La ingeniería inversa es un modo eficaz de crear diseños digitales a partir de una pieza física y puede ser una valiosa herramienta de prototipado, junto con tecnologías como el escaneo 3D y la impresión 3D.
Los escáneres miden objetos complejos con mucha rapidez, y pueden acelerar tu proceso de trabajo de diseño de forma considerable cuando hay referencias reales involucradas. Con la capacidad de capturar y modificar formas físicas, puedes diseñar piezas impresas en 3D que encajen perfectamente en productos de todo tipo. Las sujeciones con guía impresas en 3D permiten situar repetidamente un taladro o una sierra, o ensamblar piezas con precisión con algún adhesivo. Crea mascarillas ajustadas y reutilizables para tareas de arenado, pintado o grabados.
En esta guía, describiremos paso a paso el proceso de aplicar la ingeniería inversa para un medidor digital de recambio y explicaremos cómo escanear una pieza para imprimirla en 3D, con consejos para usar las herramientas de ingeniería inversa adecuadas: desde el software CAD hasta las impresoras 3D de resina.
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De lo físico a lo digital: mallas y sólidos
Uno de los mayores desafíos a los que se enfrenta la gente al convertir objetos físicos a un formato digital es una gran incompatibilidad entre dos tipos diferentes de modelos 3D: mallas y sólidos.
Un escáner 3D genera una malla, en vez de un modelo "sólido" constructivo. Para hacer que las mallas sean editables, es necesario aplicarles ingeniería inversa.
Las mallas son el principal producto de todos los escáneres 3D y el formato que en general entienden las impresoras 3D (STL). Una malla representa la superficie de una forma con un gran número de triángulos, conectados por sus lados. Los modelos de malla no contienen información de los objetos más allá de la posición de los triángulos que definen la forma.
Por otro lado, los ingenieros están formados para trabajar con modelos sólidos. Los modelos sólidos contienen información sobre cómo se ha diseñado un objeto, y dicha información está codificada en el modelo como características en una "pila" o "stack" de pasos lógicos. En el CAD de modelos sólidos, es posible cambiar el tamaño de una única característica y que el modelo se actualice para adaptarse al cambio.
Dado que las mallas no contienen información sobre la construcción del objeto, las formas de las que se puede alterar un modelo de malla son limitadas. Sin ir más lejos, el software CAD como SolidWorks y Onshape no puede modificar las mallas directamente. Si necesitas realizar cambios importantes en el diseño subyacente de una pieza escaneada, la malla debe convertirse en un dibujo de CAD sólido. Este proceso es lo que llamamos ingeniería inversa.
Cómo ayuda el escaneo 3D al proceso moderno de desarrollo de productos
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Cómo escanear un objeto para la impresión 3D: El proceso de trabajo de la ingeniería inversa
La ingeniería inversa es importante cuando quieres crear nuevas piezas que hagan referencia a diseños anteriores o que incorporen partes de él, cuando el diseño CAD original no está accesible.
Por ejemplo, puedes crear piezas de recambio que se correspondan con el diseño original de piezas existentes dañadas o usar procesos de ingeniería inversa para integrar superficies complejas de objetos resistentes en sujeciones con guía imprimibles en 3D, que resultan útiles cuando se quiere modificar productos hechos a mano o fabricados en masa.
Con frecuencia, la ingeniería inversa se usa como la base de nuevos diseños que se van a ensamblar con componentes ya existentes. Sin modelar todos los objetos relacionados, puede ser difícil localizar en la fase de CAD todos los posibles problemas que pueden surgir del ensamblaje. Intentar aplicar la ingeniería inversa a las piezas en CAD antes puede desembocar en un costoso proceso de ensayo y error. La impresión 3D permite realizar con rapidez ensayos e iteraciones con diseños de ingeniería inversa en un espacio físico, donde es mucho más fácil reconocer problemas.
Además de los cambios a gran escala en el diseño, es importante ser conscientes de los posibles problemas de ajuste que se pueden producir si hay errores de medición. Si el objeto meta tiene socavados, protuberancias muy finas (relieves que sobresalen de una superficie) o depresiones profundas que son difíciles de escanear, es posible que tengas que especular para rellenar las regiones que faltan en CAD. Ensamblar físicamente un prototipo impreso puede ser un modo rápido de encontrar y resolver posibles conflictos espaciales en tu diseño, sean causados por modificaciones nuevas o por errores de medición procedentes del escaneo.
Para demostrar los pasos básicos de un proceso de trabajo de ingeniería inversa, echaremos un vistazo al proceso de creación de una sujeción con guía de montaje para un medidor digital de recambio que debe encajar en la salida de ventilación del salpicadero de un Volkswagen Golf.
1. Prepara el objeto para el escaneo
Rocía el objeto con un recubrimiento de polvo mate temporal para mejorar la precisión del escaneo. Ten en cuenta que las superficies reflectantes y transparentes no pueden escanearse, y que incluso las superficies que solo son ligeramente brillantes tienden a degradar la calidad del escaneo.
2. Realiza el escaneo 3D del objeto
Usa un escáner 3D de alta precisión para capturar las partes importantes de la pieza. Los escáneres de escritorio de luz estructurada o láser son las herramientas adecuadas para este trabajo, con una precisión de ±100 o más.
Nota: Es posible que necesites orientar y volver a escanear tu objeto varias veces si el objeto tiene rebajes profundos.
3. Refina la malla
Algunos escáneres generan archivos de malla extremadamente grandes, que ralentizarán o paralizarán pasos posteriores. El software de escaneo repara huecos pequeños y simplifica el escaneo, haciendo que los datos sean más manejables en CAD. Intenta reducir el modelo tanto como sea posible sin destruir detalles importantes.
Consejo: Si necesitas un control mayor, Meshmixer es una buena elección para refinar mallas escaneadas.
4. Importa la malla en el software CAD
Importa la malla en un software CAD equipado con herramientas de ingeniería inversa. Geomagic para SolidWorks es una opción potente para editar la superficie de formas orgánicas y complejas. Si vas a aplicar la ingeniería inversa a una pieza con superficies planas más simples, Xtract3D es una alternativa menos cara y más ligera. En este paso, mueve y gira la malla de escaneo para alinearla con los componentes de diseño existentes.
Consejo: Facilita el dibujo girando y alineando el escaneo para que apunte hacia las direcciones de vista ortográfica.
5. Extrae las superficies importantes
Hay tres opciones para extraer la forma del escaneo y crear un modelo sólido editable con las herramientas de CAD: el modelado de superficie semiautomático, el modelado de superficie automático y el redibujado manual.
Modelado de superficie semiautomático
Las superficies curvas complejas son difíciles de dibujar de forma manual, así que puede convenirte usar la opción del modelado de superficie semiautomático. Esta función genera superficies que se ajustan a regiones detectadas del escaneo. Si cambias la sensibilidad de la función de detección de superficies, se encontrarán superficies distintas.
Consejo: Geomagic para SolidWorks detecta superficies en el escaneo que se ajustan a curvas 3D. Usa un "pincel" para añadir o eliminar manualmente zonas en el escaneo de cada región.
Es posible que debas repetir este proceso varias veces con distintos ajustes de sensibilidad para detectar todas tus superficies. A continuación, estas superficies pueden recortarse y unirse para crear un sólido editable.
Usa el modelado de superficies semiautomático para recrear formas curvas si quieres contar con la máxima editabilidad posible más adelante, y cuando sea importante tener precisión en aristas afiladas.
El resultado modelado, después del recorte.
Modelado de superficies automático
El modelado de superficies automático genera un modelo sólido a partir de cualquier escaneo estanco. Puedes usar herramientas de CAD estándar para quitar y añadir elementos a este cuerpo modelado automáticamente, pero será más difícil mover características básicas en el cuerpo del objeto.
Puede que no necesites controlar la colocación de los bordes y aristas. Por ejemplo, si escaneas una parte del cuerpo humano para crear productos ergonómicos personalizado o si quieres crear una sujeción con guía para modificar de forma precisa o repetible un objeto hecho a mano. En estos casos, el modelado de superficies automático es un modo excelente de ahorrar tiempo de modelado.
Nota: Compara los resultados del modelado automático con los del modelado semiautomático: se pierde precisión, sobre todo en torno a los bordes afilados.
Redibujado manual
Para elementos sencillos como protuberancias, orificios y cavidades, suele ser más rápido y más preciso redibujar dichos elementos usando como referencia el modelo escaneado. El software de ingeniería inversa te permite crear planos bocetados que se alinean con las superficies planas del escaneo y extraer secciones transversales de la malla del escaneo, que ayudan a reproducir la forma del objeto original.
6. Integra los nuevos objetos
Cuando el escaneo se haya convertido en un sólido, se puede sustraer a otro cuerpo sólido para crear una sujeción con guía que agarre de forma segura la pieza original.
El diseño del nuevo medidor también toma como referencia las medidas del escaneo, usando curvas extraídas mediante el modelado de superficies semiautomático.
7. Imprime en 3D el nuevo diseño
La sujeción con guía para montaje final impresa en 3D con la Rigid 4000 Resin.
Imprimir la sujeción con guía en una impresora 3D de estereolitografía (SLA) de Formlabs da un alto grado de precisión, comparable al resultado de los escáneres 3D de ingeniería. Formlabs ofrece un amplio abanico de resinas de impresión 3D de ingeniería para diversas aplicaciones.
Cuando estos pasos se hayan completado, la sujeción impresa en 3D está lista para usarla en el montaje del nuevo medidor en la salida de ventilación del fabricante original.
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Aplicaciones que combinan ingeniería inversa e impresión 3D
Con frecuencia, la ingeniería inversa se usa como la base de nuevos diseños que se van a ensamblar con componentes ya existentes. Sin modelar todos los objetos relacionados, puede ser difícil localizar en la fase de CAD todos los posibles problemas que pueden surgir del ensamblaje. Intentar aplicar la ingeniería inversa a las piezas en CAD antes puede desembocar en un costoso proceso de ensayo y error. La impresión 3D permite realizar con rapidez ensayos e iteraciones con diseños de ingeniería inversa en un espacio físico, donde es mucho más fácil reconocer problemas.
Además de los cambios a gran escala en el diseño, es importante ser conscientes de los posibles problemas de ajuste que se pueden producir si hay errores de medición. Si el objeto meta tiene socavados, protuberancias muy finas (relieves que sobresalen de una superficie) o depresiones profundas que son difíciles de escanear, es posible que tengas que especular para rellenar las regiones que faltan en CAD. Ensamblar físicamente un prototipo impreso puede ser un modo rápido de encontrar y resolver posibles conflictos espaciales en tu diseño, sean causados por modificaciones nuevas o por errores de medición procedentes del escaneo.
Ingeniería y fabricación
Este componente de motor había estado fallando para muchos propietarios de coches. Aquí mostramos las iteraciones del rediseño de Dorman.
La impresión 3D ayuda a Dorman a seguir el ritmo de los fabricantes originales de automóviles
Dorman Products es un fabricante de piezas de recambio para automóviles. Los productos que ofrece Dorman abarcan desde llaveros transmisores y componentes básicos del motor a módulos electrónicos complejos y piezas pesadas para camiones. Dorman analiza los fallos de las piezas del fabricante original y aplica la ingeniería inversa al producto, replantando por completo el diseño en algunos casos y mejorándolo.
Diferentes versiones de los colectores de admisión impresos con la Form 3.
Fabricación de piezas de uso final y recambios resistentes al calor para deportes de motor
Andrea Pirazzini, fundador de Help3D, utilizó las impresoras 3D de Formlabs para crear mediante ingeniería inversa un colector de admisión para una moto de cross que pilotó en el campeonato 12 Pollici Italian Cup. El escaneo del motor de cuatro tiempos (dos válvulas), con su chasis y su carburador, le ayudó a medir correctamente el colector y a colocarlo de manera que el carburador no chocase contra el chasis ni el sistema de escape.
El conjunto del cilindro neumático, incluidas las pinzas impresas en 3D que sostienen el inyector de combustible.
Impresión 3D de pinzas para inyectores de combustible en un robot pick and place
El STS Technical Group trabaja con clientes para resolver desafíos técnicos de diseño e ingeniería. Para diseñar una pinza de inyector de combustible para un robot pick and place, utilizaron un escáner 3D láser de Creaform y el software de modelado VX Elements para obtener un escaneo 3D virtual del inyector de combustible que ayudara en el diseño de las pinzas. El escaneo generó una imagen con detalles complejos, en vez de tener que medir tediosamente cada uno de los huecos, cilindros y aberturas del inyector de combustible.
Ergonomía a medida
Cuando un producto se debe sostener con las manos o estar en contacto con el cuerpo humano durante períodos largos de tiempo, el ajuste ergonómico es más importante. Un ajuste que es aceptable para un uso de unos pocos minutos puede volverse incómodo después de muchas horas y una ergonomía incorrecta puede provocar hasta lesiones por esfuerzos repetitivos.
En lo que respecta a la ergonomía y a los productos personalizados, las impresoras 3D y los escáneres son herramientas complementarias. Las impresoras 3D pueden producir componentes individualizados y productos a medida, como órtesis, soportes portátiles para cámaras y gafas, sin necesidad de esfuerzos manuales costosos.
Aplicar la ingeniería inversa a formas orgánicas es sorprendentemente más fácil que hacerlo con piezas mecánicas con tolerancias ajustadas, dadas las herramientas adecuadas. La función "Auto Surface" (Superficie automática) de Geomagic para SolidWorks genera una superficie lisa en CAD a partir de un escaneo (STL) con superficies orgánicas. La creación de superficies automática elimina las superficies con ruido o rugosas, lo que la convierte en una función útil cuando hay que convertir una impresión dental en un producto.
Cuando tengas una superficie que puedas editar con herramientas CAD de modelos sólidos, podrás sustraer o añadir con facilidad elementos que permitan a la pieza interactuar con otros componentes genéricos, como patrones de agujeros roscados, placas de soporte y otras fijaciones.
Prótesis avanzadas más accesibles en PSYONIC
La Ability Hand de PSYONIC es una prótesis de las extremidades superiores que utilizó la impresión 3D para realizar prototipado rápido, fabricar moldes y crear piezas de uso final. El ingeniero mecánico jefe de la empresa, James Austin, nos dijo: "En ocasiones, necesitamos que ciertas piezas sean compatibles con los productos de otras empresas, y aunque es posible comprarlos, como muchas cosas en la industria médica, el coste es desorbitado. Con las piezas pequeñas, tenemos la capacidad de aplicarles ingeniería inversa con facilidad para obtener su forma y después, simplemente las producimos nosotros aquí".
Demostración del producto: Form 4
Descubre cómo la Form 4 puede hacer posibles nuevos niveles de productividad e innovación con su incomparable velocidad, precisión y fiabilidad.
Las herramientas adecuadas para la ingeniería inversa
El primer paso para comenzar a aplicar la ingeniería inversa a piezas es encontrar el escáner 3D que mejor satisfaga tus necesidades. Infórmate sobre qué escáneres 3D complementan la impresión 3D de alta precisión aquí.
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