05 mayo 2008

Aplicación práctica de la modelización híbrida en ingeniería inversa

Comenzamos una nueva sección destinada a exponer una tecnología que ha revolucionado el diseño de máquinas y piezas complejas, nos referimos al diseño asistido por ordenador, sus múltiples desarrollos y sus aplicaciones. En este primer artículo exponemos la forma como la modelización híbrida mejora la ingeniería inversa, basándonos en un artículo publicado en la revista machine design, en abril de 2008. La modelización híbrida combina CAD con muestreo y procesado de formas digitales para acelerar la ingeniería inversa y paramétrica de partes complejas. La tecnología “Digital shape sampling and processing” (DSSP) convierte datos scaneados 3D en modelos digitales para diseño, visualización, análisis y fabricación. La combinación de las ventajas del DSSP con características basadas en la modelización proporciona un método híbrido de modelización. Un ejemplo de utilización de esta tecnología sería la fabricación de piezas complejas destinadas a sustituir otras ya existentes y de las cuales no disponemos de información previa. Sería el caso, por ejemplo, de la reparación de un impulsor dañado en una bomba. En este caso, combinando DSSP y CAD se pueden crear modelos paramétricos que pueden ser utilizados para fabricar el impulsor que va a sustituir al original. A continuación describimos el procedimiento a emplear para utilizar esta tecnología en la reconstrucción de una pieza:
  1. Escaneado de piezas originales: Los modelos CAD convencionales están diseñados mediante la definición de una secuencia de características o entidades geométricas 3D y 2D y especificando las dimensiones y características de estas entidades. Los modelos paramétricos nos permiten variar con gran facilidad las piezas que estamos diseñando, lo que nos permite plantearnos útiles experimentos de formas y funciones. En los modelos CAD tradicionales no es fácil reconstruir piezas complejas. Sin embargo, la modelización híbrida hace fácil la modelización a partir de datos 3D obtenidos por scanner, y se mueve fácilmente entre CAD y software DSSP, tomando las ventajas de sus respectivas fortalezas. El primer paso para reconstruir una pieza compleja es escanear la parte existente. Hay muchos equipos disponibles hoy en día para escanear piezas, por ejemplo GOM ATOS II, escáner de luz blanca con dos cámaras. Si la pieza produce una elevada reflectancia, deberá cubrirse con polvo para reducirla. El escáner colecta millones de puntos y genera una nube de puntos, pero hay que tener en cuenta que si la forma es compleja se requerirán unas 20 pasadas de escáner desde diferentes posiciones para obtener una muestra detallada. En la pieza deben colocarse varios puntos de registro para ayudar en la alineación del escáner. Una técnica llamada fotogrametría detecta el punto central del registro desde las imágenes de la cámara. La colecta de puntos visibles vistos desde cualquier posición proporcionan bastante información para alinear las imágenes del escáner entre sí. El escáner capturará del orden de 15 millones de puntos, que serán alineados y fusionados utilizando un software específico, por ejemplo Geomatic Studio, con el que crearemos el modelo poligonal. El software servirá también para limpiar y reparar los datos obtenidos con el escáner, eliminando datos extraños y ruido, dividir los datos en tamaños de archivos más pequeños, rellenar agujeros, y reparar intersecciones. El modelo entero puede repararse en algunos casos, pero en otros sólo se usarán porciones en la reconstrucción paramétrica.
  2. Obtención de curvas y datos: Si volvemos al ejemplo inicial, el modelo poligonal se salvaría como un archivo STL e importaría a software CAD para modelar el eje del impulsor. Los usuarios pueden comenzar detectando el eje central del impulsor, definiendo el perfil del eje extrayendo una curva, y luego generando una superficie de revolución haciendo girar la curva alrededor del eje. El eje se encontraría seleccionando la superficie perimetral del impulsor. Habríamos obtenido un cilindro perfecto y se generaría un eje de referencia estable. Posteriormente se generaría el perfil de la curva que define el eje.
  3. Combinación de superficies de forma libre: En el eje del impulsor, los elementos más complejos en el diseño son los álabes, superficies difíciles de medir o definir con parámetros básicos. Sin embargo, Geomagic puede generar un álabe con gran facilidad usando las funciones Nurbs-surface. La superficie completa se importa en CAD con aspecto IGES o STEP. Una vez diseñado un álabe, puede copiarse alrededor del eje de referencia importado para generar todos los álabes en el eje.
  4. Ajuste y fusión: Siguiendo con el ejemplo, después de posicionar los álabes, se definirán las referencias y curvas adicionales para perfeccionar el contorno a lo largo de las superficies exteriores del impulsor. Para hacer esto, extraer la curva de perfil no aplanada en Geomatic Studio, y usar un barrido de sección variable para generar la superficie y ajustar la superficie exterior de los álabes. Seguidamente se generaría un cilindro para ajustar la superficie exterior al impulsor en su conjunto, se centraría el cilindro en el eje de referencia, y se mediría el cilindro. De esta forma hemos asegurado que el diseño está perfectamente centrado.

Si necesitamos mayor exactitud, podemos usar un programa de inspección asistido por ordenador para comparar el modelo de CAD final con los datos escaneados para verificar la exactitud. El método de modelización híbrida proporciona un control paramétrico completo sobre la forma y el espacio de la pieza. El proceso completo de un análisis de este tipo dura menos de un día. Si comparamos este método con el CAD tradicional, se obtiene una gran reducción de tiempo en el proceso de una copia de un diseño existente. En algunos casos, la modelización híbrida emplea solamente horas para ejecutar un trabajo, en contraposición a días o semanas que son necesarios usando técnicas convencionales.

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