¿Qué es el diseño generativo y cómo puede aprovecharse en la fabricación?

• ¿Qué es el diseño generativo?
• ¿Cómo puede utilizarse el diseño generativo en la fabricación de productos?
• 3 ventajas decisivas de utilizar el diseño generativo en la fabricación de productos
• Cómo el diseño generativo va más allá de la optimización topológica
• ¿Qué futuro le espera al diseño generativo en el sector de la fabricación?

El diseño generativo representa un cambio de paradigma en el modo de diseñar las cosas, donde el aprendizaje automático y la computación en la nube actúan como aliados. Todo se basa en la exploración de nuevos diseños, la innovación y la computación avanzada.

¿Qué es el diseño generativo?

El diseño generativo es una forma de inteligencia artificial que responde a un problema de ingeniería con un abanico de posibles soluciones entre las que escoger, y que pueden ajustarse posteriormente conforme sea necesario.

En lugar de pelearse con las limitaciones y los parámetros durante el bocetado de un producto, componente o herramienta, los diseñadores indican al programa cuáles son los límites y las posibilidades de los objetivos últimos establecidos. Algunas de estas limitaciones pueden ser:

• Materiales
• Peso
• Resistencia
• Costo
• Prestaciones

En esencia, le dices al algoritmo de diseño generativo que no sabes cuál es la solución, pero que sí sabes cuáles son los requisitos.

Dada la velocidad de la actual computación en la nube, el proceso autodirigido de diseño generativo, por el que se determinan posibles combinaciones en función de los requisitos, puede ofrecer múltiples iteraciones viables de un diseño acabado (miles, si fuera necesario).

Es como diseñar en sentido inverso: se establecen las diferentes características que debe cumplir el diseño y se procura llegar al mejor resultado posible, en lugar del método tradicional de someter los prototipos a criterios de rendimiento para ir ajustándolos después. Se trata de un enfoque de diseño que puede aplicarse a todo, desde problemas básicos a soluciones de muy alta precisión.

El diseño generativo puede emplearse en un amplio abanico de sectores industriales, como:

• Productos de consumo
• Automoción
• Aeroespacial
• Maquinaria industrial
• Productos de construcción

¿Cómo puede utilizarse el diseño generativo en la fabricación de productos?

En el campo de la fabricación, la principal virtud del diseño generativo es que proporciona automáticamente múltiples opciones de diseño que cumplen con los requisitos que se hayan establecido, algo que incrementa notablemente la eficiencia de todo el proceso. En ocasiones, un componente o herramienta debe adaptarse a sistemas y mecanismos de trabajo (tanto físicos como metodológicos) muy arraigados en el tiempo, ya que forma parte de dispositivos o procesos más extensos.

Reestructurar todo el flujo de trabajo para adaptarlo a una nueva pieza conlleva un costo elevado y un trastorno para la empresa. Los parámetros para su perfecto ajuste pueden ser muy exigentes. Aunque un diseñador humano cuente con experiencia para adecuarse a tan firmes restricciones, los programas de diseño generativo, como Fusion 360, de Autodesk, permiten explorar innumerables variaciones que reducen al mínimo el peso y la inversión en materiales mientras potencian las métricas de rendimiento.

Muchos procedimientos existentes ―como la fabricación aditiva, el mecanizado por control numérico o la fundición― mejoran sus resultados gracias al diseño generativo, que puede utilizarse para incrementar las prestaciones del producto, reducir los costos o adentrarse en nuevos conceptos e ideas de diseño.

3 ventajas decisivas de utilizar el diseño generativo en la fabricación de productos

Adoptar el diseño generativo en los procesos de fabricación aporta ventajas considerables. Facilita la creación de componentes más ligeros sin sacrificar su funcionalidad. También favorece la sostenibilidad, ya que reduce el consumo de materias primas, el impacto medioambiental y los costos al tiempo que mejora sus prestaciones.

1. Mejora de las prestaciones del producto

En el proceso de fabricación, los materiales y el diseño van de la mano. Cada material se caracteriza por unas propiedades específicas, de modo que su incidencia en el diseño es total.

Cuando aparece en el mercado un nuevo material o cuando las condiciones económicas dificultan el acceso a los materiales habituales, los diseñadores deben ponerse las pilas e iniciar un carísimo proceso para reestructurar todo el flujo de trabajo. El diseño generativo puede ayudarlos a encarrilar rápidamente el proyecto aprovechando todos los materiales a su alcance. Mientras los diseñadores seleccionan los materiales específicos y los parámetros relativos a la flexibilidad, la rigidez, el peso o la respuesta a los factores ambientales, el algoritmo del diseño generativo cuenta con una base de datos mundial ―la nube― con la que comprobar virtualmente las alternativas a mucha mayor velocidad que un equipo de ingenieros de diseño.

Reducción del peso

Se trata de física elemental: cuanto más pesado es un cuerpo, más difícil es impulsarlo, elevarlo o moverlo. Y en campos como el transporte público, una de las estrategias más evidentes para reducir el consumo de combustibles fósiles consiste en hacer que los automóviles, autobuses o aviones sean más ligeros para que moverlos requiera menos energía.

Esta búsqueda de la ligereza ha provocado un inusitado interés por materiales futuristas como el grafeno o la fibra de carbono, ya que pueden sustituir a otros más pesados y propios de la era industrial, como el hierro o el acero.

Reducir la masa del material comporta múltiples ahorros:

• Logística: enviar productos más livianos incrementa la cantidad enviada por unidad de energía consumida.
• Fabricación: ya sea en las instalaciones industriales o en la mesa del cuarto de estar, producir objetos es más rápido y sencillo.

Emplear el diseño generativo para reducir la cantidad de material a escala global y con una perspectiva social podría aumentar la capacidad de producir lo necesario para satisfacer las necesidades de una población creciente con menos materias primas. Algunos estudios señalan que es posible reducir la cantidad de material utilizado hasta en un 40 %.

Una de las principales ventajas de la ligereza tiene que ver con la sostenibilidad: unos productos más livianos necesitan menos materias primas. El diseño generativo permite que los usuarios exploren diferentes diseños a partir de materiales diversos. Por tanto, es posible priorizar los materiales más sostenibles.

Por poner un ejemplo: gracias al diseño generativo, la empresa aeroespacial Airbus creó un tabique para la cabina que separa los pasajeros del área de la tripulación en un avión A320, una excelente innovación que arroja unos números asombrosos. Cada kilogramo de menos a bordo del A320 ahorra 106 kilogramos de combustible, y cada tabique pesa unos 30 kilogramos. Airbus calculó que, si hacían lo mismo con todos los tabiques de la cabina, reducirían el peso de cada aparato en más de 450 kilogramos, lo que evitaría la emisión de 166 toneladas de CO₂ al año por avión.

Imaginemos las posibilidades del diseño generativo si lo aplicamos a los asientos, las bandejas plegables o incluso (con los materiales adecuados) a los controles o el armazón de la nave. Queda claro que el medioambiente tiene mucho que ganar.

En su esfuerzo por incrementar las prestaciones y reducir el peso de sus componentes para automóviles, la compañía japonesa DENSO actualizó la unidad de control del motor (ECU), que gestiona los tiempos y la cantidad de combustible aportada por el sistema de inyección electrónica del vehículo. Mediante el diseño generativo, DENSO optimizó una forma que consigue que la ECU sea un 12 % más ligera sin perder la capacidad de dispersión térmica de la ECU original.

Otro ejemplo de reducción de peso nos llega de la empresa canadiense MJK Performance. Esta suministradora de componentes para motocicletas identificó un nicho de mercado entre algunos fanáticos de las Harley-Davidson que querían personalizar sus “caballos de acero” para que se parecieran más a las motos de carreras europeas. Utilizando el diseño y las técnicas de fabricación a gran escala, el costo para dar servicio a un nicho tan limitado estaría fuera del alcance de cualquier bolsillo. Sin embargo, gracias al diseño generativo, MJK pudo enfrentarse a una pieza voluminosa (la triple abrazadera) y transformarla en un diseño muy ligero y singular, con tal éxito que la empresa inició su producción a finales de esa misma semana.

La democratización del prototipado aditivo y de la producción unitaria facilitó a MJK los medios para adentrarse en un mercado boyante; descubrió en el diseño generativo al perfecto aliado para ofrecer las métricas de rendimiento necesarias, mientras que la calidad estética del diseño se convirtió en su mejor publicidad.

El diseño generativo también está relacionado con la ciencia de los materiales. Si existe un componente diseñado para un material concreto pero encontramos una alternativa más sostenible, todo lo que necesitamos hacer es incorporarla al modelo digital; la geometría al completo se ajustará para adecuarse a las especificaciones de diseño.

Los elementos básicos de las herramientas, los dispositivos e instrumentos del mañana también están evolucionando, y el impulso al diseño generativo que proporciona la nube nos descubre un mundo inédito de conocimiento e investigación. Las innovaciones que normalmente pasan desapercibidas en un sector reciben más atención. Por ejemplo, donde un fabricante lleva utilizando aluminio durante años, quizá el caucho vulcanizado aporte elasticidad. O puede que una unión polimérica absorba más carga y permita utilizar materiales más baratos y ligeros en el resto del conjunto.

2. Reducción de costos

La reducción de costos es una de las aportaciones más interesantes del diseño generativo a la fabricación. Cada milímetro cúbico ahorrado en un elemento repercute en la inversión. Si lo escalamos al sistema de fabricación y logística de todo el mundo, el ahorro puede ser sorprendente. Como regla general, se admite que el diseño generativo consigue una reducción de entre el 20 % y el 40 % de material.

Pero los avances no se consiguen solo a base de cambios revolucionarios e inesperados golpes de timón.

Volvamos al ejemplo del rediseño del simple tabique de cabina de Airbus. Mediante técnicas de desarrollo de bajo costo, como la impresión 3D de prototipos, reinventar una sencilla herramienta o dispositivo de una línea de producción puede provocar una mejora progresiva en un flujo de trabajo establecido.

Si se lleva a cabo como es debido, quizá los diseñadores se sientan motivados para ir un poco más allá y afrontar retos mayores. Toda la empresa podría experimentar una transformación radical.

Y las herramientas que ayudan a tomar decisiones económicas forman parte del proceso de diseño generativo desde el primer momento. Fusion 360 proporciona un informe que estima los costos de una geometría de acuerdo con sus materiales y los traslada a una gráfica para comprobar fácilmente cómo cambian en función de la cantidad.

Pero ¿cómo puede el diseño generativo ayudar a reducir los costos de tecnologías ya existentes, como la fabricación aditiva, la consolidación de piezas, la fundición o el fresado por control numérico?

El diseño generativo y la fabricación aditiva

El diseño generativo y la fabricación aditiva se complementan como la mantequilla y la mermelada. Las formas más complejas pueden fabricarse con un incremento de costo mínimo. Por esta razón, la fabricación aditiva es idónea para los componentes definidos mediante diseño generativo.

De hecho, para aprovechar al máximo la fabricación aditiva es preciso contar con el diseño generativo, que puede generar formas muy complicadas de muy altas prestaciones. Suelen ser las formas más ligeras y resistentes, y solo la fabricación aditiva puede hacerlas realidad.

Con frecuencia, los tornos tradicionales y los procesos de control numérico no consiguen el detalle necesario que requieren estas estructuras, de modo que la fabricación aditiva es perfecta para el diseño generativo. Igualmente, los diseños modelados en entornos de CAD clásicos no sacan partido de la elevada capacidad de detalle que aporta la fabricación aditiva.

Por ejemplo, una impresora 3D puede hacer realidad un modelo digital a partir de materiales muy baratos para su prototipado o presentación. El modelo puede perfeccionarse y volverse a imprimir cuantas veces sean necesarias. Cuando el producto está listo, las mismas herramientas digitales pueden transformarlo para integrarlo perfectamente en un proceso real de producción.

El diseño generativo para consolidación de piezas

Dos siglos de diseño y fabricación industrial han dado al sector una buena colección de brocas, elementos, herramientas, instrumentos, dispositivos, piezas, fragmentos y componentes utilizados para transformar unas cosas en otras. Contamos con una gran experiencia intelectual en este ámbito, donde siempre fue más rápido y barato buscar la mejor manera de combinar las piezas a nuestro alcance que diseñar una geometría totalmente nueva para cada proyecto.

Sin embargo, mediante métodos de prototipado y fabricación de bajo costo, como la impresión 3D, el montante de plantear una nueva estructura en lugar de combinar diseños existentes es cada vez menor y el resultado, además, puede superar con creces a planteamientos de un mero “juntar piezas”.

Mediante el empleo de tecnología de diseño generativo con Fusion 360, los ingenieros de General Motors, por ejemplo, consiguieron rediseñar un componente muy habitual de los automóviles ―un sencillo anclaje para el asiento― para transformarlo en una única pieza de acero inoxidable en lugar de ocho. El programa generó más de 150 diseños para este anclaje, que fija el cinturón de seguridad al asiento y este con el suelo. El nuevo diseño es un 40 % más ligero y un 20 % más resistente que el anclaje original.

Sin ideas preconcebidas sobre lo que ya existe y analizando únicamente criterios de rendimiento, el diseño generativo logra aportar toda la creatividad que sea necesaria. El resultado puede ser una única pieza, mientras que, con los métodos de fabricación tradicional, los ingenieros habrían compuesto una nueva a partir de otras muchas.

El diseño generativo y la fundición

Otro campo en el que lo aditivo todavía no ha avanzado lo suficiente como para desplazar los métodos tradiciones es la fundición (o vertido de metal caliente en un molde para darle una forma específica), en especial cuando se trata de piezas de aleación de gran tamaño o muy pesadas. A decir verdad, la fabricación aditiva sí ha encontrado su hueco en los procesos de fundición metálica, aunque actualmente se limita al prototipado, no a la producción.

El diseño generativo puede aportar a la fundición de metales importantes ventajas en cuanto a la reducción de costos y la ligereza. El ahorro de materias primas es crucial para la fundición, ya que los fabricantes suelen producir componentes a mayor escala y cualquier ahorro tiene repercusiones importantes. Además, el costo de las materias primas es muy elevado.

Sin ir más lejos, Autodesk se asoció con una fundición de Michigan, Aristo Cast, para desarrollar un bastidor ultraligero de asiento para aviones. El equipo echó mano del diseño generativo, la impresión 3D, la optimización de mallas o estructuras reticulares y el moldeo a la cera perdida para crear un bastidor de asiento que pesa un 56 % menos que los modelos habituales. Para un Airbus A380 de 615 asientos, esto conlleva un ahorro de unos 90 000 euros al año en combustible y de más de 140 000 toneladas de carbono emitidas a la atmósfera.

Las técnicas aditivas también pueden producir los propios moldes metálicos de fundición, lo que permite geometrías mucho más complejas que las de la fundición tradicional, sin los problemáticos tiempos de preparación y costos añadidos.

El diseño generativo y el mecanizado por control numérico

Durante la última década ha habido una oleada de interés en las impresoras 3D de escritorio, pero, a pesar de esta tendencia, la fabricación aditiva está todavía muy lejos de derrocar la arraigada infraestructura de las técnicas de mecanizado en la industria pesada.

Entre los nuevos principios aportados por el diseño generativo en la fabricación está un mayor nivel de detalle en estructuras mucho más complejas de lo que nunca soñaron los ingenieros. Pero ¿qué ocurre cuando la fabricación tradicional por control numérico no es capaz de materializarlas?

Tal limitación es el pan nuestro de cada día del diseño generativo. El método de trabajo consiste en introducir en el programa todos los parámetros de diseño, prestaciones, peso, material y proceso de fabricación para generar el mejor conjunto posible de ideas de diseño. Además, se definen las limitaciones y medidas de seguridad impuestas a la fabricación por el fresado y el mecanizado sustractivo industrial, como el diámetro o la longitud de la herramienta.

Cuando un aparato de control numérico de tres ejes emplea herramientas comunes, es menos apto para los recovecos que un dispositivo similar de cinco ejes. Este último es más preciso, pero también necesita más tiempo de configuración. Como todo proceso industrial, cada uno tiene ventajas e inconvenientes.

Pero, al avanzar con la formalización de la pieza, también puedes pedir al algoritmo de diseño generativo que optimice los modelos que te está ofreciendo para adaptarlos a tu propio proceso de fabricación. Si dispones de una máquina de control numérico de tres ejes, evitará las estructuras reticulares excesivamente curvas, características de los procesos aditivos, y también las rendijas más pequeñas, adecuadas para los dispositivos de cinco ejes.

Resulta interesante el caso de Evolve MH Development. Con sede en el Reino Unido, esta ingeniería quería diseñar un componente más ligero y con mejor relación costo-rendimiento para su hiperdeportivo eléctrico. La reducción del peso es muy importante para que los coches eléctricos alcancen los objetivos de rendimiento y autonomía. El equipo de Evolve también necesitaba que la pieza pudiera producirse mediante fresado por control numérico de 2,5 ejes.

En esta empresa utilizaron Fusion 360 para introducir los requisitos y los parámetros de la pieza: aspectos como su resistencia, rigidez y prestaciones. El equipo de ingenieros logró crear un componente para el hiperdeportivo eléctrico un 40 % más ligero que el diseño original. Y en un tiempo récord.

3. Fomento de la innovación mediante la exploración de nuevas ideas de diseño

Entre todos los potenciales beneficios del diseño generativo, quizá el que más repercusiones tiene y menos atención recibe sea que se encuentra íntimamente vinculado con una cultura de la innovación que afecta al conjunto del sector de la fabricación. Muchos directores técnicos, ingenieros o diseñadores que al comienzo se mostraban escépticos ante él han terminado por defender a ultranza todo lo que puede aportar.

Al basar su funcionamiento en la nube, el diseño generativo pone en contacto a diseñadores e ingenieros con nuevas ideas y técnicas de las que nunca habrían oído hablar siguiendo métodos tradicionales.

Los ingenieros industriales pueden colaborar más fácilmente con los diseñadores digitales. Por su parte, los responsables de tecnología ven con más claridad cuánta fuerza se ejerce sobre un material. También los encargados de planta comprueban que los primeros pasos de un nuevo diseño (con todas las variaciones que hagan falta) están mejor orientados gracias al ordenador. La innovación y la colaboración van de la mano. Con el diseño generativo, se abre un mundo casi infinito de posibilidades.

Con sede en Chicago, SRAM es un laboratorio de innovación y fabricante de componentes de bicicleta para una clientela muy concreta de entusiastas de lo más exigente: ciclistas todoterreno. La empresa produjo un prototipo con una forma muy complicada para una biela que únicamente pudo fabricarse combinando procesos de fabricación aditiva y diseño generativo. Fue la prueba perfecta para pensar en todo lo que podría aportar el diseño generativo a otras partes de la bicicleta. La experiencia animó a la empresa a explorar nuevas oportunidades e innovaciones en el diseño, los materiales y los costos. SRAM afirma que el diseño generativo representa un papel crucial en su modelo de negocio.

Otro buen ejemplo es Elevate, un consorcio empresarial entre CRADLE (filial de Hyundai) y el estudio de diseño Sundberg-Ferar. De aspecto similar a un simpático insecto de una película de ciencia ficción, el Elevate es un coche cuyas ruedas se sitúan en el extremo de cuatro “patas” articuladas que se mueven mediante una combinación de cuatro modos ―dos estilos rodados y dos estilos “por patas”― que podrían llegar a cualquier lugar y servir para transporte público o asistencia en catástrofes, entre otros usos.

Los innumerables componentes del Elevate fueron diseñados específicamente desde cero, y muchos de ellos cuentan con un peso mínimo gracias al diseño generativo.

Pero quizá la prueba de fuego de la ciencia de los materiales se sitúe en el espacio exterior, enfrentándose al calor, el frío, la radiación, el impacto de las partículas a alta velocidad, la vertiginosa inercia de la aceleración y otros condicionantes ambientales que no se producen en la Tierra. Y cuando reducir unos pocos gramos puede suponer el ahorro de cientos de miles de euros, la aventura espacial se convierte en la máxima interesada en reducir el peso mientras se mantienen las prestaciones.

Pocas instituciones trabajan con unos límites tan exigentes como el Jet Propulsion Laboratory, de la NASA, que vio en el diseño generativo a su compañero ideal de viaje para desarrollar un prototipo de módulo de descenso extraplanetario con menos masa y mejores prestaciones.

Cómo el diseño generativo va más allá de la optimización topológica

Es habitual confundir el diseño generativo con otras innovaciones en el campo del diseño, como la optimización topológica, pero las diferencias son notables. Cualquier diseño elaborado por el método tradicional se basa en la intuición de un ingeniero para resolver un problema. La optimización topológica interviene con esa premisa: toma lo que ha preparado un ser humano y lo perfecciona gradualmente.

El diseño generativo entra en juego en una etapa anterior del proceso. Colabora en el diseño con ideas que responden a lo que necesitas del producto final, no a lo que crees que puede funcionar (por mucha experiencia que tengas). En otras palabras, la optimización topológica elimina material de una solución previa, mientras que el diseño generativo no precisa una solución previa, se encarga de analizar todas las posibilidades para ayudarte a encontrar lo que buscas.

Teniendo esto en cuenta, el proceso de optimización ya no necesita adaptarse a un único punto de partida. Puedes retroceder a cualquier otro punto anterior y generar innumerables nuevas opciones.

¿Qué futuro le espera al diseño generativo en el sector de la fabricación?

La tecnología del diseño generativo sigue avanzando, ya sea mediante investigación, empresas emergentes u otras vías de innovación. Tales progresos también transformarán la manera en que los humanos interactuamos con la tecnología y entre nosotros mismos. Se potenciará la innovación en todo el sector industrial y la colaboración entre profesionales (ingenieros con responsables de tecnología y con diseñadores).

Tecnologías más rápidas e inteligentes

Un estudio relativo a industrias automovilísticas, aeroespaciales y de productos deportivos mostró que el diseño generativo redujo los costos hasta en un 20 % y tanto la masa como el tiempo de desarrollo hasta en un 50 %.

Pero, además de reducir los costos, los materiales, el tiempo de desarrollo y el impacto medioambiental en el sector industrial de todo el planeta, los laboratorios, empresas emergentes específicas y los departamentos de investigación están proporcionando avances concretos.

Un ejemplo es el diseño generativo relacionado con la dinámica de fluidos. Existen multitud de componentes industriales que deben funcionar en ambientes donde el movimiento de un líquido o de un gas puede afectar sustancialmente al rendimiento.

Cuando en el futuro se incorporen los bancos de pruebas y los parámetros de diseño al algoritmo de diseño generativo, un parámetro podrá referirse al modo en que se comporta el entorno inmediato, mediante cuestiones como:

• ¿Provocará el incremento de la presión del aire un aumento de la temperatura?
• ¿Con qué rapidez se llegará al sobreenfriamiento?
• Al moverse el aire, ¿impactará en una superficie o en otra?

Por otra parte, tecnologías como la adición a pequeña escala y la impresión 3D abrirán de par en par las puertas a nuevos agentes que llegarán al sector cargados de nuevas ideas y sin nociones preconcebidas sobre lo que puede y no puede hacerse.

Mientras la tecnología continúa su avance, uno de los cambios más importantes que nos va a traer el diseño generativo es cómo afecta a los seres humanos. El diseño generativo va a cambiar por completo (y a mejor) las tareas a las que se enfrenta el personal del sector industrial. Además, con tiempos de desarrollo más cortos, los diseñadores y los ingenieros tendrán ocasión de expandir sus horizontes profesionales y su creatividad.