Hacia el infinito y más allá
La Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA), la organización gubernamental que lleva más de seis décadas haciendo posible el mundo, hasta ahora, imposible de los viajes espaciales, está explorando ahora una frontera más cercana a la Tierra. Se ha convertido en un campo de pruebas para el diseño generativo, utilizando la inteligencia artificial (IA) para crear diseños CAD innovadores.
Reto
La misión Artemis de la NASA tiene como objetivo llevar de nuevo al ser humano a la Luna, explorar las posibilidades de establecer asentamientos permanentes allí en el futuro y, algún día, en Marte. Para que todo esto sea posible, los ingenieros de la NASA deben examinar minuciosamente cada componente de la nave espacial con el fin de reducir al mínimo el espacio y el peso, así como garantizar su resistencia a las temperaturas extremas de la Luna y más allá.
Solución
En un experimento llevado a cabo en una conferencia reciente, se retó a los ingenieros a elaborar una lista de las geometrías y características que una pieza concreta debería tener para soportar el vuelo y las condiciones extremas de la superficie lunar. Estos datos se introdujeron en un marco de diseño generativo que permitió a la inteligencia artificial desarrollar una pieza que cumpliera esos criterios.
Resultado
Una de las ventajas del diseño generativo es la capacidad de ver más allá de lo que alcanza la mente humana —con una perspectiva objetiva— para crear la mejor solución a partir de un conjunto de parámetros. Transforma por completo el flujo de trabajo al permitir tomar decisiones de diseño racionales con una rapidez increíble. En este sentido, lo que sorprendió a todos fue la velocidad: en menos de 36 horas se pasó de definir las restricciones y subir los datos al hilo digital de Protolabs a obtener una pieza mecanizada.
«Para que este evento fuera un éxito, sabíamos que cualquier fabricante con el que trabajáramos [para fabricar la pieza] debía entregarnos la pieza que habíamos encargado a tiempo. No había margen para errores ni retrasos».
Matthew Vaerewyck, ingeniero mecánico del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA.
De colaborador a socio
La Cumbre Global PowerSource es una conferencia tecnológica que reúne a representantes del sector público, la industria privada, las universidades y otros actores para intercambiar información, ideas y buenas prácticas.
Los asistentes se reunieron para identificar las limitaciones de la pieza diseñada mediante generación de formas, que actúa como un dispositivo para sujetar el equivalente a un matraz de Ehrlenmeyer de 250 ml colocado boca abajo, con el fin de capturar muestras de los gases volátiles que se liberan cuando la Luna se calienta.
Diseño generativo con la NASA
La NASA apuesta por el diseño generativo para acelerar considerablemente su proceso de desarrollo de productos.
Descargar ficha técnicaCómo sobrevivir a los viajes espaciales y a los entornos espaciales
Los objetos situados en la Luna, en la zona que ocupará Artemis, deben soportar temperaturas que pueden oscilar entre los -315 °F y los -55 °F (-193 °C y -48 °C). Según Vaerewyck, los ingenieros de la conferencia tuvieron que preguntarse: «¿Qué debe hacer esta pieza y en qué entorno debe sobrevivir?». A partir de ahí, desarrollaron los parámetros para generar el diseño, con el objetivo de optimizar el peso y maximizar la rigidez.
¿Por qué preocuparse tanto por el peso? Las estadísticas de la NASA indican que cada kilogramo (2,2 libras) lanzado al espacio cuesta un millón de dólares, por lo que cada reducción de peso supone un ahorro para los contribuyentes.
Cada vez que se habla de aligeramiento de peso, el aluminio asequible es el primer material que viene a la mente, gracias a su excelente relación resistencia-peso. En este caso, la pieza mecanizada con CNC se fabricó con una variante del aluminio 6061 que ha sido sometida a procesos para mejorar su resistencia y su capacidad de alivio de tensiones. Es una opción muy utilizada en los sectores aeroespacial, automovilístico, naval y de fabricación en general.
Otros parámetros clave del diseño eran que la pieza debía poder soportar una carga de 31 kg y que debía ser apilable. Esta última característica permite que varias unidades de la pieza ocupen menos espacio en la nave espacial.
La pieza necesitaba unos soportes que le permitieran mantenerse en pie sobre la superficie irregular de la Luna.
Por último, los ingenieros querían una pieza que se pudiera mecanizar rápidamente. Aunque tecnologías como la impresión 3D ofrecerían mayor libertad de diseño, la impresión 3D en metal no sería viable en el plazo de 36 horas necesario para entregar la pieza.
Del modelo a la pieza física: llega el momento decisivo
Teniendo en cuenta todos estos datos, el ordenador procesó los cálculos. Tras considerar todas las restricciones que los ingenieros habían impuesto al diseño, generó el archivo CAD que ofrecía el mejor resultado posible. «Lo más impresionante es que no sabíamos qué íbamos a crear al final», afirmó Vaerewyck. El resultado fue una mejora de entre 6 y 10 veces en cuanto a masa, rigidez y tiempo de diseño.
El proceso de generación de trayectorias se completó rápidamente: 19 horas de fresado y 4 horas de procesamiento. «No hay que subestimar el factor humano en este caso, ya que hay que asegurarse de que no se produzcan alarmas ni errores durante el proceso de fresado», afirmó Greg Perz, director de ingeniería de fabricación de Protolabs para el mecanizado CNC.
La pieza diseñada mediante diseño generativo presenta interrupciones en su forma circular, lo que permite reducir en horas el tiempo de fresado al facilitar el fresado en dos ejes.
«Nuestra hora límite era las 17:00 y las primeras piezas salieron a las 16:31. Fue rápido y sin complicaciones», afirmó Perz. Desde la lluvia de ideas inicial sobre el diseño generativo hasta tener la pieza en las manos solo pasaron 36 horas.