Principios de Diseño e Ingeniería: Triangulación Láser, Análisis FEA, CAD y Más

Principio Físico de Triangulación Láser en Escáneres 3D

Los escáneres de triangulación 3D utilizan la luz láser para examinar el entorno. El haz de luz incide en el objeto y, mediante una cámara, se triangula la ubicación del punto del láser. La posición del punto en el sensor de la cámara varía según la distancia a la que el láser golpea la superficie.

Fenómeno de Pandeo en Análisis FEA

El pandeo es la deformación de un elemento esbelto sometido a compresión. El software CAE suele estimar la carga crítica axial, que es la carga máxima que una columna o viga puede soportar sin pandearse.

λ: esbeltez E: módulo elástico A: área; λ=L/K siendo K=

Pliego de Especificaciones de Diseño del Producto (EDP)

El EDP describe las necesidades generales y particulares de un proyecto de diseño. Es el principal entregable de la fase de desarrollo proyectual en la macroestructura metodológica de diseño de un producto.

Sistemas de Prototipado Rápido

Estos sistemas permiten obtener objetos físicos directamente a partir de datos CAD 3D de forma rápida y precisa. Algunas tecnologías incluyen:

• Estereolitografía (SLA)
• Sinterizado selectivo por láser (SLS)
• Impresoras 3D

Requerimientos Económicos en el EDP

Estos requerimientos se refieren a la comercialización, distribución y demanda del producto. Incluyen aspectos como:

• Demanda/oferta
• Precio/beneficio
• Canales de distribución
• Envase/presentación
• Publicidad
• Competencia

Propiedades de las Curvas B-Splines

• Pasan por el primer y último vértice.
• Tangentes al polígono de control en el punto inicial y final.
• Control local de la curva.
• Continuidad C2, C1 o C0 según la multiplicidad de los puntos de control.

El máximo grado de una curva B-spline con 5 puntos de control es 4 (n-1).

Geometría Computacional y Aplicaciones CAD

La geometría computacional diseña y analiza algoritmos para resolver problemas geométricos. Se utiliza en CAD para operaciones con matrices de transformación, visualización 3D, proyecciones, etc.

Ciclo de Vida de un Producto

El ciclo de vida abarca desde el lanzamiento del producto hasta su retirada del mercado. Las fases son:

Ramas de la Visión por Ordenador

• Creación de la imagen (CAD, animación)
• Procesamiento de la imagen (reconocimiento de patrones, realce de imagen)

El CAD se incluye en la rama de creación de imágenes.

Formatos Raster y Vectorial

Raster (BMP, TIFF, JPG): imágenes representadas como mapas de bits (píxeles).

Vectorial (DWG, SLDPRT, CDR): imágenes que almacenan coordenadas y características geométricas, manteniendo la calidad al ampliar o modificar.

Optimización Topológica en CAD

Reduce los recursos de un modelo sin alterar sus propiedades. Objetivos:

• Mejorar la relación rigidez/peso.
• Minimizar la masa.
• Limitar el desplazamiento máximo.

Fases de Desarrollo de un Producto

• Planteamiento del problema: investigación, análisis de la competencia, bocetos.
• Desarrollo proyectual: análisis de restricciones, soluciones alternativas, diseño detallado, proyecto final (incluye el EDP).
• Producción, fabricación y venta: adecuación para la venta, plan de ventas, mejoras.

Objetivo del Mallado en Análisis CAE

Divide el problema complejo en problemas más simples mediante el mallado. La precisión de los resultados depende de la densidad del mallado.

Fuentes de Incertidumbre en Análisis CAE

• Construcción del modelo sólido y simplificación.
• Propiedades de los materiales.
• Cargas o solicitaciones.
• Restricciones.

Curvas de Interpolación vs. Aproximación

Interpolación: pasan por los puntos de control (Hermite, Lagrange, Splines).

Aproximación: no necesariamente pasan por los puntos de control (regresión polinomial, B-Splines, Bézier, NURBS).

QFD (Despliegue de la Función de Calidad)

Identifica las expectativas del cliente y las convierte en requisitos del producto. Reduce el tiempo de respuesta y el rediseño.

Otras técnicas de calidad: diagrama Ishikawa, ingeniería del valor.

Sombreado Phong vs. Gouraud

Phong: interpolación lineal de las normales para calcular la luminancia en cada píxel (mayor coste computacional).

Gouraud: interpolación lineal a partir de los vértices de cada faceta (menor coste computacional).

Tensión de Von Mises

Magnitud física que describe el estado tensional. Se utiliza en CAE para analizar la resistencia de piezas o estructuras.

Métodos de Medida 3D en Ingeniería Inversa

• Time of flight: mide la distancia cronometrando el tiempo de viaje de un pulso de luz.
• Triangulación: utiliza un láser y una cámara para triangular la ubicación del punto del láser.
• Diferencia de fase: mide la diferencia de fase entre la luz emitida y recibida para estimar la distancia.

Fases de un Análisis CAE

1. Construcción del modelo sólido (CAD).
2. Exportación de la geometría CAD.
3. Importación y construcción del modelo matemático en CAE.
4. Construcción del modelo de elementos finitos (mallado).
5. Ejecución del análisis (solver).
6. Análisis de los resultados (post-proceso).

Curvas de Interpolación

• Hermite: polinomios entre dos puntos de control, considerando la tangencia.
• Lagrange: polinomio de grado n-1, considerando la multiplicidad de los puntos.
• Splines: curvas suaves con continuidad y suavidad en todos los puntos.

Realidad Virtual

Permite percibir un entorno virtual como si fuera real. Herramientas:

• Casco HMD
• Guantes
• Trackers

Ventajas del CAD 3D vs. 2D

• Diseños geométricos más precisos.
• Desarrollo del pensamiento conceptual.
• Análisis CAE para verificar características y detectar errores.
• Idóneo para la ingeniería concurrente.
• Mayor eficiencia en el diseño.
• Integración con PDM y CAM.

CAD, CAE, CAM y CAI

• CAD: software para crear, modificar, analizar y optimizar geometría y diseño.
• CAE: herramientas para validar y analizar modelos CAD.
• CAM: herramientas para simular y analizar procesos de fabricación.
• CAI: tecnología para reconstruir productos reales en CAD 3D.

Metodología de Diseño: Análisis del Valor

1. Preparación y orientación.
2. Recogida de información.
3. Análisis funcional.
4. Búsqueda de ideas y soluciones alternativas.
5. Evaluación.
6. Aplicación.

Diseño Industrial

Actividad creativa que establece las cualidades de objetos, procesos y servicios durante sus ciclos de vida.

Funciones vs. Requisitos de un Producto

Funciones: operaciones que el producto debe realizar.

Requisitos: condiciones que el producto debe cumplir para realizar sus funciones.

Tipos de Diseño Industrial

• Conceptual: plantea configuraciones posibles.
• Preliminar: desarrolla técnicamente las soluciones (incluye el boceto del producto).
• Detallado: desarrolla la configuración definitiva hasta el mínimo detalle (incluye el proyecto final).

Ingeniería Concurrente vs. Diseño Tradicional

La ingeniería concurrente mejora la comunicación entre los participantes en el proceso de desarrollo del producto. El diseño tradicional es secuencial, lo que puede llevar a rediseños y retrasos.

Ivan Sutherland y el CAD

Pionero del CAD, creador del primer sistema CAD llamado SketchPad.

Geometría Constructiva de Sólidos (CSG)

Combina piezas geométricas primitivas con operaciones booleanas para generar sólidos complejos.

Modelado de Sólidos mediante Features en CAD 3D

Define los modelos sólidos por atributos de cada característica y operación. Permite la parametrización y la creación de familias de productos.

Importancia del Diseño de Nuevos Productos

Es crucial para la supervivencia de las empresas. Permite la innovación, la reducción de costes y la mejora de la competitividad.

Ecodiseño

Incorpora aspectos medioambientales en el diseño de productos para reducir su impacto ambiental. La herramienta básica es el Ciclo del Diseño para la Sostenibilidad (CDS).

Características de las Curvas Bézier

• Pasan por el primer y último punto.
• Tangentes de entrada y salida determinadas por los dos primeros y dos últimos puntos.
• Control global de la curva.

Sombreado Gouraud

Da sensación de volumen a las caras de los objetos con una carga computacional menor que otros métodos.