Aplicação da otimização topológica em componentes estruturais aeronáuticos e seus impactos no processo de usinagem

Abstract

A otimização topológica é um método matemático e computacional que determina a distribuição ideal de material dentro de um domínio de projeto. Apesar de gerar soluções ótimas e contribuir para o desempenho das peças, o método fornece geometrias complexas não econômicas, práticas e adequadas para a manufatura subtrativa. Com o avanço da tecnologia, as técnicas de manufatura aditiva (MA) permitiram a produção de peças com geometrias complexas. No entanto, setores como o aeroespacial e o automotivo exigem alta precisão dimensional e acabamento superficial elevado, fatores que a MA não atende completamente. Por esse motivo, essas indústrias ainda preferem e utilizam processos de fabricação como a usinagem em muito maior grau. O objetivo geral e principal desse trabalho é analisar os impactos da otimização topológica no processo de usinagem de componentes estruturais aeronáuticos, buscando integrar o desempenho estrutural com a viabilidade produtiva. O trabalho parte da aplicação da otimização topológica (OT) em um componente do setor aeronáutico, submetendo a geometria resultante ao processo de usinagem. Após a identificação de dificuldades durante a usinagem desse componente otimizado, utilizou-se a metodologia Design for Manufacturing (DFM), com o objetivo de melhorar a geometria do componente e favorecer sua usinabilidade. Em seguida, submeteu-se o componente modificado novamente à usinagem, permitindo a comparação entre as duas geometrias (otimizadas e com DFM) e a avaliação da importância da aplicação do design para manufatura. Os resultados obtidos demonstraram que, embora a peça otimizada tenha apresentado aceitáveis desempenho mecânico dentro do foco central de análise, sua geometria não se mostrou adequada para os processos de manufatura subtrativa. Por outro lado, o modelo com aplicação do Design for Manufacturing (DFM) apresentou resultados estruturais bons, tendo em vista o contexto submetido e obteve relevante performance na manufatura do componente. Dessa forma, confirmou-se a importância da aplicação dos conceitos de DFM no desenvolvimento de peças otimizadas, visando maior viabilidade de fabricação.

Topological optimization is a mathematical and computational method that determines the optimal distribution of material within a design domain. Although it generates optimal solutions and contributes to part performance, the method produces complex geometries that are neither cost-effective, practical, nor suitable for subtractive manufacturing. With advances in technology, additive manufacturing (AM) techniques have enabled the production of parts with complex geometries. However, sectors such as aerospace and automotive require high dimensional accuracy and superior surface finish, factors that AM does not fully achieve. For this reason, these industries still prefer and utilize manufacturing processes such as machining to a much greater extent. The overall and primary objective of this study is to analyze the impacts of topological optimization on the machining process of aerospace structural components, aiming to integrate structural performance with manufacturing feasibility. The study begins with the application of topological optimization (TO) to a component in the aerospace sector, subjecting the resulting geometry to the machining process. After identifying difficulties during the machining of the optimized component, the Design for Manufacturing (DFM) methodology was used to improve the component’s geometry and enhance its machinability. The modified component was then subjected to machining again, allowing for a comparison between the two geometries (optimized and DFM-modified) and an assessment of the importance of applying Design for Manufacturing. The results showed that, although the optimized part exhibited acceptable mechanical performance within the central focus of the analysis, its geometry was not suitable for subtractive manufacturing processes. On the other hand, the model incorporating Design for Manufacturing (DFM) principles yielded good structural results given the specific context and demonstrated significant performance in the component’s manufacturing. Thus, the importance of applying DFM concepts in the development of optimized parts was confirmed, with the aim of achieving greater manufacturability.