Formas de modelar procesos complejos que ahorran tiempo

Desde el sector de la automoción hasta el de la producción, las simulaciones y los gemelos digitales son cruciales para muchas empresas. Dado que el software convencional suele ser inadecuado para modelizar procesos muy dinámicos, los investigadores del Instituto Fraunhofer de Matemáticas Industriales ITWM han desarrollado una herramienta llamada MESHFREE. Esta solución funciona sin una malla computacional rígida y puede ahorrar mucho tiempo a la hora de simular procesos complejos, además de reducir costes. Sus esfuerzos les han valido el Premio Joseph von Fraunhofer 2024.

Las especificaciones rígidas rara vez encajan bien en los procesos ágiles, y lo que es cierto para las organizaciones lo es doblemente para los métodos de simulación. Cuando se modelizan procesos complejos como el aquaplaning o el mecanizado virtual de metales, no es posible predecir los movimientos de todos los componentes y configurarlos en una malla computacional adecuada como las que se utilizan habitualmente para las simulaciones.

Un grupo de investigación del Fraunhofer ITWM se enfrentó a este reto hace más de 20 años. “Nuestra primera tarea dentro del equipo del proyecto fue simular cómo se desplegaría un airbag en una colisión de vehículos”, explica Jörg Kuhnert, que ya formaba parte del grupo por aquel entonces. “En aquel momento, no había forma de verificar rápidamente la seguridad de los nuevos desarrollos en este campo, aparte de las costosas pruebas de colisión en el mundo real”. Esto se debe a que cuantos más objetos se mueven e interactúan entre sí en un escenario, más difícil resulta modelarlos de forma fiable y con unos niveles razonables de tiempo y esfuerzo mediante los métodos de simulación tradicionales.

Basándose en la tesis de Kuhnert, el equipo —al que se unió en 2012 Isabel Michel, centrada en las turbinas Pelton— desarrolló el innovador enfoque sin malla para hacer frente a este reto. Este nuevo enfoque permite virtualizar situaciones muy complejas y dinámicas, en algunos casos por primera vez. Desde entonces, todos los resultados de la investigación del equipo se han incorporado al software MESHFREE. El resultado es una herramienta de simulación con una propuesta de venta única: en todo el mundo, ninguna otra herramienta permite utilizar el Método de Diferencias Finitas Generalizadas (MDFG) en aplicaciones industriales.

Tradicionalmente, las simulaciones utilizan el método de los elementos finitos, en el que los ingenieros diseñan una malla que se ajusta a la geometría relevante y la utilizan como base para calcular los cambios en cada elemento individual. El proceso inicial de configuración de la estructura de la malla ya requiere mucho tiempo, así como frecuentes ajustes durante la simulación. En cambio, el programa MESHFREE combina el método de diferencias finitas generalizadas, que utiliza para resolver las ecuaciones de conservación de la masa, el momento y la energía, con algoritmos eficaces para resolver sistemas lineales de ecuaciones. Estos algoritmos se desarrollaron en colaboración con el Instituto Fraunhofer de Algoritmos y Computación Científica SCAI y ofrecen una enorme ventaja, ya que la nube de puntos numéricos utilizada puede adaptarse con flexibilidad a las geometrías en movimiento. Esto elimina la necesidad de laboriosas correcciones posteriores en la malla computacional. Kuhnert y Michel reciben el Premio Joseph von Fraunhofer 2024 por su desarrollo, que puede sustituir a las pruebas en el mundo real.

El método premiado puede utilizarse en un amplio espectro de aplicaciones. Un área de interés actual es el sector de la automoción. Además de la simulación de airbags, los investigadores han ayudado hasta la fecha a socios industriales de muy diversas maneras, por ejemplo, en la modelización de la conducción a través del agua o el comportamiento de vehículos sobre arena o grava. En ingeniería de procesos, MESHFREE ha ayudado a las empresas a optimizar los parámetros del proceso cuando trabajan con vidrio fundido y producen piezas de plástico.

Fundamentalmente, este método puede utilizarse en cualquier lugar donde se necesite un sustituto para mediciones o experimentos, o donde estos métodos no funcionen bien o no funcionen en absoluto. Michel resume: “No estamos obsesionados con los casos de uso tradicionales de la dinámica de fluidos computacional. MESHFREE puede hacer mucho más. Hemos querido que la herramienta sea más general”. Esto significa que el software tiene un gran potencial para reducir costes y ahorrar tiempo y material en muchos otros campos de aplicación.

Premio Joseph von Fraunhofer

Desde 1978, la Fraunhofer-Gesellschaft concede anualmente el Premio Joseph von Fraunhofer a sus empleados por sus destacados logros científicos en el desarrollo de soluciones para problemas prácticos. Este año se concederán tres premios, dotados con 50.000 euros cada uno, a grupos de investigadores de diferentes institutos.

La Fraunhofer-Gesellschaft, con sede en Alemania, es una de las principales organizaciones de investigación aplicada del mundo. Desempeña un papel crucial en el proceso de innovación dando prioridad a la investigación en tecnologías clave del futuro y transfiriendo los resultados de sus investigaciones a la industria con el fin de fortalecer a Alemania como centro de actividad industrial, así como en beneficio de la sociedad. Fundada en 1949, la Fraunhofer-Gesellschaft cuenta actualmente con 76 institutos y unidades de investigación en toda Alemania. Sus casi 32.000 empleados, en su mayoría científicos e ingenieros, trabajan con un volumen de negocio anual de 3.400 millones de euros, de los cuales 3.000 millones proceden de la investigación por contrato.