Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 3 (1): 10-22
Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Universidad Autónoma de Baja California ISSN 2594-1925
Volumen 6 (4): e299. Octubre-Diciembre. 2023. https://doi.org/10.37636/recit.v6n4e299
Diseño generativo aplicado en el diseño de un pedal de
frenado para automóvil
Generative design applied to the design of an automobile brake
pedal
Christian Enrique Nava Alcantar , Luis Armando Puente Gallardo , Marco Antonio Martínez
Bocanegra , Mariano Braulio Sánchez
Tecnológico Nacional de México / ITS Sur de Guanajuato, Educación Superior 2000, Benito Juárez,
38980 Uriangato, Guanajuato, México
Autor de correspondencia: Christian Nava Alcantar, Tecnológico Nacional de México / ITS Sur de
Guanajuato. Correo electrónico: chr.nava13@gmail.com. ORCID: 0009-0004-9892-4785.
Enviado: 6 de Septiembre del 2023 Aceptado: 10 de Octubre del 2023 Publicado: 19 de Noviembre 2023
Resumen. - El presente trabajo propone el uso de diseño generativo para el modelado de un pedal de
freno de un automóvil, generando una propuesta de diseño funcional, segura y ligera; reduciendo lo más
posible la cantidad de material, pero manteniendo una buena resistencia mecánica. Para esta
investigación, se hizo uso del módulo de diseño generativo del software CAD Autodesk Fusion 360®. Este
software emplea una serie de algoritmos y los parámetros definidos por el usuario, y en base a ello,
generar una serie de propuestas de diseño del pedal. Como resultados de la investigación, se obtuvieron
dos propuestas del pedal de frenado. El análisis por elementos finitos (FEM) mostro esfuerzos mecánicos
de hasta un 86.07% por debajo del esfuerzo último del material de fabricación (aluminio 6061-T4).
Adicionalmente, se obtuvo un factor de seguridad de hasta 4.8, con una reducción de la masa del pedal
de hasta 16.67%. Los resultados mostraron que diseño generativo es una buena herramienta para
explorar nuevas ideas y conceptos que fomentan la innovación en el diseño automotriz, logrando diseños
funcionales, resistentes y con bajo consumo de material.
Palabras clave: Diseño generativo; Manufactura aditiva; Método de elementos finitos; Optimización
estructural; Pedal de frenado.
Abstract. - The present work proposes the use of generative design for the modeling of an automobile
brake pedal, generating a functional, safe and light design proposal; reducing as much as possible the
amount of material, but keeping a good mechanical resistance. For this research, use was made of the
generative design module of the Autodesk Fusion 360® CAD software. This software employs a series of
algorithms and the parameters defined by the user, and based on this, generate a series of pedal design
proposals. As a result of the research, two brake pedal proposals were obtained. The finite element
analysis (FEM) showed mechanical stresses up to 86.07 % below the ultimate stress of the manufacturing
material (aluminum 6061-T4). Additionally, safety factor of up to 4.8 and a reduction in pedal mass of up
to 16.67% were obtained. The results showed that generative design is a good tool to explore new ideas
and concepts that promote innovation in automotive design, achieving functional, resistant and low
material consumption designs.
Keywords: Generative design; Additive manufacturing; Finite elements method; Structural optimization;
Brake pedal.
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1. Introducción
La industria automotriz se esfuerza por innovar
constantemente en el diseño de sus vehículos y
componentes. Uno de sus principales enfoques se
centra en la funcionalidad de los componentes y
sus métodos y procesos de fabricación, este
último ha dado lugar a estructuras ligeras, pero
altamente resistentes [1]. La creciente demanda
de automóviles eléctricos e híbridos requiere de
nuevos conceptos y el desarrollo de nuevas
tecnologías y procesos para producir piezas y
componentes automotrices ligeros [2].
En algunos de los procesos de manufactura
convencionales usados para la producción de
pedales de frenado, se enfrentan diversos
desafíos como el desperdicio de material y el
sobrediseño, resultando en una ineficiencia de los
procesos de manufactura, problemas de
sostenibilidad y altos costos [3]. El sobrediseño
surge de una carencia en la optimización del
diseño de los componentes, por lo tanto, un
diseño eficiente puede lograr la misma
funcionalidad con menos recursos. El uso
indiscriminado de materias primas aumenta los
costos de producción de los pedales
automotrices, y esto contradice los objetivos de
sostenibilidad y reducción de costos de la
industria [4,5].
El diseño generativo se ha hecho notar como una
herramienta innovadora en el sector automotriz.
Esta técnica iterativa ha demostrado ser efectiva
en el proceso de optimización de diseños,
ahorrando tiempo y recursos.
Parametrizar significa identificar y describir
elementos cuantitativamente variables en el
proceso. En el diseño generativo, a cada
parámetro se le asignan valores fijos o variables
que tienen efectos en la salida del proceso.
Cuantos más parámetros, mayor será el número
de soluciones posibles [6]. La implementación
del diseño generativo en componentes como los
pedales de frenado ofrece beneficios
significativos como reducir el material utilizado
y, por ende, los costos de producción. Esta
herramienta explora múltiples diseños,
evaluando variables como peso, resistencia
mecánica y funcionalidad.
A pesar de sus ventajas, el diseño generativo
plantea desafíos. Uno de ellos, es la dificultad de
utilizar procesos de manufactura convencionales
para fabricar piezas diseñadas por este método.
Sin embargo, para resolver este desafío se ha
considerado el uso de alternativas como la
manufactura aditiva, donde se integran
estructuras, proceso y eficiencia en la utilización
del material. Algunos otros desafíos a los que se
enfrenta el uso de diseño generativo en el diseño
de componentes son la caracterización del
rendimiento, la anisotropía y la resistencia a la
fatiga del componente fabricado aditivamente
[7]. Así como, el hacer que el proceso de diseño
sea sistemático [8], lo que a veces limita la
intervención humana en aspectos estéticos y
otros criterios subjetivos.
En un contexto más amplio, la industria
manufacturera debe adaptarse constantemente a
nuevas tecnologías e innovación en sus procesos
de diseño y manufactura para ser competitiva. En
el sector automotriz, es crucial desarrollar
componentes funcionales, eficientes y
económicos. El diseño generativo se presenta
como una alternativa viable que puede cumplir
con estos requisitos.
Por lo anterior, el presente trabajo se enfoca en la
utilización de diseño generativo para el diseño de
un pedal de frenado de automóvil satisfaciendo
los criterios de funcionalidad, seguridad, ligereza
y resistencia mecánica. Reduciendo la cantidad
de material usado en su fabricación, y con ello,
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haciendo un proceso de manufactura más
sostenible.
2. Marco teórico
El diseño paramétrico es una forma de modelado,
en la cual se especifican relaciones entre varios
parámetros, como la forma, dimensiones y
posicionamiento de objetos, etc. Esto con el
propósito de que el diseñador puede ajustar
rápidamente algunos valores de los parámetros y
el resto del modelo actuará en consecuencia [9].
El diseño generativo toma como base esta técnica
para crear nuevas alternativas de diseño.
El diseño generativo es una herramienta dirigida
a procesos que puedan imitar el enfoque
generativo de la naturaleza [10], partiendo de una
idea inicial, la cual pasa por un proceso de
abstracción destinado a comprender y modelar
una pieza o un sistema de manera conceptual
mediante una función concreta del objeto e
ignorando otras propiedades en cuestión. El
proceso es iterativo, haciendo uso de una serie de
algoritmos que generan múltiples opciones de
salida en base a una serie de restricciones y datos
de entrada definidos por el usuario [11, 12].
Posteriormente, el diseñador procede a analizar y
juzgar las salidas. Decidiendo si el resultado es el
deseado o se continua con la modificación del
valor de los parámetros para generar nuevas
salidas hasta poder encontrar una solución
adecuada [13]. El proceso del diseño generativo
puede verse en la Figura 1.
Figura 1. Proceso para crear un diseño generativo.
Este diagrama muestra una serie de etapas
interconectadas del camino desde la concepción
de la idea hasta la obtención de la solución o
soluciones del diseño.
La técnica de diseño generativo empleada en este
trabajo hace uso de cuatro tipos de procesos
algorítmicos [14]:
Síntesis de formas: crea una serie de
alternativas basadas en los objetivos y
restricciones definidas por los diseñadores,
utilizando algoritmos computacionales para
generar y explorar formas y estructuras [15].
Optimización de superficies y rejillas: proceso
que utiliza algoritmos y técnicas
computacionales para encontrar la forma óptima
de una superficie o una estructura de rejilla de
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acuerdo con ciertos criterios predefinidos, esto
con el propósito de hacerlo más ligero y estable
[16]. En este proceso se pueden definir
parámetros como la resistencia estructural,
eficiencia de material, estabilidad, estética y
otros factores relacionados con la función y el
rendimiento del diseño.
Optimización topológica: reduce el peso de un
objeto realizando un análisis que elimina el
material innecesario sin perder resistencia. Este
proceso, se utiliza para encontrar la mejor
distribución de material dentro de una estructura,
maximizando su rendimiento y minimizando su
peso [17].
Estructuras trabeculares: se refiere a la
generación de geometrías complejas que imitan
las características y patrones observados en las
estructuras óseas. Formando pequeñas trabéculas
o varillas que se interconectan entre sí para
formar una estructura porosa [18].
Este conjunto de algoritmos analiza el escenario
planteado y genera múltiples posibilidades de
opciones de salida, lo que permite tomar
decisiones en cuanto se obtienen las posibles
opciones (resultados).
En la industria automotriz, el diseño generativo
puede verse aplicado en varias áreas, una de ellas
es en la optimización de estructuras, conservando
o mejorando la rigidez y reduciendo el peso, lo
que a su vez pudiera conducir en el mejoramiento
de la eficiencia y rendimiento del componente.
La filosofía del diseño generativo se centra en
reducir el peso del vehículo sin comprometer su
integridad estructural ni su rendimiento [19].
Siendo implementado principalmente en los
componentes que conforman un sistema para la
mejora de la eficiencia mecánica y rendimiento
como lo es en el caso del sistema de suspensión
en vehículos eléctricos [20], donde se ha logrado
reducir considerablemente el peso del
componente; otro ejemplo conocido en el bus
eléctrico de Autodesk®, el cual muestra
accesorios como espejos, volante y rines con un
18% más ligeros que los rines convencionales
[21].
Dentro de los sistemas del vehículo es posible
optimizar el peso de ciertas partes usando el
diseño generativo. Esto con el propósito de
hacerlos más ligeros e incluso mejorar sus
capacidades mecánicas.
Esto lo podemos ver en la investigación realizada
por A. Kulangara et al., donde se propone un
diseño de pedal optimizado topológicamente con
la formación de estructuras reticulares,
reduciendo material con una masa de hasta en un
21.2% [22].
Por otra parte, L. Lira, mediante el uso de
Autodesk Fusion 360®, muestra una serie de
propuestas de pedales optimizados de diseño
variable que presentan distintas características
siento una constante la reducción de masa [23].
3. Metodología
El diseño del pedal de frenado presentado en este
trabajo se inspira en la biomímesis, imitando
procesos, sistemas y formas orgánicas existentes
en la naturaleza [24]. La bioinspiración
representa una posible alternativa para diseñar
materiales compuestos con propiedades
innovadoras [25].
3.1 Modelo CAD de un pedal de frenado
Para la generación del modelo de diseño asistido
por computadora (CAD) del pedal de frenado, se
utilizó el software SOLIDWORKS®. Durante
toda la fase de diseño y desarrollo, la fuerza del
pedal del freno es vital para el control de la
conducción del vehículo [26]. En este proceso,
fueron tomadas en consideración las dimensiones
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y geometría de un pedal de frenado comercial
[27]. Para el diseño del componente se consideró
la adaptación de la geometría a la posición del pie
durante el proceso de conducción de un vehículo,
siendo la superficie de presión del pedal lo
suficientemente amplia para permitir un contacto
adecuado. Cabe mencionar que la carga bajo la
cual se diseñó el pedal de frenado fue de 2000 N
(203.94 kg*f aproximadamente) [28].
Finalmente, la estructura del pedal debe cumplir
requisitos de funcionalidad, ergonomía,
seguridad, ligereza y resistencia mecánica en
condiciones de operación.
Las dimensiones y geometría del pedal base
puede verse en la Figura 2.
Figura 2. Planos del diseño de un pedal de frenado comercial que sirve base para el diseño generativo.
3.2 Software del diseño generativo
Para la implementación de diseño generativo en
el componente se usó el software CAD Autodesk
Fusion 360®. La herramienta de Autodesk se
llama "Generative Design" y está alojada dentro
de Fusion 360®. Este software define una forma
inicial para el componente, mediante la
definición de los objetivos y parámetros de
diseño que afectan la forma y el rendimiento del
componente [29].
En el proceso de implementación del diseño
generativo para el pedal de frenado, se
establecieron restricciones y especificaciones
técnicas en el software. Se ajustaron los
parámetros de diseño para cumplir con los
objetivos, creando prototipos digitales del pedal.
Estos prototipos fueron sometidos a pruebas
virtuales de funcionalidad, ligereza y resistencia
mecánica, evaluando aspectos como su rigidez y
factor de seguridad. La metodología de la
aplicación de diseño generativo al pedal de
frenado se ilustra en el diagrama de flujo de la
Figura 3.
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Figura 3. Proceso creativo del modelado de componentes mediante diseño generativo.
3.3 Geometría conservada
Para comenzar la aplicación de diseño generativo
al pedal de frenado dentro de Autodesk Fusión
360®, se conservó parte de la geometría del pedal
base, específicamente la pedalera (parte del pedal
donde se aplica la fuerza de frenado) y los dos
puntos de giro de ensamblaje con el cilindro
maestro (ver Figura 4).
Esto debido a que estos dos elementos son
esenciales en el desempeño del sistema, por lo
que por cuestiones funcionalidad y seguridad no
se vio conveniente modificar la geometría de
estos elementos.
Figura 4. Geometría conservada del pedal de frenado que sirve como base para la generación de estructuras.
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3.4 Establecimiento de parámetros, límites y
reglas de generación
La elección de los parámetros adecuados en el
diseño generativo como el tipo de material, el
factor de seguridad, masa de destino, cargas de
trabajo, métodos de fabricación, entre otros. Son
de vital importancia en la generación de las
propuestas solución.
Durante el proceso de selección y definición de
los parámetros, se presenta la disyuntiva de
obtener un modelo con una rigidez estructural
máxima u obtener un modelo con una masa
mínima. El presente trabajo se direcciono a
generar una estructura que conserve un grado de
resistencia adecuado, pero con un bajo peso
(masa mínima).
Los parámetros considerados para la aplicación
del diseño generativo al pedal de frenado se
muestran en la Tabla 1.
Tabla 1. Parámetros establecidos para el estudio de diseño generativo.
Parámetros, límites y reglas de generación
Material
Material físico
Aluminio 6061-
t4
Masa original
0.42 kg
Objetivos
Maximizar rigidez
Factor de
seguridad
6.0
Limites
Masa de
destino
0.21 kg (50%)
Caso de carga
Gravedad
9.807 m / s2
Fuerza
2500 n
Método de fabricación
Aditivo
Maquinado
3.5 Condiciones de frontera y carga
Para el análisis de diseño generativo, fueron
restringidos los desplazamientos y rotaciones en
las direcciones X, Y y Z en el punto de giro del
pedal, y se aplicó una carga de 2500 N en la
dirección Z negativa, simulando la carga máxima
que generaría una persona promedio al pisar el
pedal. Esto puede verse en la Figura 5.
Finalmente, establecidos los parámetros de
carga, restricción de movimiento y los
parámetros de entrada, se procedió con el estudio
de diseño generativo.
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Figura 5. Aplicación de la carga y restricciones de movimiento para el estudio de diseño generativo sobre la geometría
conservada del pedal de frenado.
4. Resultados y discusión
Las propuestas de diseño de un pedal de frenado
obtenidas mediante diseño generativo son una
serie de alternativas generadas acorde a los
parámetros establecidos en el estudio. Las
soluciones están enfocadas en la optimización
del material, generando trabéculas para reducir la
masa en zonas estratégicas. Esto sin
comprometer la estructura del pedal, haciéndolo
más ligero y estable.
Cabe mencionar que en algunos casos la
geometría conservada de los puntos de giro y
cilindro maestro fueron cubiertas por material, en
esos casos fue necesario hacer un retrabajo del
modelo.
Las propuestas solución de diseño del pedal
obtenidas mediante diseño generativo fueron
resultado de 28 y 33 iteraciones para los tres
modelos obtenidos en este trabajo.
Cada iteración muestra el proceso de
transformación de la estructura base hasta llegar
al resultado final. De las tres soluciones
obtenidas, dos de ellas fueron a través de método
de fabricación aditiva (ver Figura 6 y Figura 7) y
uno con método de fabricación sustractiva
(mecanizado), ver Figura 8.
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Figura 6. Modelo solución diseñado por el método de fabricación aditiva (modelo A).
Figura 7. Modelo solución diseñado por el método de fabricación aditiva (modelo B).
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Figura 8. Modelo solución diseñado por el método de fabricación sustractiva (mecanizado).
Las diferencias entre el diseño final del modelo
A y B son notorias a pesar de que ambos se
diseñaron mediante el método de fabricación
aditiva y se conservaron los mismos parámetros.
Sin embargo, los algoritmos del software generan
diversas alternativas (soluciones) que cumplen
con los requerimientos definidos por el usuario.
Durante el proceso, se seleccionó la mejor
alternativa en base al análisis de los resultados y
los requerimientos de proyecto (esto último se
explica en el apartado de conclusiones).
En cuanto al modelo solución de la Figura 7, no
es una alternativa viable, ya que los puntos de
giro y ensamble con el cilindro maestro son
inexistentes. Por lo que esta solución no es
funcional y no puede implementarse físicamente
en un vehículo.
4.1 Validación de los diseños de pedales de
frenado
Para la validación de los dos modelos solución de
padales de frenado, se realizó un análisis por
elementos finitos en donde se simularon las
condiciones de trabajo del pedal. Para la
simulación se consideraron las mismas
condiciones de contorno y carga mencionadas en
el estudio de diseño generativo.
El análisis por elementos finitos de los pedales
arrojo los siguientes datos. Para el modelo base
del pedal de frenado, se obtuvo un factor de
seguridad de 2.40 (ver Figura 9) y un esfuerzo de
von Mises máximo de 114.4 MPa sobre la zona
del punto de giro (ver Figura 10).
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Figura 9. Resultados del análisis estático para conocer el factor de seguridad del pedal base.
Figura 10. Resultados del análisis estático para conocer el esfuerzo máximo de von Mises del pedal base.
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Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 6 (4): e299.
Para el modelo A, el valor del factor de seguridad
fue de 3.20 (ver Figura 11) y un esfuerzo de von
Mises máximo de 86.07 MPa (ver Figura 12)
localizado en el orificio correspondiente al punto
de giro.
Figura 11. Resultados del análisis estático para conocer el factor de seguridad del modelo A.
Figura 12. Resultados del análisis estático para conocer el esfuerzo máximo de von Mises del modelo A.
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En cuanto al modelo B, los resultados del análisis
por elementos finitos mostraron un valor del
factor de seguridad mínimo fue de 4.80 (ver
Figura 13) y con un esfuerzo de von Mises
máximo de 57.38 MPa (ver Figura 14) localizado
en el orificio correspondiente al punto de giro.
Figura 13. Resultados del análisis estático para conocer el factor de seguridad del modelo B.
Figura 14. Resultados del análisis estático para conocer el esfuerzo máximo de von Mises del modelo B.
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Aunque el diseño generativo puede generar
diversos resultados solución, no todas las
opciones serán funcionales. Validar los diseños
obtenidos es crucial para garantizar que se
cumplan con las normas de seguridad y calidad.
5. Conclusiones
De acuerdo con las tres propuestas solución del
pedal de frenado de un automóvil obtenidas
mediante diseño generativo (dos pedales
generados por el método de fabricación aditiva y
un pedal generado por el método de fabricación
sustractiva), se puede observar que el método de
fabricación sustractiva no genera una propuesta
funcional de pedal. Ya que no se conservan la
geometría de los puntos de giro, por lo tanto,
anqué la propuesta presenta ligereza y resistencia
mecánica, el prototipo no puede ensamblarse en
un vehículo.
No obstante, se obtuvieron dos propuestas
solución viables de un pedal de frenado de un
automóvil mediante el método de fabricación
aditiva. Ambas opciones son geométricamente
funcionales y ligeras debido a la optimización del
material. Además, ambas propuestas solución
presentan una buena resistencia mecánica.
Considerando que los prototipos de pedal de
freno serán fabricados con una aleación de
aluminio 6061-T4 y que este material tiene un
esfuerzo último a la tensión de 241 MPa [30].
Para el modelo A del pedal, se obtuvo un
esfuerzo máximo de von Mises de 86.07 MPa en
la salida de la fuerza de entrada, es decir, en el
punto de giro que recibe la fuerza a la hora de
frenar. Esto representa una diferencia porcentual
entre el esfuerzo máximo de von mises del
modelo A con respecto al esfuerzo último a la
tensión del material de fabricación del 64.28%
por debajo del valor crítico de rotura de la
aleación de aluminio 6061-T4. Por consecuencia
la propuesta de pedal A presenta una buena
resistencia mecánica bajo condiciones de
operación estándar.
Por otra parte, el factor de seguridad mínimo para
este mismo modelo fue de 3.20. Esto reafirma los
datos obtenidos en el análisis cuasiestático, este
diseño de pedal no fallar bajo las condiciones de
carga definidas anteriormente, por lo que este
modelo es totalmente confiable y segura.
Para el modelo B, se obtuvo un esfuerzo máximo
de von Mises de 57.38 MPa en la salida de la
fuerza de entrada. La diferencia porcentual del
esfuerzo máximo de este modelo con respecto al
esfuerzo último de la aleación de aluminio 6061-
T4 fue de 76.19% por debajo de su valor crítico
de rotura del material.
Por lo tanto, la propuesta B soportará
adecuadamente las condiciones de operación del
componente. El factor de seguridad para este
modelo fue de 4.80, por lo al igual que el modelo
A, esta propuesta de diseño tampoco fallara bajo
condiciones de operación estándar. Sin embargo,
en el modelo A, la carga crítica genera una
pequeña concentración de esfuerzos mecánicos
en el orificio de sujeción del cilindro maestro.
Por lo que bajo una carga cíclica el modelo A
estaría más propenso a presentar fatiga en esta
área.
En cuanto a la masa de las propuestas solución.
La cual va ligada directamente a la cantidad de
material usado para su fabricación. El modelo A,
redujo su masa hasta 0.39 kg. Esto representa un
7.15% más ligero que el pedal base. Mientras que
el modelo B, redujo su masa a 0.35 kg. Esto
representa un 16.67% más ligero que el pedal
base.
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Tabla 2. Comparación de resultados entre el modelo base y los modelos generados.
Comparativa con respecto al modelo
base
Modelo A
Modelo B
Masa total
0.39 kg
0.35 kg
Porcentaje de masa reducida
7.15%
16.67%
Factor de seguridad
3.20
4.80
Esfuerzo max. von Mises
86.07 MPa
57.38 MPa
Diferencia porcentual del esfuerzo max.
von Mises del material con el modelo
64.28%
76.19%
En base a los resultados obtenidos hasta este
momento, se puede concluir que el modelo B es
la mejor propuesta, esto debido a que es el
modelo con mayor resistencia y menor consumo
de materia prima
Ahora, realizando una comparación con los
resultados obtenidos por A. Kharde et al. [31] en
su investigación en donde diseña un pedal
mediante optimización topológica, se puede
observar cierta similitud con las zonas de
material reducido con la propuesta de modelo B
de este trabajo. Esto se reafirma en el trabajo de
investigación realizado por Barbieri et al. [32] en
donde las zonas de material reducido forman una
determinada geometría donde se generan
estructuras transversales similares al modelo B
obtenido en el presente trabajo. Esto a pesar de
que ambos estudios se realizaron con materiales
distintos (ABS y Aluminio 7075-T4
respectivamente).
Por otra parte, en la zona de reducción de
material de los modelos de los trabajos que se
tomaron como referencia para realizar la
comparación se conserva cierto grado de
similitud, por lo que en los modelos de pedal A y
B de este trabajo como en los trabajos
anteriormente mencionados, el material en esas
zonas pareciera no ser necesario.
En contraste con otros autores que utilizan el
diseño generativo en pedales como en el trabajo
mostrado por A. Kharde et al. [31], donde el
enfoque va dirigido a generar un diseño
optimizado en masa, pero conservado una
geometría estándar del pedal como lo
conocemos. Los resultados obtenidos en el
presente trabajo se enfocan en la generación de
un diseño ligero inspirado en geometrías
existentes en la naturaleza.
Analizando los resultados obtenidos por L.
Barbieri et al [32], donde se muestran como
solución cuatro propuestas de diseño para un
pedal. Los resultados revelan que, al emplear
técnicas de diseño generativo, se obtuvieron dos
diseños que conservan rasgos mecanizados,
caracterizados por superficies uniformes o
geométricamente más similares a la morfología
original de un pedal de frenado. Además, se
identificaron otros dos diseños con formas
irregulares en su estructura. Estos últimos
modelos exhibieron una mayor ligereza y un
factor de seguridad más elevado en comparación
con aquellos que presentaban una geometría
similar a un pedal normal.
Estos hallazgos muestran cómo las formas
irregulares pueden contribuir significativamente
a mejorar la eficiencia en el uso del material, así
como, la resistencia mecánica y seguridad de los
componentes automotrices.
Cabe mencionar que la obtención de soluciones
de componentes en general con una similitud
geométrica al componente original, suelen ser
obtenidos mediante optimización topológica
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únicamente, reduciendo la masa en zonas
estratégicas y pudiendo llegar a resultados tales
como los obtenidos por M. Sargini et al [33],
donde se obtuvo una reducción significativa del
peso con respecto al diseño base y sin afectar al
rendimiento estructural. No obstante, los
resultados pueden variar según los parámetros y
especificaciones de diseño pues a comparación
con este trabajo, los factores de seguridad varían
por mucho, teniendo un valor más elevado (con
valores de 0.36 y 0.88 respectivamente).
La elección entre estructuras irregulares con
enfoque biomímetico en comparación con
geometrías definidas, dependerá de los
requerimientos de la aplicación. Las estructuras
irregulares pueden ofrecer ciertas ventajas, como
mayor ligereza y rigidez, también pueden ser más
flexibles y, en algunos casos, absorber mejor las
fuerzas de impacto. Sin embargo, las propiedades
mecánicas de las estructuras irregulares pueden
variar mucho, lo que dificulta predecir su
comportamiento en distintas condiciones de
operación, al imitar los patrones y las formas de
la naturaleza, podemos optimizar la resistencia a
la fractura, la absorción de energía y la tenacidad
de los materiales mostrado por E. Armendáriz et
al [34]. En cambio, las estructuras con
geometrías definidas suelen tener propiedades
mecánicas más predecibles y pueden exhibir una
mayor fortaleza en determinadas aplicaciones, lo
que se traduce en una mayor resistencia a la
deformación y a las fuerzas externas [35]. En
algunos casos, las estructuras irregulares pueden
ser preferibles por su ligereza y capacidad de
absorción de impactos, mientras que las
estructuras uniformes son más adecuadas cuando
se requiere una gran resistencia y estabilidad en
determinadas condiciones de carga.
Una de las limitaciones de esta investigación es
la poca información disponible respecto a la
implementación de diseño generativo en pedales
de frenado. Por lo que, en su mayoría, las
comparaciones de este estudio fueron hechas con
trabajos enfocados en la optimización topológica
de estos componentes automotrices.
Otra limitación de la investigación fue que la
validación del estudio se limitó al uso de datos de
la literatura, ya que no se cuenta con los medios
(una impresora 3D de Sinterizado Selectivo por
Láser, SLS) para fabricar los prototipos de
pedales mediante manufactura aditiva de
metales. Por lo que no se pudieron realizar
ensayos destructivos para determinar las
propiedades mecánicas de los pedales y con ello
hacer una comparación con los datos obtenidos
en las simulaciones.
A medida que avanzan las tecnologías y cambian
las demandas de los consumidores, las empresas
automovilísticas se han visto impulsadas a
adoptar enfoques más eficientes y sostenibles
para el diseño y la fabricación de automóviles. El
diseño generativo se presenta como una
alternativa innovadora. En este artículo ha
presentado el impacto del diseño generativo en el
diseño de automóviles y se ha estudiado cómo
este enfoque innovador puede maximizar el
potencial de determinados componentes.
Finalmente, es importante mencionar que el
diseño generativo puede ser implementado en las
nuevas generaciones de automóviles
híbridos/eléctricos que buscan una mayor
ligereza de sus componentes, siendo esta el área
donde más se busca integrar conceptos
innovadores en cuantos a nuevos diseños, pero
también si dejar de lado a los automóviles de
combustión interna, en los cuales se puede
realizar innovaciones en sus diseños y
manufactura de componentes. El diseño
generativo destaca como una herramienta de
diseño que explora una cantidad de
configuraciones y estructuras, identificando
aquellas que no sólo son ligeras, sino también
altamente resistentes y eficientes al permitir la
creación de formas y estructuras complejas,
ofrece el diseño de componentes visualmente
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Revista de Ciencias Tecnológicas (RECIT). Volumen 6 (4): e299.
atractivos con buenas capacidades mecánicas.
Su capacidad para generar componentes más
ligeros, resistentes y estéticamente atractivos se
alinea perfectamente con la creciente demanda
de eficiencia y sostenibilidad en la industria
automotriz al integrar nuevos diseños no sólo
impulsando el desarrollo tecnológico, sino que
también contribuye significativamente a la
creación de vehículos más eficientes.
6. Reconocimientos
C. Nava agradece el apoyo recibido por su asesor
Marco Antonio Martínez Bocanegra. Al jefe de
la División de Ingeniería en Sistemas
Automotrices del Tecnológico Nacional de
México Campus Sur Guanajuato, Mariano
Braulio Sánchez y, a su compañero de proyecto,
Luis Armando Puente Gallardo.
7. Reconocimiento de autoría
Christian Enrique Nava Alcantar:
Conceptualización; Metodología; Validación;
Escritura; Gestión del Proyecto; Software;
Investigación. Luis Armando Puente Gallardo:
Software; Investigación. Marco Antonio
Martínez Bocanegra: Validación; Escritura;
Revisión, Edición. Mariano Braulio Sánchez:
Validación; Revisión.
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Derechos de Autor (c) 2023 Christian Enrique Nava Alcantar, Luis Armando Puente Gallardo, Marco Antonio Martínez
Bocanegra, Mariano Braulio Sánchez
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