Metrología y Escaneado 3D en Ingeniería Inversa

Principio Físico de Triangulación Láser

El escáner de triangulación 3D utiliza la luz del láser para examinar el entorno de forma activa. El haz de luz incide en el objeto y, mediante una cámara (sensor CCD/CMOS), se triangula la ubicación del punto del láser. Dependiendo de la distancia a la que el láser golpee una superficie, el punto aparece en lugares diferentes dentro del sensor de la cámara.

Este sistema se denomina triangulación porque el emisor láser, el punto reflejado en el objeto y el centro óptico de la cámara forman un triángulo de geometría conocida. Al conocer la distancia entre el emisor y la cámara (base), así como el ángulo de emisión, se puede calcular la posición tridimensional del punto mediante trigonometría.

Métodos de Medida de Coordenadas 3D

En el contexto de la ingeniería inversa y la digitalización, se emplean principalmente tres métodos:

• Time of Flight (Tiempo de Vuelo): Determina la distancia cronometrando el viaje de ida y vuelta de un pulso de luz. Dado que la velocidad de la luz (c) es constante, la distancia se calcula como d = (c · t) / 2. Posee un gran alcance.
• Triangulación: El haz láser y la cámara forman un triángulo. Es extremadamente preciso para distancias cortas (20-60 cm), siendo el estándar en digitalizadores industriales.
• Diferencia de Fase: Mide el desfase entre la luz emitida y la recibida para estimar la distancia. Su precisión es intermedia y se utiliza frecuentemente en escáneres láser terrestres (TLS).

Simulación y Análisis por Elementos Finitos (FEA/CAE)

Fenómeno de Pandeo (Buckling)

El pandeo es la deformación por inestabilidad elástica de un elemento esbelto cuando se aplica una carga de compresión axial. La variable crítica que estima el software CAE es la Carga Crítica Axial, que representa la carga máxima que puede soportar una columna o viga sin sufrir este fenómeno.

La relación de esbeltez (λ) se define en función de la longitud (L) y el radio de giro (K):

λ = L / K, siendo K =

Donde E es el módulo elástico y A es el área de la sección transversal.

Objetivo del Mallado y Fuentes de Incertidumbre

El objetivo del mallado es discretizar un problema complejo en subdominios más simples (elementos finitos como tetraedros o hexaedros). Los vértices de estos elementos son los nodos, donde se calculan los desplazamientos y, mediante la Ley de Hooke, las tensiones.

• Influencia: Un mallado grueso reduce el coste computacional pero pierde precisión. Un mallado fino mejora los resultados a costa de mayores recursos de hardware.
• Fuentes de Incertidumbre:
  • Simplificación de la geometría (defeaturing).
  • Propiedades de materiales idealizados (isótropos y sin defectos).
  • Cargas idealizadas (puntuales o uniformes) que pueden no ser reales.
  • Restricciones (apoyos y empotramientos) que pueden sobre-rigidizar la estructura.

Tensión de Von Mises

La tensión de Von Mises es una magnitud escalar proporcional a la energía de distorsión. Se utiliza para predecir el fallo en materiales dúctiles. En herramientas CAE, permite comparar el estado tensional multiaxial con el límite elástico del material en un ensayo de tracción simple.

Metodología de Diseño de Producto

Pliego de Especificaciones de Diseño del Producto (EDP)

El EDP es el documento que describe las necesidades generales y particulares de un proyecto. Es el principal entregable de la fase de Desarrollo Proyectual (dentro de la macroestructura metodológica). Incluye:

• Requerimientos Económicos: Referentes a la comercialización, demanda, precio, beneficio, canales de distribución, publicidad y ciclo de vida.
• Funciones y Requisitos: Las funciones son lo que el producto debe hacer; los requisitos son las condiciones para que dichas funciones se cumplan correctamente.

Despliegue de la Función de Calidad (QFD)

El QFD (Quality Function Deployment) busca identificar la «voz del cliente» y transformarla en requisitos técnicos. Esto reduce rediseños y mejora la satisfacción. Otras técnicas de calidad incluyen el Diagrama de Ishikawa y la Ingeniería del Valor.

Análisis del Valor

Método sistemático que consta de seis fases: 1) Preparación, 2) Recogida de información, 3) Análisis funcional, 4) Búsqueda de soluciones, 5) Evaluación y 6) Aplicación.

Geometría Computacional y Modelado CAD

Curvas de Diseño: Interpolación vs. Aproximación

• Curvas de Interpolación: Pasan obligatoriamente por los puntos de control. Ejemplos: Polinomios de Hermite, Lagrange y Splines naturales.
• Curvas de Aproximación: Se ven influenciadas por los puntos de control pero no necesariamente pasan por ellos. Ejemplos: Bézier, B-Splines y NURBS.

Propiedades de las B-Splines

Ofrecen control local de la curva y continuidad (C2, C1 o C0). El grado máximo de una curva definida por n puntos de control es n-1. Para 5 puntos, el grado máximo es 4.

Modelado 3D y Formatos de Gráficos

• CAD 3D vs. 2D: El 3D elimina ambigüedades, permite análisis CAE, facilita la ingeniería concurrente y optimiza la integración con CAM.
• Formatos Raster: Mapas de bits (BMP, TIFF, JPG).
• Formatos Vectoriales: Coordenadas geométricas (DWG, SLDPRT, CDR), que no pierden calidad al escalarse.
• CSG (Geometría Constructiva de Sólidos): Creación de modelos mediante operaciones booleanas (unión, resta, intersección) de primitivas.
• Modelado por Features: Basado en operaciones parametrizadas que permiten captar la intención de diseño.

Visualización y Renderizado

Algoritmos de Sombreado

• Sombreado Gouraud: Interpolación lineal de la iluminación calculada en los vértices. Es rápido pero menos detallado.
• Sombreado Phong: Interpolación de las normales de la superficie en cada píxel. Tiene un mayor coste computacional que Gouraud pero ofrece un realismo superior (especialmente en brillos especulares).

Gestión del Ciclo de Vida y Sostenibilidad

Ciclo de Vida del Producto

Es el periodo desde el lanzamiento hasta la retirada del mercado. El feedback y el retorno de inversión comienzan con las primeras ventas.

Ecodiseño

Integra criterios ambientales para reducir el impacto negativo durante todo el ciclo de vida. Su herramienta fundamental es el Ciclo del Diseño para la Sostenibilidad (CDS).

Historia y Definiciones Clave

• Ivan Sutherland: Padre de la computación gráfica y creador de SketchPad (1963), el primer sistema CAD.
• Ingeniería Concurrente: Enfoque donde el diseño y la fabricación se desarrollan en paralelo para reducir tiempos y costes, a diferencia del método tradicional secuencial.
• Definiciones (CAD/CAE/CAM/CAI):
  • CAD: Diseño asistido para creación y optimización geométrica.
  • CAE: Ingeniería asistida para validación mediante simulación física.
  • CAM: Fabricación asistida para programación de máquinas CNC.
  • CAI: Inspección asistida para comparar el producto real con el modelo digital.