Modelado 3D para desarrollo de producto
El desarrollo de producto necesita documentar su diseño, este requiere de la mayor precisión y representación, para tal efecto hay que idearlo, conceptualizarlo y dibujarlo, su representación 3D será de gran utilidad y será dato de entrada para su visualización, ingeniería y manufactura. Aquí comentamos algunos breves conceptos básicos que debes saber.
Como hemos dicho, un paso critico durante la conceptualización del producto es llevarlo a dibujo para luego representarlo en 3D o viceversa. Por tanto, dibujarlo implica saber hacerlo, hablemos de dibujo técnico (mecánico si así lo deseas). Sabiendo esto debiste haber puesto atención a esa clase o haber tomado cursos de dibujo técnico pues es un paso necesario en este proceso de desarrollo de producto y su modelado 3D.
Habrá que partir de un sistema de coordenadas, establecer unidades y trazar líneas, arcos , tangencias, para crear desde cero una pieza dibujada, o si hay un dibujo o plano de referencia, poder interpretar su trazo para luego redibujarlo. En algún momento de esta recreación del dibujo necesitarás la información suficiente para su trazo, cuando no la haya, puede que necesites algo de conocimientos de trigonometría o algebra como resolución de triángulos, ley de senos, cosenos para encontrar algún centro de círculo o establecer un radio tangencial. Cuando tengas una pieza física y quieras llevarla a documentar su diseño el paso es otro (ingeniería inversa) un tema que de momento no tocaremos en este artículo. Usar asistentes de IA tampoco lo consideraremos de momento, pues nuestro enfoque es demostrar que saber dibujar es clave para el modelado 3D.
Saber trazar o dibujar perfiles en 2D es muy importante para moverte al siguiente paso que es el modelado 3D. Te recomiendo apoyarte con alguien o tomar un curso de dibujo técnico si deseas entrar a este tema de 3D. Te comento que cuando alguien te da un curso de un programa CAD, asume que sabes dibujar.
El sistema CAD
El diseño por computadora (CAD) se define como cualquier actividad que involucra el uso efectivo de una computadora para crear , modificar, analizar o documentar un diseño de ingeniería. El termino sistema CAD/CAM se usa cuando se enlaza el proceso de diseño y manufactura. Algunos beneficios de usar un sistema CAD son: Incremento en la productividad del diseño, disponibilidad de formas geométricas a crear, mejora de la calidad de la documentación , creación de una base de datos, estandarización de diseño, propiedad intelectual y mejores prácticas.
Modelado 3D
El modelado 3D es un aspecto fundamental del diseño y la ingeniería modernos, revoluciona la forma en que se conceptualizan, visualizan y desarrollan los productos. Consiste en la creación de representaciones tridimensionales de objetos o escenas utilizando herramientas de software especializadas, lo que permite a diseñadores e ingenieros dar vida a sus ideas en un entorno virtual.
Las aplicaciones del modelado 3D son variadas. En ingeniería y manufactura, se utiliza para conceptualizar productos, crear diseños detallados y preparar la fabricación mediante simulaciones y análisis.
El modelado 3D ha transformado el panorama del desarrollo y la manufactura de productos, ofrece beneficios que agilizan procesos, mejoran la calidad y reducen costos. Las ventajas abarcan diversas etapas del desarrollo del producto, desde la conceptualización hasta la creación de prototipos, e incluso las estrategias de marketing. Es la base de los gemelos digitales y la virtualización.
Los trazos en 2D en preparación al modelado 3D
Primero algo de teoría. Dibujo técnico es el lenguaje gráfico empleado por el ingeniero, arquitecto o técnico para comunicar sus ideas, proyectos e inventos en forma legible, clara y precisa. Los sistemas CAD utilizan la matemática de cada forma geométrica como algoritmo para desplegarlos gráficamente, los programadores de estas aplicaciones usan estas ecuaciones para representar cada entidad.
Para definir una forma habrá que comenzar con los trazos de líneas y arcos para trazarla, esto será en base a un sistema de coordenadas y unidades como mencionamos. El trazo podrá ser un perfil abierto o sección cerrada donde establezcamos algunos límites. Aunque dibujemos en planos 2D debemos pensar en tres dimensiones, principalmente en los planos ortogonales, superior, frontal, lateral, detrás.
Para representar un dibujo o plano técnico se dibujará cada vista de la pieza en cuestión, donde demos información de dimensiones suficiente para su ingeniería o manufactura. Debemos recordar que estamos documentando técnicamente mediante dibujo para que queden los datos de cuanto mide la pieza y algunos otros datos importantes como áreas, volúmenes, etc.
La abreviatura de tridimensional es 3D. Describe un objeto que tiene dimensiones de altura, anchura y profundidad. Un modelo de alambre (wireframe) ofrece el modelo CAD 3D más básico y contiene datos sobre curvas, los vértices y aristas de los objetos.
Primitivos
Creación directa de modelos 3D de piezas como cubos, cilindros, prismas, que son útiles en cierto momento durante el modelado de piezas, sus datos de entrada serán puntos o coordenadas, radios, alturas para delimitar su tamaño, el resultado será una representación 3D de superficies, caras o sólido, dependiendo del programa CAD a usar.
Modelado 3D por superficies
Las opciones de modelado 3D, revolución, extrusión, barrido son algunos ejemplos de operaciones tridimensionales que requieren como dato de entrada el perfil dibujado abierto o cerrado(compuesta por líneas, arcos, splines o alguna otra entidad geométrica 2D). Estas operaciones de superficies se usarán para aproximarnos a la forma final de nuestro modelo 3D que refleje nuestras piezas a recrear geométricamente. Las superficies son como láminas (imagina una hoja de papel, esa podría ser una superficie extruida.) A las superficies solo les podremos medir su área superficial.
El modelado de superficies en diseño 3D es una técnica centrada en crear la piel exterior o la representación del límite (BREP) de un objeto, en contraposición a definir su volumen interno.
En general un producto o pieza en 3D, requiere de varias operaciones de modelado 3D para completarse. En cada operación algo nos sobrará que luego cortaremos para luego unirlo con el resto de las operaciones. Al final nuestra pieza debe tener continuidad en su forma, tomar en cuenta su ingeniería y posterior fabricación.
En los programas de CAD actuales existe el manejador o árbol de operaciones que nos establecerá algún tipo de orden en la secuencia de estas.
Los diseñadores pueden manipular caras de malla "arrastrando" los bordes, establecer niveles de suavidad y más para perfeccionar sus diseños. Un caso es la técnica de subdivisiones donde se da la conversión de un polígono de baja densidad a uno de alta densidad para modelos con gran definición, aquí el modelado orgánico toma importancia, una aplicación de esto es en diseño industrial o diseño de caracteres para animación.
Un ejemplo de modelado 3D por subdivisiones
Otro es NURBS, donde su definición es B-Splines Racionales No Uniformes, son representaciones matemáticas de la geometría 3D que pueden describir con precisión cualquier forma, desde una línea, círculo, o curva 2D simple hasta la superficie o sólido complejo con formas orgánicas y suaves. Se trata de manipular sus componentes (puntos de control) para dar forma a la superficie y forma final. La cantidad de información requerida para una representación NURBS de una pieza de geometría es mucho menor que la cantidad de información requerida por las aproximaciones facetadas comunes.
Debido a su flexibilidad y precisión, ambas técnicas (subdivisión y NURBS) pueden utilizarse en cualquier proceso, desde diseño, ilustración y animación hasta manufactura. En ambos casos anteriores tu programa CAD identificará las propiedades de las superficies y te dirá de que tipo de superficie se trata. Existen otras técnicas de modelado de superficies como cajas, esculpir, por procedimientos, etc. que no se mencionan aquí.
El modelado 3D de solidos
Además de la geometría creada en las operaciones de modelado 3D de superficies existe los sólidos. Para crear estos , como datos de entrada también se requieren perfiles de geometría, el único requisito es que estos perfiles deben de estar cerrados o encerrar un área dentro. Las operaciones de modelado son las mismas, pero se podrán generar cuerpos que en cierto momento les podremos medir datos como volumen o masa.
El modelado del sólido también se almacena en el árbol de operaciones del programa que uses. Al momento que detectes un error o debas corregir un paso previo, este árbol te sirve para ir a ese paso y editar la operación en cuestión para luego regresar a tu modelo.
El modelado de superficies y sólidos tiene sus beneficios y limitaciones, y ser un buen diseñador significa saber cómo aprovecharlos para diseñar tus modelos de forma eficiente y precisa en el entorno CAD.
A los modelos sólidos les puedes ejecutar operaciones booleanas, pueden ser cortados y extruidos, imagina hacer un corte transversal a un cuerpo y poder ver una sección de él.
Modelado 3D de mallas (mesh modeling)
Es un estado geométrico que existe, sin embargo, es un poco un estado de transición, generalmente lo puedes encontrar en una situación de ingeniería inversa, donde escaneas 3D una pieza, obtienes su nube de puntos y enseguida una malla compuesta de caras tipo triangulo.
El modelo de malla o poligonal no tiene mayor inteligencia, es una aproximación, se compone de caras que pueden ser de diferentes formas, triángulos, hexágonos, pentágonos, etc. Digamos que estos modelos geométricos no son útiles para la creación de modelos y dibujos CAD. Lo normal es convertirlos a geometría manipulable de donde podamos extraer información.
Una definición de Wikipedia dice, en diseño por computadora 3D una malla poligonal es un conjunto de vértices, aristas y caras que define la forma de la superficie de un objeto poliédrico. A esto podemos añadir, una malla es uno de los elementos fundamentales como dato de entrada de un proceso de simulación en el análisis por elementos finitos (FEA). Es una red formada por celdas y puntos (o nodos). Puede tener casi cualquier forma o tamaño y se utiliza para resolver ecuaciones en derivadas parciales. Cada celda de la malla representa una solución individual de la ecuación que, al combinarse con toda la red, da lugar a una solución para toda la malla. Las mallas también son el dato de entrada para las impresoras 3D. En otro artículo podemos profundizar en esta definición de geometría.
Visualización del modelado 3D
Para desplegar gráficamente el modelo 3D se utiliza una técnica llamada renderizado, esto significa asignar alguna tonalidad o textura a nuestro modelo, aplicarle luz, sombras, algún fondo y generar una imagen fotorrealista de este, el proceso también se le conoce como render y es sumamente útil para tomar mejores decisiones.
La mayoría de los programas CAD ya incluyen esta técnica, incluso con métodos de remoción de líneas ocultas y demás, y hay otros programas que se enfocan exclusivamente en este tema de fotorrealismo y animación donde se aplican técnicas avanzadas como trazo de rayos o cáusticos que usan poder adicional de cómputo. Eso sí, entre la imagen se más realista , más consumo de procesamiento computacional requiere, imagina ejecutar un renderizado de un ensamble de 500 piezas, deberás tener un buen equipo de cómputo para ello o usar la nube.
La creación de dibujos o planos técnicos
En la actualidad hay tres opciones:
- Primero crear el modelo 3D y luego generas desde este los planos técnicos 2D para su lectura y comprensión.
- La otra es mantener el modelo 3D para su lectura y comprensión con datos embebidos de medidas, anotaciones y PMI.(también llamado Model Based Definition)
- La tercera es crear directamente un dibujo técnico manteniendo todo en 2D
Para comentar la primera opción, la mayoría de los programas CAD de hoy crean en automático las vistas del dibujo 2D usando como dato de entrada el modelo 3D previamente creado. El diseñador tendrá que colocar las dimensiones, tolerancias y notas, tipos de letra y tamaño necesario, establecer un marco de dibujo con los textos necesarios e indicar mediante relleno los cortes. Utilizar diferentes colores o grosores de líneas cuando sea necesario, y tener en cuenta algún estándar de representación del dibujo (ASME, ANSI, etc.)
Algunos líderes de la industria consideran que MBD será el futuro de la documentación del diseño.
¿Que puedes hacer una vez que tengas el modelo 3D completo?
En diseño
Crear representaciones virtuales de productos, ensambles, usar estos modelos para preparar imágenes y videos realistas para el marketing.
En ingeniería
Usar los modelos para realizar análisis y simulaciones de fenómenos físicos, estudios de resistencia de materiales, animación de vehículos, escenarios virtuales de impacto en coches , la recreación de una planta de procesos. Usarlos como gemelos digitales.
En manufactura
Los modelos 3D se usan como datos de entrada de procesos de corte como mecanizado, procesos aditivos, doblado y corte de lámina, programar robots, líneas de producción, celdas, simular procesos para determinar eficiencias de operación.
En los departamentos de calidad o metrología
Cuando se fabrica una pieza esta siempre se compara contra el diseño o el modelado 3D hecho en CAD, los sistemas de inspección como las CMM o escáner 3D comparan lo físico contra el modelo digital y detectan variaciones. Al aplicar esta técnica se detectan de inmediato excesos o faltantes de dimensiones que hacen rechazar o aceptar la pieza.
En conclusión, imagina que tienes el diseño de una nevera o refrigerador, en términos CAD es un ensamble de una buena cantidad de piezas, todas usando el mismo sistema de coordenadas para su ubicación en el espacio, unidades y escala. Cada componente tiene sus dimensiones, atributos, medidas volumétricas, materiales, etc. A este modelo le puedes interrogar sobre su peso, costos, lista de materiales (BOM), renderizarlo, colocarlo en un escenario virtual real de una cocina con realidad aumentada, someterlo a cargas para determinar esfuerzos, exportar a otro sistema CAD o crear el dibujo individual de cada pieza para mandarla fabricar. Si comienzas a iterar y generar instancias de tus piezas o ensamble , digamos en diferentes tamaños, en un momento dado podrás entrenar un modelo de IA que aprenda de estas iteraciones y te entregue propuestas sobre la intención de tu diseño.
En resumen, lo que tienes es un gemelo digital de tu producto físico y será la propiedad intelectual de tu despacho o negocio. Las posibilidades son ilimitadas.
Por: Sergio Alvarez, editor de 3DCadPortal
Referencias:
- Automation, Production Systems and Computer Integrated Manufacturing , third edition, Mikell P. Groover.
- https://www.technia.com/en/3d-modeling/
- https://dgep.uas.edu.mx/librosdigitales/5to_SEMESTRE/47_Dibujo_tecnico_I.pdf
- https://astcad.com.au/difference-between-2d-3d-drawings/
- https://www.spatial.com/glossary/what-is-surface-modeling
- https://cad-kenkyujo.com/en/
