Nature Architects remodela un futuro más limpio con simulación, geometría y metamateriales

Incluso los diseñadores con una imaginación ilimitada a menudo están restringidos por los materiales que tienen disponibles y cómo funcionarán esos materiales. Pero, ¿y si pudieras diseñar la funcionalidad del material que necesitas? Nature Architects ofrece soluciones de diseño de formas para que los fabricantes incorporen diversas funciones físicas como vibración, acústica, conducción de calor, deformación y reducción de peso en sus productos mediante el uso de metamateriales.

«Metamateriales» es un término genérico para estructuras que realizan funciones más allá de las funciones físicas de los materiales, como resinas y metales, a través de estructuras geométricas diseñadas artificialmente. El uso de metamateriales permitirá lograr propiedades físicas avanzadas que antes se creían imposibles con materiales y componentes convencionales.

Los metamateriales también incluyen estructuras que generan movimiento mecánico a través de la deformación elástica, como las partes móviles denominadas mecanismos compatibles. Además, los metamateriales se pueden utilizar para crear propiedades físicas avanzadas en una sola estructura sin ensamblar, lo que convencionalmente se ha logrado ensamblando piezas mecánicas o combinando diferentes materiales. Por lo general, estos se fabrican mediante fabricación aditiva, pero en algunos casos, se pueden utilizar métodos de fabricación convencionales como moldeo por inyección, moldeo a presión y mecanizado.

De esta forma, los metamateriales se pueden utilizar para incorporar nuevas propiedades físicas a los productos sin aumentar el número de piezas ensambladas. Los metamateriales permiten a los diseñadores e ingenieros ir más allá de los métodos convencionales al equilibrar múltiples compensaciones en los requisitos de diseño, como peso ligero y alta rigidez.

Con el apoyo del Programa de inicio de Ansys, que alienta a las nuevas empresas en etapa temprana al ofrecer acceso asequible a las soluciones de simulación de Ansys, Nature Architects está utilizando la simulación para avanzar en esta tecnología emergente y construir más metamateriales y soluciones estructurales que remodelarán el futuro.

Simulación de nuevas dimensiones geométricas

Fundada en 2017, Nature Architects se propuso empoderar a los diseñadores e ingenieros para diseñar productos capaces de funciones que desafían los límites de los materiales y componentes convencionales.

Para apreciar las capacidades únicas de los metamateriales, primero debe reconocer las limitaciones de la naturaleza y la física. Un ejemplo básico de esto se puede demostrar con cualquier material elástico como el caucho o el spandex. Cuando tiras de ambos extremos de una banda elástica, se vuelve más estrecha y más larga. En ingeniería mecánica, este concepto es la base del efecto Poisson, la deformación de un material perpendicular al punto de fuerza o dirección de la carga o, en este ejemplo, la dirección en la que la mano tira de la banda elástica. Para la banda elástica, la relación de Poisson es la relación del ancho a medida que la banda se estrecha y se contrae a su longitud extendida hacia la dirección de tracción. Al conocer la relación de Poisson de un material, puede predecir su reacción a las tensiones de manera repetible.

Sin embargo, al crear metamateriales con una relación de Poisson negativa, es posible generar nuevas propiedades que permitan que el material reaccione de manera diferente a lo esperado, o incluso lo que se considera posible. Para una banda elástica, esto podría resultar en un ensanchamiento de la banda al tirar de sus extremos, en lugar de estrecharse. Los materiales construidos con una relación de Poisson negativa también se conocen como materiales auxéticos.

Integrando este concepto para construir metamateriales mecánicos, Nature Architects desarrolló su tecnología de modelado funcional directo (DFM) para crear estructuras que van más allá de lo que pueden lograr los materiales regulares.

Por ejemplo, Nature Architects puede diseñar la sustitución de materiales de caucho a plástico utilizando metamateriales. Específicamente, la parte de amortiguación de una silla de oficina está hecha de una estructura de panal de plástico integrada para lograr una flexibilidad que disperse la presión del cuerpo de manera eficiente. La sustitución adecuada de materiales puede crear valor agregado, como un costo más bajo, un diseño mejorado a través de una mejor capacidad de moldeo, reciclabilidad mejorada y un peso más ligero.

Además de mejorar las posibilidades creativas, los metamateriales tienen el potencial de contribuir a la sustentabilidad porque pueden agregar funcionalidad sin aumentar el uso del material.

“Al combinar estructuras que expresan funciones innovadoras, como metamateriales, con técnicas de cálculo inverso, podemos lograr un alto nivel de función a forma”, dice Taisuke Ohshima, director ejecutivo de Nature Architects, al describir la tecnología DFM de la empresa. “El Programa de puesta en marcha de Ansys nos ha permitido utilizar simulaciones avanzadas cuya implementación en la etapa de puesta en marcha de la empresa habría sido prohibitiva en términos de costos y nos ha ayudado a automatizar y avanzar en nuestros sistemas de análisis y diseño, ampliando la gama de industrias y problemas que podemos manejar como una empresa.”

Ohshima y sus compañeros ingenieros han integrado la simulación para conquistar lo que dicen es un gran desafío en el diseño geométrico: la automatización del descubrimiento de nuevas estructuras. Usando Ansys Mechanical para análisis estructurales e interacción fluido-estructura, el equipo implementa Mechanical Ansys Parametric Design Language (MAPDL), un lenguaje de secuencias de comandos que automatiza las tareas de simulación y agiliza los flujos de trabajo. Esta automatización permite al equipo visualizar y explorar innumerables estructuras nuevas. Los ingenieros también pueden usar MAPDL para construir modelos con nuevas variables y parámetros a través de características que incluyen optimización de diseño y mallado adaptativo.

“La automatización de las simulaciones y el avance en el manejo de problemas no lineales nos están ayudando a desarrollar sistemas para superar este desafío”, dice Ohshima. “Tenemos un sistema personalizado y automatizado para DFM que utiliza APDL mecánico, desde la definición de la geometría hasta el análisis y el posprocesamiento, y se beneficia de una amplia variedad de restricciones y elementos”.

Además, el grupo utiliza Ansys Fluent para analizar el rendimiento del intercambio de calor de dos fluidos en estructuras de celosía, lo que les permite diseñar intercambiadores de calor.

La tecnología de modelado funcional directo característica de Nature Architects reinventa las propiedades de los materiales utilizando estructuras geométricas para producir el movimiento deseado sin componentes externos típicos, como se demuestra en este video con juntas flexibles universales que se crearon sin resortes o ensamblaje convencional.

Soluciones en Acción

La tecnología DFM aumenta las capacidades del modelado funcional tradicional mediante la generación instantánea de la estructura de metamaterial adecuada en función de su función física deseada. Con DFM, Nature Architects puede agregar varias funciones físicas a productos que antes eran inalcanzables, como flexibilidad, deformación, conductividad térmica y absorción de vibraciones. La tecnología DFM se utiliza con mayor eficacia en productos que se ocupan del movimiento, como la industria automotriz, aeroespacial y robótica, así como en componentes como ventiladores, resortes, interruptores y palancas. Al reinventar estos mecanismos compatibles, los ingenieros de Nature Architect producen el movimiento deseado a través de estructuras integradas, lo que reduce la necesidad de piezas y componentes operativos externos, incluidas bisagras, tornillos y pernos.

Si las partes móviles pueden fabricarse como una sola pieza utilizando un mecanismo flexible, es posible eliminar la necesidad de múltiples partes y, por lo tanto, del ensamblaje. Además, si se diseña correctamente un mecanismo compatible con DFM, es posible integrar esas funciones en la pieza, creando la misma funcionalidad en una sola unidad.

Con un equipo de 15, Nature Architects no produce directamente productos finales, sino que suministra metamateriales y soluciones DFM a los fabricantes, a menudo colaborando en el desarrollo y apoyando el diseño de productos. Esencialmente, Nature Architects construye y opera módulos de software equipados con tecnología DFM para automatizar el proceso de diseño para cada cliente y proyecto.

Actualmente, Nature Architects ofrece tres soluciones que utilizan la tecnología DFM: DFM PULSE, DFM TOUCH y DFM UNWELD, que mejoran las capacidades de vibración, háptica y procesamiento de chapa, respectivamente. Las aplicaciones de las soluciones van desde automóviles hasta equipos de música.

Una empresa de componentes automotrices actualmente usa DFM PULSE para aislar la vibración en los componentes alrededor de los sensores y está trabajando con un fabricante líder de aire acondicionado (AC) para desarrollar componentes de aislamiento de vibración para sistemas de AC. Una empresa de construcción integra la tecnología DFM UNWELD para fabricar componentes de construcción y DFM TOUCH se está utilizando para desarrollar equipos para la industria del entretenimiento.

Los metamateriales son componentes clave de las soluciones DFM y ofrecen una variedad de propiedades según las necesidades de la empresa o la aplicación. Por ejemplo, las estructuras reticulares auxéticas basadas en prismas triangulares utilizadas para el acolchado del cojín mencionado anteriormente poseen un control de rigidez sin precedentes que proporciona alivio de tensión para los componentes periféricos de sensores automotrices y también se pueden implementar para reducir la vibración. Tradicionalmente, las técnicas de aislamiento de vibraciones requieren la elasticidad de los componentes externos, como el caucho o los resortes, pero la tecnología DFM recrea estos mecanismos compatibles en otros materiales. Por ejemplo, DFM PULSE se puede usar para fabricar propiedades elásticas con metamateriales para alterar cualquier compuesto o material, incluidos vidrio, plástico, madera o metal.

Además de las estructuras que llenan el espacio, como la armadura de octetos, los metamateriales también pueden mejorar las propiedades físicas en estructuras bidimensionales. Esto significa que el diseño geométrico y los metamateriales no solo benefician los proyectos de impresión AM y 3D, sino que también pueden ayudar en los métodos de fabricación convencionales, incluidos el moldeo por inyección y el prensado.

Diseñando para el mañana

Nature Architects ya está captando la atención de las empresas de fabricación. El verano pasado, la startup recibió una subvención de la Organización de Desarrollo de Tecnología Industrial y Nuevas Energías de Japón, una agencia nacional de investigación y desarrollo con oficinas globales que promueve el desarrollo y la introducción de nuevas tecnologías energéticas que respaldan la sostenibilidad.

Esta primavera, el equipo de Nature Architects recibió el EXPO Startup Award a través de un programa acelerador de Plug and Play Japan. Plug and Play es una plataforma de innovación corporativa con sede en Silicon Valley, California, y oficinas en todo el mundo que apoyan a las empresas emergentes a través de programas aceleradores, inversiones y redes. Plug and Play ha trabajado con algunas de las empresas emergentes más exitosas de la historia, incluidas Google, Dropbox y PayPal.

“Al innovar diseños basados ​​en el uso de métodos de fabricación convencionales, podemos mejorar la eficiencia del diseño de productos y agregar valor a los productos”, dice Ohshima. “La simulación de Ansys es beneficiosa para la automatización y el avance del análisis en nuestro sistema de diseño patentado”.