¿Qué es CAD?

El escaneo de Artec 3D captura con suficiente precisión para diseños CAD complejo

El diseño asistido por computadora es una herramienta de iteración de productos tan avanzada y prevalente que se te perdonaría si piensas que se inventó recientemente. Por el contrario, el Dr. Patrick Hanratty sentó sus bases con 'PRONTO', el primer sistema comercial de control numérico, allá por 1957.

Seis años más tarde, Ivan Sutherland llevó las cosas un paso más allá con SketchPad, una máquina innovadora que permitió las primeras interacciones entre humanos y computadoras. Si bien el dispositivo de Sutherland solo admitía elementos básicos como arcos y segmentos de línea, permitía que los diseños mecánicos se dibujaran en pantalla como nunca, lo que lo convertía en un precursor de los futuros sistemas CAD.

Poco después, las empresas comenzaron a lanzar sus propios programas CAD. Con el código suministrado por Hanratty, McDonnell Douglas introdujo un software informático para el diseño y la geometría de las piezas en 1967. Si bien la compañía ha desaparecido desde entonces, fusionándose con Boeing, su plataforma CAD MicroGDS ha demostrado ser tan exitosa que continúa utilizándose en la actualidad.

A lo largo de las décadas, el CAD ha seguido siendo un tema candente de investigación. En 1975, el Dr. Ken Versprille desarrolló NURBS (b-splines racionales no-uniformes) en Computervision, uno de los principales actores de la industria. La función, que ahora es un pilar del modelado 3D, permite la creación de modelos CAD complejos con superficies curvas.

Desde entonces, avances como el modelado paramétrico, comercializado por primera vez por CREO, han cambiado la forma en que se utiliza el CAD, lo que permite ajustar los modelos en función de parámetros preestablecidos. Si es necesario modificar algunas características, por ejemplo, basta con ajustar los parámetros de un modelo en los bocetos iniciales para recalcularlo y remodelarlo por completo.

Más recientemente, la tecnología CAD también ha seguido convergiendo con la impresión 3D y el escaneo 3D, y estas nuevas funcionalidades acercan constantemente las tecnologías.

En términos generales, los diferentes tipos de CAD se pueden dividir en modelado sólido, alámbrico y de superficie. Aunque vale la pena mencionar otros enfoques, la mayoría encajan en estas tres categorías.

El modelado de sólidos es ideal para ensamblar formas primitivas como líneas, arcos, esferas y cubos en modelos complejos, manteniendo un volumen calculable del objeto. Esto permite a los diseñadores validar constantemente los desarrollos y asegurarse de que se pueden fabricar de manera viable.

Por el contrario, el modelado de estructuras alámbricas solo representa las superficies de los bordes y las esquinas de un modelo, lo que permite que se elaboren con mayor sutileza. A nivel técnico, esto se logra representando los modelos como vértices unidos por 'caras', que pueden modificarse para cambiar su posición y crear superficies curvas en el exterior de un objeto.

Los avances en la tecnología CAD continúan eliminando las limitaciones de diseño

Por último, con el modelado de superficies, los usuarios pueden construir modelos a través de una serie de líneas guía o puntos de control. A continuación, se conectan a las superficies de forma mediante plataformas CAD, que calculan la forma más fluida de hacerlo. Como puedes imaginar, el enfoque de superficie fluido y sin fisuras de este método lo hace ideal para el modelado automotriz y aeroespacial, en donde el flujo de aire es clave.

Otros enfoques, como el diseño generativo, amenazan con eliminar por completo el error humano de la ecuación. Los diseñadores ahora pueden encargar a la IA la superación de los problemas de diseño, ya sea que se relacionen con el peso, el costo o el rendimiento, y encontrará una solución. Todo lo que tienen que hacer es introducir los parámetros con los que están trabajando y los algoritmos hacen el resto.

La IA no es la única tecnología avanzada que está causando sensación en el mundo CAD. Con el escaneo 3D, ahora es posible no solo automatizar los pasos de diseño, sino eliminar algunos por completo mediante la digitalización de productos existentes y su uso como base para futuros prototipos físicos.

Así es como encaja el escaneo 3D en el diseño CAD 3D. Pero, ¿qué sucede una vez que has capturado los datos que necesitas? ¿Se pueden empezar a editar escaneos en el software CAD?

Bueno, no inmediatamente. En primer lugar, los escaneos deben transformarse en modelos 3D sólidos, y este flujo de trabajo sigue siendo más fácil gracias a los avances en los programas de «escaneo-a-CAD» que sirven de puente entre la malla y el modelo.

Pasar del escaneo al CAD requiere algunos pasos, pero los resultados hablan por sí solos.

Como gran plataforma en la que iniciar este flujo de trabajo, Artec Studio agiliza la captura y el procesamiento de datos de escaneo, simplificando algunos pasos con un solo clic. Los algoritmos de seguimiento de geometría y textura garantizan que los ingenieros capturen las piezas con gran detalle, mientras que el creciente conjunto de herramientas de operaciones booleanas de la plataforma se puede utilizar para mejorar las mallas, por ejemplo, engrosando las superficies susceptibles de romperse.

Artec Studio te ofrece todo lo necesario para preparar tu malla y llevar a cabo tareas esenciales de ingeniería inversa. En la plataforma, puedes mover y desplazar caras para realizar modificaciones, pulir con herramientas de chaflán y empalme, y crear nuevas formas añadiendo, restando o intersecando primitivas con otros modelos, todo en un solo lugar.

Programas como Geomagic para SOLIDWORKS aceleran el proceso de convertir esta malla altamente pulida en un modelo CAD. Al conectarse directamente a su espacio de trabajo de SOLIDWORKS, el complemento le proporciona las herramientas de extracción de operaciones necesarias para crear modelos sólidos y editables a partir de datos de escaneo. Si deseas arreglar o editar de forma rápida, fácil y precisa un diseño existente en una interfaz familiar, el programa representa un compañero ideal de Artec Studio.

Para la ingeniería inversa intensiva, el software líder Geomagic Design X viene con un conjunto de herramientas de escaneo-a-CAD más completo. Con la superficie exacta, es posible reconstruir formas complejas de forma libre y, a continuación, implementar la función de parcheo de la plataforma para agregar instantáneamente cuerpos de superficie, que siguen de cerca los contornos y las curvas de los objetos.

Geomagic desarrolla algunas de las plataformas de Escaneo-a-CAD líderes en la industria

Cuando se trata de bocetos en 2D y 3D, Design X ofrece la base perfecta para la ingeniería basada en escaneo rápido. El boceto automático se puede utilizar para acelerar la extracción de geometría y configurarse para ajustar automáticamente las formas a las entidades de polilínea, de una manera que cumpla con los parámetros deseados. Otras herramientas, como Loft y Barrido, también facilitan la fusión de secciones en superficies perfectas.

En términos más generales, ahora existe una superposición significativa entre los programas CAD y de escaneo a CAD, con muchas plataformas de diseño tradicionales que integran funcionalidades compatibles con el escaneo 3D. Echemos un vistazo a algunos de los más populares, lo que ofrecen y dónde se utilizan mejor.

Diseño de producto

A pesar de que la iteración es necesaria para garantizar la calidad del producto en una variedad de industrias, muchas de estas aplicaciones comparten un hilo común: la dependencia del CAD. En algunas áreas, los diseños iniciales aún pueden esbozarse a través del bosquejo tradicional, pero los largos y prolongados procesos iterativos de bocetos que alguna vez retrasaron los lanzamientos de productos del pasado se han archivado en gran medida.

El diseño CAD se está imponiendo incluso en la industria automotriz – en donde tradicionalmente abundan los sketch

Más allá de la velocidad de creación de prototipos, la introducción del CAD ha ayudado a superar los problemas relacionados con la mala interpretación y el intercambio de planos a escala. El diseño, digitalización y ubicuidad del CAD también han desbloqueado niveles de automatización y colaboración antes impensables.

La llegada del CAD no sólo ha cambiado la forma en que se diseñan los productos, sino que ha abierto vías completamente nuevas. Antes, obtener una vista previa de un diseño inicial requería que se hiciera una maqueta y se enviara. Ahora, empresas como la firma de muebles de lujo Sherrill Furniture pueden digitalizar muebles con escaneo 3D en minutos, y usar estos datos para crear docenas de artículos CGI de salón para personalizarlos y visualizarlos en 3D cada semana.

Esto ha sido posible gracias a la centelleante velocidad de 35 millones de pts/s del Artec Leo. Con la funcionalidad de hacer clic para escanear y las capacidades de escaneo 3D submilimétrico, el Leo hace que la captura de elementos intrincados y ricos en texturas, como muebles, en salas de exposición abarrotadas sea rápida y fácil, y también desbloquea aplicaciones en otros lugares, como exploraremos a continuación.

Ingeniería

En el CAE es donde el CAD es realmente útil para los ingenieros mecánicos, como un medio para analizar el rendimiento de las piezas mecánicas y los ensamblajes antes de que entren en producción. Al igual que la creación de prototipos de productos, esto evita que los fabricantes tengan que hacer maquetas derrochadoras, ya que pueden simular cómo funcionarán en su lugar.

Sin embargo, la ingeniería requiere un conjunto de herramientas de simulación completamente diferente. Autodesk ha reconocido esto con Inventor: una plataforma que combina los elementos esenciales del diseño manual con herramientas de análisis de esfuerzos estáticos y modales para probar si los productos pueden soportar las cargas establecidas.

Por otra parte, Siemens ofrece el software de dinámica de fluidos computacional (CFD) integrado en CAD Simcenter FLOEFD. Con la simulación CFD, es posible predecir cómo se desarrollarán fluidos como el aire y el agua alrededor de un modelo y, por extensión, cómo se pueden canalizar para hacerlo más aerodinámico. Esto es particularmente importante en áreas como el ciclismo competitivo, donde minimizar la resistencia del aire es clave para terminar primero.

Utilizando datos capturados con el Leo y con el ultra preciso Space Spider de Artec, la firma de simulación británica Vorteq ha llevado este enfoque al siguiente nivel, construyendo la bicicleta de carreras más rápida del mundo. Si bien la velocidad y la portabilidad inalámbrica del Leo aceleraron la captura para el análisis comparativo, fue el gran detalle recogido por el Space Spider, de 0,1 mm de resolución, lo que permitió modelar las fuerzas que atraviesan el cuadro de la bicicleta mediante CFD.

Con otras funcionalidades como el análisis dinámico multicuerpo (para examinar cómo se comportan los cuerpos conectados) que también se abren camino en muchas plataformas, la ingeniería de detalle sigue siendo claramente una de las áreas más interesantes en el diseño CAD.

Automoción

En la industria automotriz, el arte detrás de los diseños de automóviles dibujados a mano sigue muy vivo, solo que el modelado CAD lo ha traído al siglo XXI. El proceso todavía tiende a comenzar con bocetos, pero los ingenieros han comenzado a convertirlos en diseños virtuales dibujándolos digitalmente en plataformas CAD y utilizando los modelos resultantes para crear prototipos de tamaño real para probar.

Muchas empresas de tuning capturan modelos existentes y luego diseñan digitalmente las actualizaciones deseadas

La digitalización de los diseños conceptuales añade precisión al proceso, lo que permite a los usuarios asegurarse de que se ajustan y funcionan según lo previsto. También produce modelos que se pueden introducir en simulaciones para identificar cómo se comportará una pieza o ensamblaje bajo carga. Tanto si se trata de una carga aerodinámica como estructural, los resultados pueden utilizarse para analizar la seguridad y el rendimiento del diseño.

Con el escaneo 3D, ahora es posible realizar ingeniería inversa de dichos modelos a partir de objetos del mundo real con tal velocidad y precisión que se pueden usar para la iteración del producto. En el pasado, el equipo SNAG Racing Rallye ha logrado utilizar el Artec Eva, altamente flexible –una solución probada en el tiempo para digitalizar piezas texturizadas de tamaño medio– para este mismo propósito.

El cambio del modelado en papel al escaneo 3D para diseñar mejoras en los coches de rally les ha permitido aumentar la fuerza, velocidad y maniobrabilidad, al tiempo que han reducido los costes de producción y los plazos de entrega.

Arquitectura

Si bien el CAD se utiliza para diseñar arquitecturas de todas las formas y tamaños, esto generalmente se logra con un software dedicado en lugar de los convencionales. Al igual que en el caso del boceto de productos, la digitalización del diseño de edificios y la gestión de proyectos ha permitido realizar cambios de forma iterativa (en este caso, los solicitados por el cliente), sin que los ingenieros civiles tengan que empezar de nuevo.

Más a menudo llamado modelado de información de construcción (BIM) que CAD, el proceso también permite a los arquitectos obtener una vista previa de cómo se verán los planos de construcción una vez confirmados. Los paquetes de software populares como ArchiCAD incluso permiten a los usuarios generar imágenes fotorrealistas mucho antes de que una pala comience a excavar, para ayudar a los diseñadores de interiores y para comercializar propiedades por adelantado.

El escaneo 3D de largo alcance te permite digitalizar las instalaciones e impulsar la eficiencia in situ

Con tantas partes interesadas en la construcción, BIM también es una herramienta importante para la planificación del sitio. Esencialmente, el modelado BIM tiene siete niveles de colaboración, siendo el primero planos en 2D, y el último en el que estos se convierten en un modelo 3D y se comparten con todos los involucrados. Dado que facilita la planificación y el cálculo de costes eficientes del sitio, este último se considera la vanguardia.

Odontología y medicina

El CAD también está prosperando en el sector dental, aunque se utiliza más a menudo para la fabricación de implantes personalizados que como una herramienta de diseño. La tecnología CAM dental modela los dientes en 3D, ya sea a través de impresiones o escaneos de la boca de los pacientes, y se utiliza como base para producir restauraciones.

Antes de que el CAD/CAM dental se afianzara correctamente en la década de 1980, la creación de coronas, implantes o dentaduras postizas específicas para cada paciente implicaba varios viajes al dentista, después de lo cual se enviaban moldes para su producción. Ahora, los dentistas pueden fabricar internamente, utilizando el escaneo 3D para capturar sonrisas con suficiente precisión para desarrollar implantes dentales que se ajusten perfectamente.

Una de esas prácticas, el Centro de Implantología Dental, ha descubierto una forma de combinar escaneos del Space Spider a todo color y súper precisos con los intraorales, para crear modelos de dientes increíblemente realistas. Esto no solo ha acelerado el proceso de diseño de implantes, sino que ha permitido a los pacientes obtener una vista previa de sus nuevas sonrisas, y las tasas de aprobación de la clínica se han disparado desde entonces.

Como era de esperar, dado lo fácil que es convertir la salida CAD en archivos STL, la impresión 3D también se está convirtiendo en una alternativa popular a la subcontratación, y existe mucho potencial en la combinación de las dos tecnologías para lograr resultados dentales de mayor precisión.

La impresión 3D también está empezando a despegar en el sector sanitario, donde continúan los esfuerzos para integrar el CAD con el formato estándar de datos clínicos 'DICOM'. Se prevé que la adopción de CAD facilitará la personalización de moldes y prótesis, así como impulsará la planificación quirúrgica y el diseño de fármacos a través del modelado biológico.