Design híbrido por manufatura aditiva: otimização de topologia e mesoestruturas para alto desempenho mecânico

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dc.contributor.authorKalb, Beatriz Assis
dc.date.accessioned2026-01-19T16:10:37Z
dc.date.available2026-01-19T16:10:37Z
dc.date.issued2026-01-16
dc.descriptionTrabalho de Conclusão do Curso apresentado ao Instituto Latino-Americano de Tecnologia, Infraestruturae Território da Universidade Federal da Integração Latino-Americana, como requisito parcial para à obtenção do título de bacharel em Engenharia de Materiais.
dc.description.abstractAs indústrias modernas, como as aeroespaciais, de aviação e automotivas, enfrentam o desafio latente de otimizar o desempenho estrutural de suas peças exigindo mínimo peso e máxima resistência em um contexto de necessidade de redução de custos e tempo de desenvolvimento. A Manufatura Aditiva oferece o potencial para produzir geometrias complexas, como mesoestruturas, e por meio da combinação deste com otimização de topologia, criar designs híbridos. No entanto, nota-se uma escassez crítica de dados experimentais e literatura técnica que comprovem e quantifiquem os ganhos mecânicos dessa abordagem, o que impede sua plena adoção na engenharia. Com o objetivo de preencher essa lacuna de pesquisa, o presente trabalho foca na investigação e otimização de comportamento mecânico, mesoestruturas e otimização de topologia por manufatura aditiva plástica. Para tal, foi realizado um estudo experimental e otimização multi-objetivo de mesoestruturas através de um planejamento fatorial, que identificou o tipo e a densidade celular como os fatores com maior efeito na resistência à flexão e massa. A combinação ótima resultou no tipo P-Skeletal, com densidade celular de 1,4, tamanho de aresta de 7mm e inclinação de 0°. Em seguida, foi modelado uma peça estrutural para estudo de caso, esse modelo passou por otimização de topologia e foi aplicada a mesoestrutura otimizada em seus espaços vazios. Foram simuladas por elementos finitos condições de carregamento para comparar o comportamento da peça pré e pós otimização, o que resultou em uma redução de 31,13% da massa e uma diminuição nas propriedades mecânicas da peça. Resumen Las industrias modernas, como la aeroespacial, la aviación y la automotriz, se enfrentan al desafío latente de optimizar el rendimiento estructural de sus piezas exigiendo peso mínimo y máxima resistencia en un contexto de necesidad de reducción de costos y tiempo de desarrollo. La fabricación aditiva ofrece el potencial de producir geometrías complejas, como las mesoestructuras y mediante la combinación de estas con la optimización topológica, permite crear diseños híbridos. Sin embargo, se observa una escasez crítica de datos experimentales y literatura técnica que prueben y cuantifiquen las ganancias mecánicas de este enfoque, lo que impide su plena adopción en la ingeniería. Con el objetivo de llenar esta brecha de investigación, el presente trabajo se centra en la investigación y optimización del comportamiento mecánico de mesoestructuras, y la aplicación de la Optimización Topológica en la fabricación aditiva plástica. Para ello, se llevó a cabo un estudio experimental y una optimización multiobjetivo de mesoestructuras mediante un diseño factorial, que identificó el tipo y la densidad celular como los factores con mayor efecto en la resistencia a la flexión y la masa. La combinación óptima resultó ser del tipo P-Skeletal, con una densidad celular de 1,4, un tamaño de borde de 7mm y un ángulo de inclinación de 0°. A continuación, se modeló una pieza estructural para un estudio de caso. Este modelo fue sometido a la optimización topológica y se aplicó la mesoestructura optimizada en sus espacios vacíos. Se simularon por elementos finitos condiciones de carga para comparar el comportamiento de la pieza antes y después de la optimización, lo que resultó en una reducción del 31,13% de la masa y una disminución en las propiedades mecánicas de la pieza.
dc.identifier.urihttps://dspace.unila.edu.br/handle/123456789/9608
dc.rightsopenAccess
dc.subjectmesoestruturas
dc.subjectotimização de topologia
dc.subjectanálise de elementos finitos
dc.subjectmanufatura aditiva
dc.titleDesign híbrido por manufatura aditiva: otimização de topologia e mesoestruturas para alto desempenho mecânico
dcterms.abstractModern industries, such as aerospace, aviation, and automotive, face the latent challenge of optimizing the structural performance of their parts—demanding minimum weight and maximum strength—within a context of cost reduction and development time constraints. additive manufacturing offers the potential to produce complex geometries, such as mesostructures (or lattice structures), and through the combination with topology optimization, allows for the creation of hybrid designs. However, there is a critical scarcity of experimental data and technical literature that proves and quantifies the mechanical gains of this approach, hindering its full adoption in engineering. With the aim of filling this research gap, the present work focuses on the investigation and optimization of the mechanical behavior of mesostructures, and the application of topology optimization in plastic additive manufacturing. To this end, an experimental study and multi-objective optimization of mesostructures were conducted using a factorial design, which identified the cell type and density as the factors with the greatest effect on flexural strength and mass. The optimal combination was found to be the P-Skeletal type, with a cell density of 1,7, an edge size of 7mm, and an inclination angle of 0°. Subsequently, a structural part was modeled for a case study. This model underwent topology optimization, and the optimized mesostructure was applied to its void spaces. Loading conditions were simulated using finite element analysis to compare the behavior of the part pre- and post-optimization, which resulted in a 31.13% reduction in mass and a decrease in the mechanical properties of the part.

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