Diseño generativo aplicado en el diseño de un pedal de frenado para automóvil
DOI:
https://doi.org/10.37636/recit.v6n4e299Palabras clave:
Diseño generativo, Manufactura aditiva, Método de elementos finitos, Optimización estructural, Pedal de frenadoResumen
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.
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S. Junk y N. Rothe, "Lightweight design of automotive components using generative design with fiber-reinforced additive manufacturing", Procedia CIRP, vol. 109, pp. 119–124, 2022. Accedido el 14 de junio de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.1016/j.procir.2022.05.224 DOI: https://doi.org/10.1016/j.procir.2022.05.224
S. Rosenthal, F. Maaß, M. Kamaliev, M. Hahn, S. Gies y A. E. Tekkaya, "Lightweight in automotive components by forming technology", Automot. Innov., vol. 3, n.º 3, p. 195–209, julio de 2020. Accedido el 4 de agosto de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.1007/s42154-020-00103-3 DOI: https://doi.org/10.1007/s42154-020-00103-3
"Effect of 3d printing direction on manufacturing costs of automotive parts", Int. J. Traffic Transport Eng., vol. 11, n. º 1, marzo de 2021. Accedido el 1 de julio de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.7708/ijtte.2021.11(1).05 DOI: https://doi.org/10.7708/ijtte.2021.11(1).05
Stavropoulos, P., Bikas, H., Souflas, T., Tzimanis, K., Papaioannou, C., & Porevopoulos, N. (2023). Additive manufacturing in the automotive industry. En 3D printing (pp. 453–470). CRC Press. https://doi.org/10.1201/9781003296676-29 DOI: https://doi.org/10.1201/9781003296676-29
Schönemann, M., Schmidt, C., Herrmann, C., & Thiede, S. (2016). Multi-level modeling and simulation of manufacturing systems for lightweight automotive components. Procedia CIRP, 41, 1049–1054. https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.12.063 DOI: https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.12.063
A. Graciano y G. Prado, "Considerations on parametric design and generative design", Link Symp. Abstr. 2020, p. 46–47, diciembre de 2020. Accedido el 4 de agosto de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.24135/linksymposium.vi.25 DOI: https://doi.org/10.24135/linksymposium.vi.25
J. Zhu, H. Zhou, C. Wang, L. Zhou, S. Yuan y W. Zhang, "A review of topology optimization for additive manufacturing: Status and challenges", Chin. J. Aeronaut., vol. 34, n. º 1, pp. 91–110, enero de 2021. Accedido el 14 de junio de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.1016/j.cja.2020.09.020 DOI: https://doi.org/10.1016/j.cja.2020.09.020
A. Nordin, "Challenges in the industrial implementation of generative design systems: An exploratory study", Artif. Intell. Eng. Design, Anal. Manuf., vol. 32, n.º 1, pp. 16–31, enero de 2017. Accedido el 17 de junio de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.1017/s0890060416000536 DOI: https://doi.org/10.1017/S0890060416000536
G. Díaz, R. F. Herrera, F. C. Muñoz-La Rivera y E. Atencio, "Applications of generative design in structural engineering", Revista ingeniería de construcción, vol. 36, n.º 1, pp. 29–47, abril de 2021. Accedido el 14 de junio de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.4067/s0718-50732021000100029 DOI: https://doi.org/10.4067/S0718-50732021000100029
J. Wu, X. Qian y M. Y. Wang, “Advances in generative design”, Computer-Aided Des., vol. 116, p. 102733, noviembre de 2019. Accedido el 21 de octubre de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.1016/j.cad.2019.102733 DOI: https://doi.org/10.1016/j.cad.2019.102733
S. Junk and L. Burkart, “Comparison of CAD systems for generative design for use with additive manufacturing,” Procedia CIRP, vol. 100, pp. 577–582, 2021, 31st CIRP Design Conference 2021 (CIRP Design 2021), issn: 2212-8271. https://doi:10.1016/j.procir.2021.05.126. DOI: https://doi.org/10.1016/j.procir.2021.05.126
S. Khan y M. J. Awan, “A generative design technique for exploring shape variations”, Adv. Eng. Inform., vol. 38, pp. 712–724, octubre de 2018. Accedido el 27 de octubre de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.1016/j.aei.2018.10.005 DOI: https://doi.org/10.1016/j.aei.2018.10.005
M. Leary, “Generative design”, en Design for Additive Manufacturing. Elsevier, 2020, pp. 203–222. Accedido el 27 de octubre de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.1016/b978-0-12-816721-2.00007-5 DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816721-2.00007-5
A. E. Eiben y J. Smith, "From evolutionary computation to the evolution of things", Nature, vol. 521, n. º 7553, pp. 476–482, mayo de 2015. Accedido el 16 de junio de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.1038/nature14544 DOI: https://doi.org/10.1038/nature14544
J. Sokolowski, J. Zolesio, Introduction to Shape Optimization: Shape Sensitivity Analysis. Berlin: Springer-Verlag, 1992. Accedido el 16 de junio de 2023. [En línea]. Disponible: https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-642-58106-9
Z. Wang, Z. Cao, F. Fan y Y. Sun, "Shape optimization of free-form grid structures based on the sensitivity hybrid multi-objective evolutionary algorithm", J. Building Eng., vol. 44, pp. 102538, diciembre de 2021. Accedido el 12 de julio de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102538 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102538
Bendsoe, M. P., & Sigmund, O. (2004). Topology optimization (2a ed.). Springer. Accedido el 16 de junio de 2023. [En línea]. Disponible: https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-662-05086-6
J. Alcaide-Marzal, J. A. Diego-Mas y G. Acosta-Zazueta, "A 3D shape generative method for aesthetic product design", Des. Stud., vol. 66, pp. 144–176, enero de 2020. Accedido el 16 de junio de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.1016/j.destud.2019.11.003 DOI: https://doi.org/10.1016/j.destud.2019.11.003
D. M. Baskin, "The automotive body lightweight design philosophy", en Lightweight Composite Structures in Transport. Elsevier, 2016, p. 75–90. Accedido el 4 de agosto de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.1016/b978-1-78242-325-6.00004-9 DOI: https://doi.org/10.1016/B978-1-78242-325-6.00004-9
Zelinski, P. Generative design to bring weight and cost savings for micromobility FUV, Additive Manufacturing, junio 2020. Accedido el 01 de julio de 2023. [En línea]. Disponible: https://www.additivemanufacturing.media/articles/generative-design-to-bring-weight-and-cost-savings-for-micromobility-fuv
"Generative design electric bus". Autodesk | 3D Design, Engineering & Construction Software. Accedido el 01 de julio de 2023. [En línea]. Disponible: https://www.autodesk.com/campaigns/generative-design/bus
J. Kulangara, C. S. P. Rao y J. Cherian, "Topology optimization of lattice structure on a brake pedal", Mater. Today: Proc., junio de 2021. Accedido el 4 de agosto de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.06.059 DOI: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.06.059
L. Lira. "Topology optimized brake pedal - generative design Autodesk fusion 360". Autodesk Community Gallery, abril de 2021. Accedido el 4 de agosto de 2023. [En línea] Disponible: https://www.autodesk.com/community/gallery/project/159177/topology-optimized-brake-pedal---generative-design-autodesk-fusion-360
J. M. Benyus, Biomimicry: Innovation Inspired by Nature. Harper Perennial, 2002. Accedido el 4 de agosto de 2023. [En línea] Disponible: https://biomimicry.org/chapterone/
Biomimetic Technologies. Elsevier, 2015. Accedido el 9 de agosto de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.1016/c2014-0-03749-5 DOI: https://doi.org/10.1016/C2014-0-03749-5
Y. Q. Zheng, H. Y. Xu y B. Li, "Vehicle brake-pedal arm strength analysis and optimization based on ABAQUS", Adv. Mater. Res., vol. 549, pp. 875–878, julio de 2012. Accedido el 16 de junio de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.549.875 DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.549.875
G. Ganesh, P. Unmesh y S. S. Kadam, "Design and analysis of commercial automotive vehicle brake pedal ", Appl. Mechanics Mater., vol. 813-814, p. 964–971, noviembre de 2015. Accedido el 4 de agosto de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amm.813-814.964 DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.813-814.964
R. Limpert, Brake Design and Safety, 2da ed. Warrendale, Penn: SAE International, 2011. Accedido el 5 de septiembre de 2023. [En línea]. Disponible: https://ia803101.us.archive.org/33/items/BrakeDesignAndSafetyRudolfLimpert2ed/Brake%20Design%20and%20Safety%20-%20Rudolf%20Limpert%20-%202ed.pdf
F. Buonamici, M. Carfagni, R. Furferi, Y. Volpe y L. Governi, “Generative design: An explorative study”, Computer-Aided Des. Appl., vol. 18, n.º 1, pp. 144–155, mayo de 2020. Accedido el 22 de octubre de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.14733/cadaps.2021.144-155 DOI: https://doi.org/10.14733/cadaps.2021.144-155
B. E. Paton y O. K. Antonov, "Handbook: Aluminum alloys", Metal Sci. Heat Treatment, vol. 16, n. º 8, p. 722–723, agosto de 1974. Accedido el 20 de julio de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.1007/bf00658450 DOI: https://doi.org/10.1007/BF00658450
Kharde, A., Khande, R., Khedekar, S., Manchekar, J., & Anavkar, J. S. (2021). Design and mass optimization of brake pedal using topology optimization technique. International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET), 08, Artículo 2395-0056. https://www.irjet.net/archives/V8/i5/IRJET-V8I5103.pdf
L. Barbieri y M. Muzzupappa, "Performance-driven engineering design approaches based on generative design and topology optimization tools: A comparative study", Appl. Sci., vol. 12, n. º 4, pp. 2106, febrero de 2022. Accedido el 4 de agosto de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.3390/app12042106 DOI: https://doi.org/10.3390/app12042106
M. Sargini, S. Masood, S. Palanisamy, E. Jayamani y A. Kapoor, “Finite element analysis of automotive arm brake pedal for rapid manufacturing”, IOP Conf. Series: Mater. Sci. Eng., vol. 715, p. 012020, enero de 2020. Accedido el 21 de octubre de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.1088/1757-899x/715/1/012020 DOI: https://doi.org/10.1088/1757-899X/715/1/012020
E. N. Armendáriz-Mireles, F. D. Raudi-Butrón, M. A. Olvera-Carreño y E. Rocha-Rangel, “Design of bio-inspired irregular porous structure applied to intelligent mobility products”, Nexo Rev. Cient., vol. 36, n.º 02, pp. 110–121, marzo de 2023. Accedido el 22 de octubre de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.5377/nexo.v36i02.16018 DOI: https://doi.org/10.5377/nexo.v36i02.16018
A. J. Macdonald, “The archetypes of the structural form”, en Structure and Architecture. Third edition. | New York: Routledge, 2018.: Routledge, 2018, pp. 61–77. Accedido el 27 de octubre de 2023. [En línea]. Disponible: https://doi.org/10.4324/9781315210513-5 DOI: https://doi.org/10.4324/9781315210513-5
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