sábado, 16 de junio de 2012

SISTEMAS CAD CAM -- DISEÑO ASISTIDO Parte 1





DISEÑO DE JOYAS POR COMPUTADOR



Tradicionalmente, el diseño de piezas de joyería requería del trabajo de modelistas calificados que con herramientas artesanales y muchas horas de trabajo, materializaban sus ideas en cera, metal u otro material.

Actualmente la dinámica de la joyería en particular requiere una respuesta más rápida, mayor variedad, calidad superior y menores costos.

El diseño y la fabricación asistida por computadora (sistemas CAD/CAM) es una solución a eso. 
La aplicación de este procedimiento al desarrollo de modelos, prototipos y piezas únicas, es ideal en relación con los sistemas tradicionales, por la facilidad para realizar ejemplares complejos y variaciones, e inclusive rediseñar una pieza partiendo de un modelo anterior.

 



Para la producción o fabricación en serie, las ventajas aportadas por los medios digitales parecen comprenderse más claramente: 
la facilidad de realizar a partir de un modelo base toda una gama de tamaños o una línea completa de productos ahorrando muchisimo tiempo.

Sin embargo, también debemos considerar a estas aportaciones tecnológicas como “herramientas complementarias” que colaboran a lo largo de todo el
proceso. Inclusive, nos ayudan a ampliar las fronteras creativas mediante la experimentación digital. 





Los sistemas digitales no son una amenaza sino un aliado, ellos no pueden reemplazar nuestro proceso creativo, pero si pueden liberarnos de mucho stress si los  aceptamos e integramos a nuestra profesión, en resumidas cuentas, si somos capaces de integrar tecnología y tradición.

Cabe mencionar también que la aplicación de tecnologías CAD/CAM está presente en otros ámbitos relacionados con el mundo de la Moda como la Indumentaria, el Textil y el Calzado, entonces porque no implementarlo en la orfebreria.

Para finalizar, introduciremos algunos conceptos de especial interés de cara a “lo que vendrá”… como el “Mass Customization” (el cliente “coopera” en el proceso de diseño).




INTRODUCCIÓN


ESQUEMA DE PROCEDIMIENTO CAD/CAM


Si analizamos el proceso de creación y fabricación por medios digitales de una pieza de joyería encontraremos sistemas de diseño asistido y fabricación asistida (CAD/CAM) en las distintas fases de su desarrollo.
Esquemáticamente podemos decir que las etapas son:

1. Escanear piezas, originales, objetos.




2. 
2.1   Diseñar un modelo tridimensional mediante un    programa CAD.  
2.2   Convertir el modelo al formato estándar STL.




3. 
3.1   Impresión 3D del prototipo:
3.2   Seccionar el modelo digital 3D, en finas láminas                             transversales bidimensionales.
3.3   Reconstruir el modelo sólido, acumulando capas de material una sobre otra.
3.4  Mecanizado de la pieza.





4. Limpiar el modelo final.
5. Fundir la pieza en metal por microfusión.
Para entender estas etapas, necesitamos conocer cada uno de los conceptos involucrados y así, finalmente, podremos explicar y comprender detalladamente el procedimiento.
En este apartado, a titulo introductorio, sólo haremos una breve referencia a cada etapa.




1.
Escanear piezas, originales, objetos.

Este paso -opcional- sirve tanto para realizar un proceso de ingeniería inversa, como etapa exploratoria de formas a partir de la cual se trabajará posteriormente en el sistema de modelado, para control de calidad o bien para obtener una réplica directa del objeto.


 


2.
Diseñar un modelo mediante un programa CAD 3D
Los demostrados beneficios del diseño asistido  incluyen un aumento considerable en la productividad, reducen el tiempo de realización (diseño + dibujos + correcciones), mejoran la creatividad al disponer de más tiempo para explorar y permiten visualizar los prototipos antes
de fabricarlos.

Convertir el modelo al formato estándar STL
Desde el programa CAD que se esté usando, se genera un archivo en formato STL para poderlo enviar a las máquinas de prototipado o CNC.





3. 
Impresión 3D o sistema mecanizado de fresas

Con el software especializado que se emplee, se prepara el diseño digital STL seccionándolo en capas 2D, para posteriormente reconstruirlo mediante una impresora
tridimensional aditiva.

El resultado es una pieza en cera idéntica a la diseñada originalmente. Este resultado podrá incorporase a un proceso normal de microfusión para realizar la pieza final en metal, o el máster para la elaboración del molde.

En caso de realizarse la pieza mediante Mecanizado, se utilizará maquinaria sustractiva como una fresadora o una CNC.

  



Ingenieria inversa por medio de un escaner 3D

Introducción

La mayoría de las referencias sobre sistemas CAD/CAM hacen mención a la creación de modelos por computadora para luego convertirlos en un objeto físico real. 
Pero a veces, el objeto ya existe y lo que se necesita es el modelo digital de éste… Justamente, el proceso
inverso!
Por tanto, podemos decir que la I.I. es el proceso de creación de un conjunto descriptivo de datos a partir de un objeto físico.
Puede ser porque no existe modelo informático previo del objeto y se lo necesita para integrar en un sistema mayor, o porque se lo necesita reproducir con algún cambio.





Aplicación

En cualquier aplicación de ingeniería inversa hay dos partes: el escaneo y la manipulación de datos.

El Proceso

El proceso de I.I. se inicia con la lectura del scanner (digitalización) que recopila numerosos
datos que son los puntos de la superficie del objeto en términos de coordenadas x, y, z.

A cada punto x, y, z del conjunto de datos le corresponde una coordenada en la superficie del objeto original.

Finalmente, este conjunto de datos que se obtiene de la digitalización es una descripción del objeto físico en un espacio tridimensional llamado nube de puntos.





Sin embargo, algunos scanner, como los que se basan en las Rayos X, permiten “ver” dentro de un objeto. En ese caso, la nube de punto también define ubicaciones interiores del objeto y permite describir su densidad.

Los programas de I.I. contienen una serie de rutinas para hallar y remover aquellos puntos leídos innecesarios, por ejemplo, filtrar aquellos que están en áreas de  solapamiento. 
(Observación: Las zonas donde se realiza la mejor captura son aquellas cuya normal resulta perpendicular al operador del scanner.)

El próximo paso consiste en unir con una línea recta los puntos que quedaron luego de depurar la “nube”, formando así una malla a base de triángulos que resulta de más fácil manipular, además de ser el método de triangulación el estándar de los sistemas de modelado 3D. 





Este proceso tiene su dificultad, ya que puede requerir probar distintas configuraciones de mallado o, inclusive, la necesidad de re-escanear a una densidad diferente.


Posteriormente,  la edición de estos polígonos es fundamental para mejorar la calidad de la forma escaneada. Los mejores sistemas son los que permiten al operador trabajar las superficies de manera global o local, reparar “agujeros” en zonas que el escáner ha perdido datos o unir varias partes independientes.
El modelo obtenido es luego “suavizado” (smooth, turn the polygon into a smooth surface), reduciendo así el tamaño del archivo, y puede ser post-procesado en un sistema CAD o bien enviado directamente a una maquina de Rapid Prototyping (RP).





Si la finalidad de la información escaneada es crear un RP, el proceso puede finalizar aquí, exportando el modelo poligonal en formato STL (formato estándar utilizado por las maquinas de RP)

Si la finalidad de la información escaneada es utilizarla en un sistema CAD, entonces la superficie poligonal debe ser convertida a superficie paramétrica NURBS (non uniform rational B-splines) y ajustada hasta coincidir con la forma original. 
Finalmente, puede ser exportada a un sistema CAD como superficie o como sólido.



Los requerimientos

Existen varias tecnologías diferentes para recopilar datos tridimensionales, scanner mecánicos y lentos, o láser y altamente automatizados. 
Cada tecnología tiene sus ventajas y desventajas, sus
aplicaciones y especificaciones. 
Hace años este proceso solía ser lento y costoso, pero los avances tecnológicos han permitido que resulte cada vez más veloz y asequible.

Actualmente, un scanner puede capturar millones de puntos en segundos con la ayuda de cámaras fotográficas. Por ejemplo, un “Computed Tomography Scanner” puede producir secciones precisas de partes internas que los scanner láser o de luz blanca no pueden alcanzar.





Básicamente lo que se necesita para convertir un modelo físico en virtual es: 
scanner + software de conversión de datos escaneados + estación de trabajo (computadora) para ejecutar el software que gestiona al scanner + entrenamiento personal.
Con referencia al software de I.I. se los puede clasificar en:
Add-in: 
Son suplementos al programa CAD.
Built-in:
Vienen integrado en el sistema CAD. 
Resultan más económicos y sencillo de aprender para
el operador. 
Pero están limitados a un único programa CAD específico y también así a las limitaciones en lo que al manejo de puntos tenga dicho sistema.

Stand-alone: 
son programas independientes del sistema CAD, gralmente viene con el propio scanner.

Fin primera parte






Fernando Gatto
Kaia Joyas Uruguay

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