission” (SERA)

• ALAIN GARAIGORDOBIL ^[1] ; RUBÉN ANSOLA ^[1]
  1. [1] Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea

     Universidad del País Vasco/Euskal Herriko Unibertsitatea

     Leioa, España

     
• Localización: Revista iberoamericana de ingeniería mecánica, ISSN 1137-2729, Vol. 25, Nº 2, 2021, págs. 65-73
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Optimum design of porous structures for additive manufacturing with the Sequential Element Rejection and Admission (SERA) method
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• Resumen
  • español

    Las estructuras porosas poseen una relación “propiedades mecánicas/peso” muy elevada y una gran robustez respecto a variaciones en la orientación de las cargas, lo que las convierte en una muy interesante alternativa a sus contrapartes homogéneas. Un claro ejemplo de este tipo de sistemas se puede encontrar en el interior de las estructuras óseas, las cuales poseen un núcleo que presenta una topología muy intrincada y que se podría asemejar a un conjunto de subestructuras interconectadas. La complejidad de ese conjunto de subestructuras ha hecho que hasta hace relativamente poco su fabricación fuera prácticamente inabordable, eliminando así la posibilidad de hacer uso de ellas en aplicaciones reales. No obstante, desde la aparición de las tecnologías de fabricación aditiva, esta limitación ha sido superada abriendo un nuevo campo de investigación como es el diseño óptimo mediante métodos de optimización de topología de estructuras porosas. Este trabajo presenta un método de optimización de topología basado en el método Sequential Element Rejection and Admission que genera configuraciones interconectadas que dan lugar a una estructura porosa dentro de un dominio de diseño dado. El método realiza una subdivisión del dominio de diseño original en un número finito de subdominios, generando así una serie de problemas reducidos en los que se realiza una distribución de material óptima verificando restricciones locales de volumen. Los resultados obtenidos demuestran la efectividad del procedimiento propuesto para generar estructuras porosas muy detalladas que se asemejan a las estructuras porosas que se pueden encontrar en la naturaleza.

  • English

    – Porous structures show important mechanical properties to weight ratio and great robustness regarding variations in the load direction, and because of that, they are considered interesting alternatives to their homogeneous counterparts. One clear example of such structures is found in the interior of bone structures that possess an intricate nucleus similar to a set of interconnected substructures. Their geometrical complexity made porous designs unattainable by conventional manufacturing techniques, so they would hardly be part of any practical application. Nevertheless, the relatively recent appearance of Additive Manufacturing considerably reduced this bump and opened a new era of investigations where optimum porous structures are sought through topology optimization techniques. This work introduces a topology optimization method based on the Sequential Element Rejection and Admission (SERA) method that generates optimized porous structures by forming optimal interconnected substructures within a fixed design domain. The method performs a subdivision of the original domain into a finite number of subdomains generating a series of reduced problems where an optimal material redistribution process is performed complying with local volume fractions. The results demonstrate the effectiveness of the presented procedure to generate detailed porous structures that mimic those that can be found in nature.