3.4 Diseño asistido por computador (CAD)

Conceptos y principios:

* Tipos de software CAD

* Modelos de superficie y sólidos

* Modelado de datos, incluyendo modelado estadístico

* Prototipado virtual

* Modelado de abajo hacia arriba y de arriba hacia abajo

* Humanos digitales: captura de movimiento, tecnología háptica, realidad virtual (VR) y animación

* Análisis de elementos finitos (FEA)

Comprensión esencial:

* Ventajas y desventajas del uso de modelado asistido por computadora

* Cómo los modelos de datos estructuran los datos mediante modelos de base de datos

* Diseño de sistemas de información para permitir el intercambio de datos

* Cómo la tecnología háptica, la captura de movimiento, la realidad virtual y la animación se pueden usar para simular escenarios y contextos de diseño

* Comparación del FEA con las pruebas de modelos físicos

* Uso de sistemas FEA al diseñar y desarrollar productos

Naturaleza del diseño:

A medida que las tecnologías mejoran y el software se vuelve más potente, también lo hacen las oportunidades para que los diseñadores creen productos, servicios y sistemas nuevos y emocionantes. Una mayor libertad en la personalización y personalización de productos tiene un impacto significativo en el usuario final. La capacidad de prototipar virtualmente, visualizar y compartir diseños mejora todo el ciclo de diseño desde el análisis de datos hasta los diseños finales.

El software CAD viene en muchos tipos, precios, características y calidades diferentes.

El CAD puede usarse en diseño gráfico, produciendo formas de diseño, curvas, texto y figuras en entornos bidimensionales, 2D. Adobe Illustrator, Corel Draw o 2D Design son ejemplos de software gráfico basado en vectores.

El CAD también puede usarse para el desarrollo de modelos sólidos o de superficie para crear modelos 3D dentro de un entorno 3D. Google Sketch-Up, Inventor Fusion y Solid Works son ejemplos de software CAD 3D.

Hay software CAD gratuito desarrollado por Google, Autodesk e IF.

El CAD se usa para el diseño conceptual y la disposición de productos y puede, en última instancia, eliminar los altos costos de las pruebas y la fabricación. El software CAD se utiliza en moda, diseño de productos, automotriz, arquitectura e ingeniería. También se usa ampliamente para ayudar en el diseño en áreas de la ingeniería, como la ingeniería civil, mecánica y aeronáutica.

El software CAD se utiliza en moda, diseño de productos, automotriz, arquitectura e ingeniería.

Modelos de superficie

Los modelos de superficie son imágenes foto-realistas de un producto, ofreciendo algunos datos de mecanizado pero sin información sobre el interior del producto.

El modelado sólido consiste en definir un objeto con masa geométrica. Los programas de modelado sólido suelen crear modelos generando un sólido base y luego añadiendo o sustrayendo características posteriores.

Modelos sólidos

Los modelos sólidos son representaciones claras del producto final. Proporcionan un conjunto completo de datos para que el producto pueda realizarse, incluyendo dimensiones internas y volumen.

Originalmente se desarrolló para el diseño de maquinaria, y se utiliza mucho en ingeniería con ensamblajes de piezas grandes, pruebas digitales y prototipado rápido.

El modelado sólido consiste en definir un objeto con masa geométrica. Los programas de modelado sólido generalmente crean modelos generando un sólido base y luego añadiendo o sustrayendo características posteriores.

Funciones como extrusión, cortes de extrusión, revoluciones, radios, chaflanes, etc. son características comunes. Ejemplos de programas de modelado sólido son Autodesk Fusion 360, SolidWorks, CATIA y ProEngineer.

Los modelos de datos típicos incluyen bases de datos y sistemas de información.

Los desarrollos en tecnologías de la información y la comunicación (TIC) hacen que un modelo de datos sea importante para aplicaciones que usan e intercambian datos. Los ejemplos incluyen GPS, escaneo 3D, pruebas digitales, materiales, etc.

Prototipado virtual

El prototipado virtual implica el uso de modelado de superficies y sólidos para desarrollar modelos interactivos fotorrealistas. El prototipado virtual es un método en el proceso de desarrollo de productos.

Involucra el uso de software de diseño asistido por computadora (CAD), diseño automatizado por computadora (CAutoD) e ingeniería asistida por computadora (CAE) para validar un diseño antes de comprometerse a fabricar un prototipo físico.

Esto se realiza creando (generalmente en 3D) formas geométricas generadas por computadora (partes) y combinándolas en un “ensamble” para probar diferentes movimientos mecánicos, ajustes y funciones. El ensamble o las partes individuales pueden abrirse en software CAE para simular el comportamiento del producto en el mundo real.

También pueden considerarse maquetas digitales.

El prototipado virtual implica el uso de modelado de superficies y sólidos para desarrollar modelos interactivos fotorrealistas.

Modelado de abajo hacia arriba (Bottom up modelling)

Cuando se diseña usando una estrategia de “abajo hacia arriba”, el diseñador crea la geometría de las piezas de forma independiente al ensamblaje o a cualquier otro componente.

El modelado de abajo hacia arriba requiere que el diseñador dibuje las piezas individualmente y luego las ensamble aplicando restricciones, como coincidencia (mate) y alineación (flush). Si es posible, colocando los componentes en el orden en que serían ensamblados en la fabricación.

Aunque a menudo se establecen ciertos criterios de diseño antes de modelar la pieza, esta información no se comparte entre modelos. Una vez que todos los modelos de las piezas están completos, se reúnen por primera vez en el ensamblaje. Por ejemplo, el proceso por el cual se creó el Mars Rover Curiosity siguió una estrategia “abajo hacia arriba”.

A menos que las piezas de los componentes se dibujen para permitir cambios y adaptaciones, podrían no cumplir con los requisitos del diseño. Esto puede causar problemas si, por ejemplo, un tornillo dibujado no encaja en el agujero previsto y tiene que ser redibujado.

El modelado de abajo hacia arriba requiere que el diseñador dibuje las piezas individualmente y luego las ensamble.

Modelado de arriba hacia abajo (Top down modelling)

El modelado “de arriba hacia abajo” es un proceso de desarrollo de producto obtenido mediante sistemas CAD 3D, paramétricos y asociados. La característica principal de este método es que el diseño se origina como un concepto y evoluciona gradualmente hasta convertirse en un producto completo compuesto de componentes y subensambles.

El modelado de arriba hacia abajo comienza con los criterios de diseño y crea componentes que cumplen con esos criterios. El diseño, como el de la imagen en la página siguiente, puede ser un diseño 3D creado a partir de una sola pieza, como un ratón de computadora. A partir de esta pieza única, se pueden dibujar en el cuerpo espacios y paredes para baterías, botones, etc., para saber que todo encajará correctamente.

Por lo general, cambiar una parte puede provocar cambios en varias otras piezas que están adyacentes o conectadas a ella, si el diseñador ha configurado el programa para reconocerlas.

El ensamblaje final es una colección de partes interrelacionadas que están diseñadas de forma única para resolver el problema de diseño actual.

La característica principal de este método es que el diseño se origina como un concepto y evoluciona gradualmente hasta convertirse en un producto completo.

La técnica de arriba hacia abajo, aunque un poco más difícil de realizar y que requiere más trabajo al crear el modelo, será mejor para las personas que diseñan productos desde cero.

En la práctica, cualquier ensamblaje necesitará usar ambas técnicas, por lo tanto un modelo “híbrido”, donde todas las partes y componentes diseñados se modelen de arriba hacia abajo y todos los componentes comprados se "inserten" usando la estrategia de abajo hacia arriba.

Humanos digitales son simulaciones por computadora de una variedad de aspectos mecánicos y biológicos del cuerpo humano. Pueden usarse para interactuar con un prototipo virtual. La simulación humana en el diseño de productos permite desarrollar un producto más rápidamente, ya que pueden realizarse más iteraciones de diseño en menos tiempo. Esto resulta en una mayor calidad del producto que satisface los requisitos humanos con mayor precisión. Los prototipos digitales son más baratos de producir que los prototipos físicos. Los productos son más seguros como resultado de un análisis más exhaustivo de los aspectos de seguridad. La productividad mejora gracias a la mayor automatización del proceso de desarrollo.

Los humanos digitales permiten que las plantas de manufactura se desarrollen más rápido y que el flujo de trabajo manual se optimice. Mejoran la seguridad de los trabajadores y reducen los costos de compensación derivados de accidentes. Las máquinas y otros equipos pueden posicionarse para optimizar el tiempo de ciclo y evitar peligros. Los procesos de manufactura pueden diseñarse para eliminar ineficiencias y asegurar una productividad óptima. Pueden usarse para: garantizar que las personas puedan acceder a las piezas y equipos necesarios para ensamblar productos; verificar que los trabajadores puedan usar eficazmente cualquier herramienta manual necesaria para realizar tareas manuales; y comprobar que todas las tareas puedan realizarse de forma segura sin requerir fuerza excesiva o exponer a las personas al riesgo de lesiones.

Los modelos de humanos digitales también pueden usarse para optimizar los lugares de trabajo en lo que respecta a tiempos de proceso, salidas de emergencia y acceso a procesos de manufactura.

Captura de movimiento es el registro del movimiento humano y animal por cualquier medio, por ejemplo, mediante video, dispositivos magnéticos o electromecánicos. Una persona usa un conjunto de marcadores acústicos, inerciales, LED, magnéticos o reflectantes en cada articulación. Los sensores rastrean la posición de los marcadores a medida que la persona se mueve para desarrollar una representación digital del movimiento.

La captura de movimiento ahorra tiempo y crea movimientos más naturales que la animación manual, pero está limitada a movimientos que sean anatómicamente posibles. Algunas aplicaciones, por ejemplo, artes marciales animadas de superhéroes, podrían requerir movimientos adicionales imposibles.

Una sesión de captura de movimiento registra los movimientos del actor, no su apariencia visual. Los movimientos capturados se asignan a un modelo 3D (por ejemplo, humano o robot gigante) creado por un artista digital para mover el modelo de la misma manera. Capturar varios movimientos de usuarios permitirá a los diseñadores crear productos ergonómicos mejor diseñados. La captura de movimiento permite al diseñador comprender los requisitos fisiológicos de los usuarios.

La captura de movimiento puede reducir el costo de la animación, que de otro modo requeriría que el animador dibuje cada fotograma o fotogramas clave que luego se interpolan.

Captura de movimiento es el registro del movimiento humano y animal por cualquier medio, por ejemplo, mediante video, dispositivos magnéticos o electromecánicos.

Tecnología háptica es una tecnología que conecta al usuario mediante el sentido del tacto. La tecnología háptica funciona usando actuadores mecánicos para aplicar fuerzas al usuario. Al simular la física del mundo virtual del usuario, es posible calcular estas fuerzas en tiempo real.

Las nuevas tecnologías en el área de realidad virtual (VR) ahora permiten a los usuarios de computadora usar su sentido del tacto para sentir objetos virtuales. El tacto es un sentido muy poderoso pero hasta ahora ha sido descuidado en la informática.

La tecnología háptica permite al usuario formar parte de una simulación por computadora e interactuar con ella, lo que le permite al diseñador observar el rendimiento del usuario y diseñar un resultado mejor. También se puede usar en situaciones donde es difícil entrenar en un entorno real. La tecnología háptica también se usa en dispositivos de retroalimentación en consolas de entretenimiento en el hogar.

Tecnología háptica es una tecnología que conecta al usuario mediante el sentido del tacto.

Los dispositivos hápticos de última generación (o de retroalimentación de fuerza) permiten a los usuarios sentir y tocar objetos virtuales con un alto grado de realismo. Las propiedades de la superficie de un artefacto pueden modelarse de forma que alguien que use un dispositivo háptico pueda sentirlo como un objeto sólido y tridimensional con diferentes texturas, dureza o suavidad.

Algunos videojuegos comerciales ya se benefician de los primeros dispositivos hápticos, como los volantes de conducción con retroalimentación de fuerza que aplican torque y vibran en caminos con baches. Los científicos usan computadoras para simular no solo el impacto de un palo de golf golpeando la pelota, sino también la elasticidad de un riñón bajo pinzas.

Realidad virtual es la capacidad de simular una situación real en la pantalla e interactuar con ella de una forma casi natural. La VR es generada por computadora y permite al usuario interactuar con datos que dan la apariencia de un entorno tridimensional usando un visor (headset) y otras tecnologías vestibles.

La realidad virtual es la capacidad de simular una situación real en la pantalla e interactuar con ella de una forma casi natural.

Animación es la capacidad de enlazar pantallas gráficas de tal manera que simulen movimiento o un proceso. La animación se puede usar para simular varios contextos de diseño usando humanos digitales para permitir que se prueben diferentes escenarios.

Las empresas manufactureras pueden ver cuán segura será la producción cuando se fabriquen sus productos mediante animaciones por computadora, sin tener que poner en riesgo la seguridad de los trabajadores en ningún momento.

Análisis por elementos finitos (FEA, por sus siglas en inglés) implica el cálculo y la simulación de factores desconocidos en productos utilizando sistemas CAD, por ejemplo, simulando tensiones dentro de una pieza de automóvil soldada. FEA consiste en un modelo por computadora de un material o diseño que se somete a esfuerzo y se analiza para obtener datos específicos. FEA analiza esfuerzos, deformaciones o transferencia de calor en diseños de modelos sólidos de forma irregular. El diseño tridimensional se subdivide en pequeños rectángulos, llamados elementos, sobre los cuales se aplican fórmulas estándar de esfuerzo.

El color rojo generalmente representa un área de preocupación (es decir, mayor calor o mayor esfuerzo). De naranja a amarillo indica bajo esfuerzo. Azul = bajo esfuerzo.

El análisis de fatiga ayuda a los diseñadores a predecir la vida útil de un material o estructura. Este análisis muestra las áreas donde es más probable que ocurra la propagación de grietas.

El análisis de transferencia de calor modela la conductividad o la dinámica de fluidos térmicos del material o estructura. Esto puede predecir la temperatura de la superficie de una nave espacial o el flujo de plástico dentro de un molde.

FEA se ha convertido en una solución para la tarea de predecir fallas debido a tensiones desconocidas al mostrar áreas problemáticas en un material y permitir a los diseñadores ver todas las tensiones teóricas dentro de él. Este método de diseño y prueba de productos es mucho más eficiente en comparación con los costos de fabricación, que se acumularían si cada muestra se construyera y probara realmente.