Impresión 3D: Introducción a los programas CAD


Continuamos con la sección de diseño e impresión 3D, entrando de lleno en los programas CAD con esta introducción al manejo de programas CAD.

En las entradas anterior ya hemos visto los principales tipos de programas para dibujo en 3D, y los principales programas CAD existentes, destacando aquellos Open Source o gratuitos, que serán los que normalmente usaremos en el ámbito Maker.

Como decíamos, por fin nos toca entrar los programas CAD, que es el principal tipo de software 3D que la mayoría usaremos la mayor parte del tiempo para el diseño de piezas (salvo que seas de bellas artes y sepas dibujar esculpir la cabeza de un dragón).

Para ello, vamos a hacer una introducción la filosofía y generalidades de los programas CAD, presentando algunos conceptos y términos habituales en el ámbito.

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Destacar que no vamos a centrarnos en ningún programa CAD en concreto. En primer lugar, porque hay muchos programas CAD, y seguro que encontraréis cientos de tutoriales y documentación sobre cada uno de ellos.

Nosotros no queremos eso. Lo que queremos es coger «culturilla» del mundo 3D y aprender a usar los programas CAD, no UN programa CAD. Y es que, en el fondo, la filosofía y conceptos detrás de todos ellos son los mismos.

Por supuesto, cada programa tendrá sus propias peculiaridades. Pero en la mayoría de los casos el funcionamiento de todos es muy parecido. Si sabes usar un software CAD, pasar a otro ya no es cuestión de «como narices hago esto» si no de «donde está el botón que hace esto que sé que quiero hacer».

Así que, vamos a presentar la filosofía general del software CAD y los términos que nos encontraremos cuando abramos cualquier software CAD. Y luego, que cada cuál que use el que más le guste, tenga disponible, o sepa usar.

Elementos del diseño CAD

Típicamente, en los programas CAD se hace una distinción entre piezas, ensamblajes, y planos. En muchos de ellos se disponen de extensiones de archivo diferentes para cada uno de ellos, aunque no en todos los casos.

A continuación veremos cada uno de estos elementos.

Piezas

La pieza es el componente fundamental de nuestros diseños. Representan la abstracción de un objeto único, y corresponden con una pieza físicamente fabricable.

Por tanto, en general y salvo raras excepciones, constarán de un único volumen conexo. Además, tendrán un material, y propiedades físicas como masa, centro de gravedad, ejes de inercia, etc.

Durante el diseño 3D, una parte muy importante de nuestro tiempo se destinará a dibujar y modificar las piezas. La gran mayoría de las veces partiremos de un dibujo en 2D y lo convertiremos en 3D mediante operaciones sólidas o de superficies. Vamos a verlo un poco más en detalle a continuación.

2D Sketch / Boceto

En los programas CAD la parte 2D del diseño se genera mediante sketchs (bocetos) que realizamos sobre un plano de referencia.

Las entidades que dibujamos mantienen relaciones y restricciones entre ellos. Como, ser horizontales/verticales, paralelos, perpendiculares, concéntricos…

La dimensión de los elementos también tiene consideración de restricción. Por tanto, normalmente los sketch se dibujan «de forma aproximada» sin prestar especial atención al tamaño, y posteriormente se dimensionan mediante restricciones.

Si estáis acostumbrados a programas de dibujo técnico como AutoCAD, donde se dibujan directamente las entidades con su dimensión, quizás os cueste un poco a esta forma de dibujar (tranquilos, nos pasó a todos).

Operaciones en 3D

El siguiente paso es emplear los Skecth 2D para generar sólidos 3D mediante operaciones. Existen muchas operaciones que podemos emplear, aunque veremos en su momento que en realidad no son tantas como parecen en al principio.

Conocer las operaciones disponibles y dominar su uso es clave para emplear un software CAD, y aún más para emplear más de un CAD. Dada su importancia, dedicaremos la próxima entrada exclusivamente a ver las operaciones 3D disponibles en los programas CAD.

Conjuntos y subconjuntos

Una vez que tengamos las piezas lo normal es combinarlas en un conjunto o ensamblaje. Para ello, se emplean restricciones de posición, como coincidencia, contacto, insertar, y muchas otras como eje sobre plano, restricción de leva, helicoidal.

El listado de piezas y la cantidad constituyen la «lista de materiales» (Bill of Materials). Es un elemento importante ya que representa el listado de componentes necesario para fabricar el objeto, está íntimamente relacionado con el presupuesto de la pieza, stocks, vinculaciones con el ERP, etc.

Por otro lado, en muchos casos podemos dejar alguna de las piezas sin restringir totalmente, por lo que conserva algún grado de libertad. Esto permite animar o simular la cinemática del conjunto.

Planos

Finalmente, los programas CAD permiten realizar planos y representaciones 2D de las piezas y conjuntos que creemos. El proceso es muy similar en todos los programas CAD.

En primer lugar, se dispone de herramientas para añadir una vista principal de una pieza o conjunto según alguna orientación. Posteriormente añadimos vistas auxiliares, secciones, cortes, detalles. Y sobre ellas acotamos, ponemos símbolos o anotaciones.

En el campo maker, en general, quizás no resulte una funcionalidad tan empleada. Incluso en el mundo profesional, es una tendencia a desaparecer frente a la fabricación con visualizadores 3D. 

Diseño asociativo paramétrico

Quizás la característica más destacada de los programas CAD es su carácter asociativo y paramétrico. De hecho, en muchas ocasiones nos referimos al software CAD por «dibujo asociativo» o «dibujo paramétrico».

Esto viene a significar que todas las operaciones mantienen una dependencia con las anteriores. De esta forma, si modificamos una operación anterior todas las siguientes se mantienen y reflejan esta modificación.

Lógicamente, para ello, la modificación debe permitir que las operaciones posteriores sigan siendo válidas. Por ejemplo, si hacemos un chaflán en un agujero y, posteriormente, modificamos el agujero, la operación de chaflán se «pierde» y deja de ser válida.

Árbol de operaciones

En prácticamente todos los programas CAD las operaciones se reflejan en orden en un árbol de operaciones.

De esta forma, visualizamos cómodamente los pasos que ha sufrido el diseño y sus dependencias. Así podemos modificar las operaciones, volver a estados anteriores, o incluso desactivar temporalmente una operación.

Variables y parámetros

La otra característica relacionada y habitual en los programas CAD es la posibilidad de definir variables y parámetros en las piezas.

Por ejemplo, en una pieza, en lugar de crear una pieza de lugar 100 mm podemos definir una variable L, y emplear este valor como si fuera un valor numérico.

En cualquier momento, podemos modificar el valor de esta variable y todo el diseño se modificará en consonancia.

Por otro lado, podemos definir relaciones o ecuaciones entre variables. Esto nos permite dar un cierto comportamiento «inteligente» a nuestros diseños, facilita su modificación y favorece la eliminación de errores.

Características adicionales

Además de estas características «tradicionales», la mayoría de los programas CAD han evolucionado para incorporar características más avanzadas que facilitan el diseño de piezas.

Estas características son cada vez más frecuentes (o incluso habituales) CAD por lo que vamos a repasar algunos de estos conceptos para que no os pille «de nuevas» cuando os encontréis con ellos.

Modelado directo

Una de estas características es la capacidad de edición directa, entendido como la posibilidad de modificar una pieza simplemente haciendo click una cara u operación, y arrastrando.

Por ejemplo, tenemos Instant 3d SolidWorks, el modo síncrono en Solid Edge, o Direct 3D en Inventor. Aunque cada software incorpora el modela directo con sus propias particularidades.

Diseño desde el ensamblaje

Una funcionalidad básica de cualquier CAD moderno es la capacidad de crear piezas directamente desde un conjunto. De esta forma se facilita la creación de piezas rápidamente, sobre todo cuando están relacionadas en un montaje.

Estas piezas pueden tanto publicarse como un archivo de pieza normal o, en algunos casos, quedar «embebidas» en el conjunto sin tener archivo propio.

Otra necesidad habitual es la capacidad de crear relaciones entre piezas a través de su montaje en un conjunto. Por ejemplo, podemos proyectar elementos de una pieza sobre otra, para realizar un mecanizado en la posición adecuada para que encaje con otra.

Esto genera dependencias y relaciones entre los ficheros de las piezas por lo cual, aunque es muy útil, siempre hay que prestar atención cuando se usan.

Piezas adaptativas

El concepto de pieza adaptativa hace referencia a una pieza que puede insertarse en un ensamblaje y modificar alguno de sus parámetros. Esta variación del parámetro se realiza sin modificar la pieza original, ni necesidad de crear un fichero independiente.

Como ejemplo de implantaciones en CAD tenemos las piezas adaptativas en Solid Edge o los iParts en Inventor.

Familias de piezas

Relacionado con el anterior y, en cierta forma, totalmente contraria. Las familias de piezas son varios archivos que se generan al variar uno o varios parámetros. En este caso, cada variación genera un fichero «hijo» propio.

Las familias de pieza sirven para generar de forma rápida elementos similares, por ejemplo, en los que varían una longitud nominal.

Además, permiten realizar el mantenimiento de estas piezas de forma más sencilla. Para realizar una modificación únicamente modificamos el fichero «padre», y según el CAD, o bien volvemos a generar las hijas o estas se actualizan automáticamente.

Como ejemplo de implementaciones, en Solid Edge se denominan Familia de pieza, o en Inventor corresponden con iAssemblies.

Operaciones asociadas

Otra funcionalidad habitual es la posibilidad de que una pieza realice operaciones sobre otras. Por ejemplo, resulta útil para piezas como insertos que requieren un mecanizado para su montaje, o para evitar repetir mecanizados que realizamos frecuentemente.

Por ejemplo, tenemos las Library features en Solid Works o las iFeatures Inventor.

Multicuerpo/Multipieza

Una característica cada vez más habitual es el diseño multicuerpo o multipieza. Consiste disponer de varios volúmenes independientes dentro de un mismo fichero de pieza.

Esto permite dibujarlos rápidamente, empleando las operaciones de pieza disponible. Posteriormente, los objetos mutipieza se publican, y se genera un fichero de pieza por cada cuerpo, y un fichero de ensamblaje que los monta según la disposición original.

El diseño muticuerpo representa una mejora de velocidad en el caso de montajes con un gran número de piezas con una gran relación entre ellas. Por ejemplo, en estructuras de perfiles soldados.

Conclusión

En esta entrada hemos visto algunos de los fundamentos del diseño CAD. Conocer estos conceptos nos permitirá manejar uno o varios CAD de forma sencilla.

Hemos visto las principales características tradicionales de los programas CAD, como el significado de diseño asociativo y paramétrico, o el flujo de trabajo sketch 2D, operación 3D, pieza, ensamblaje.

Además, hemos repasado algunas funcionalidades y términos habituales en muchos programas CAD, como el diseño directo, el diseño desde el ensamblaje, o los trabajo con multicuerpos.

En la próxima entrada veremos en profundidad las operaciones 3D disponibles en diseño sólido, y que encontraremos en los programas CAD. ¡Hasta pronto!

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