Análisis de elementos finitos

“El análisis de elementos finitos requiere el cálculo y simulación de factores desconocidos en productos que usan sistemas de diseño asistido por computador, por ejemplo, simulaciones de tensiones en una pieza soldada de un vehículo.”(1)

El análisis de elementos finitos (FEA) implica el cálculo y simulación de factores desconocidos en productos que utilizan sistemas CAD, por ejemplo, simulando tensiones dentro de una pieza de automóvil soldada. FEA consiste en un modelo de ordenador de un material o diseño que se analiza para obtener datos específicos. FEA analiza el estrés, la tensión o la transferencia de calor en diseños de modelos sólidos de forma irregular. El diseño tridimensional se subdivide en pequeños rectángulos, llamados elementos, sobre los cuales se aplican las fórmulas de tensión estándar.

El rojo representa normalmente un área de preocupación (es decir, mayor calor o más estrés). Del naranja al amarillo va bajando el estrés. El azul es igual a bajo estrés.

Análisis de diseño de silla mediante FEA

El análisis de fatiga ayuda a los diseñadores a predecir la vida de un material o estructura. Este análisis muestra las áreas donde es más probable que ocurra la propagación de grietas.

El análisis de transferencia de calor modela la conductividad o la dinámica del fluido térmico del material o estructura. Esto puede predecir la temperatura de la superficie en una nave espacial o el flujo de plástico en un molde.

FEA se ha convertido en una solución para la tarea de predecir fallas debido a tensiones desconocidas al mostrar áreas problemáticas en un material y permitir a los diseñadores ver todas las tensiones teóricas dentro de ellas. Este método de diseño y prueba del producto es mucho más eficiente en comparación con los costos de fabricación, que se acumularían si cada muestra se construyera y probara.

 

 

Humanos digitales: captura del movimiento, tecnología táctil, realidad virtual y animación

Humanos digitales

“Los humanos digitales son simulaciones por computador de varios aspectos mecánicos y biológicos del cuerpo humano. Se pueden usar para interactuar con un prototipo virtual. La simulación humana en el diseño de productos permite desarrollar un producto más rápidamente, ya que puede haber más iteraciones de diseño en menos tiempo. Así, se consigue un producto de mayor calidad que cumple los requisitos del usuario con mayor precisión. Los prototipos digitales son más baratos de generar que los prototipos físicos. Los productos son más seguros debido a un análisis más exhaustivo de los aspectos de seguridad. Una mayor productividad tiene como consecuencia una mejora en la automatización del proceso de desarrollo.

Los humanos digitales permiten que las plantas de fabricación se desarrollen más rápidamente y que el flujo de trabajo se optimice. Aumentan la seguridad en el trabajo y reducen los costos de indemnización derivados de los accidentes. Se puede disponer de máquinas y otros equipos para optimizar el tiempo del ciclo y evitar riesgos. Con el fin de eliminar ineficiencias y garantizar una productividad óptima se pueden diseñar procesos de fabricación. Estos procesos se pueden usar para asegurarse de que las personas pueden acceder a las piezas y equipamiento necesarios para ensamblar productos, para comprobar que los trabajadores pueden usar eficazmente cualquier herramienta en sus tareas manuales y para verificar que todas las tareas se pueden realizar en un entorno seguro sin la necesidad de emplear una fuerza excesiva o exponer a las personas a un riesgo de lesión.

El uso de humanos digitales permite a los diseñadores garantizar espacio suficiente para realizar tareas de mantenimiento, por ejemplo, espacio para las manos, brazos y herramientas, así como para instalar y quitar piezas. Los diseñadores pueden comprobar que los técnicos ven lo que están haciendo cuando realizan tareas específicas de mantenimiento y que pueden usar las herramientas manuales necesarias. Los humanos digitales permiten capacitar a personas que se encuentran en distintas ubicaciones sin la necesidad de contar con los prototipos físicos o equipos reales, reduciendo de esa manera el costo en capacitación de personal para la fabricación y el mantenimiento.”(1)

Los humanos digitales se pueden desarrollar y usar de muchas formas para interactuar con los productos.

Artículo de Siemens sobre humanos virtuales.

ACTIVIDAD:

Discute cómo los humanos digitales pueden mejorar la investigación de factores humanos.

Los seres humanos digitales se pueden usar para representar la resistencia de las articulaciones, la incomodidad y los campos visuales. Se pueden usar, por ejemplo, para medir el impacto de la ropa en el desempeño humano, como trajes especiales para bomberos.

Captura de movimiento

“La captura de movimiento es la grabación del movimiento humano y animal por cualquier medio, por ejemplo, a través de dispositivos de vídeo, magnéticos o electromecánicos. Una persona lleva puestos en cada articulación un conjunto de marcadores acústicos, inerciales, LED, magnéticos o reflectantes. Los sensores trazan la posición de los marcadores a medida que la persona se mueve para desarrollar una representación digital del movimiento.

La captura del movimiento puede reducir el costo de la animación, que de otra manera requeriría que el animador dibujara cada cuadro (fotograma) o cuadros clave que posteriormente habría que interpolar. La captura de movimiento ahorra tiempo y crea movimientos más naturales que la animación manual, pero se limita a los movimientos que son anatómicamente posibles. Algunas aplicaciones, como las artes marciales de superhéroes animados, requerirían movimientos adicionales imposibles.

Una sesión de captura de movimiento registra el movimiento del actor, no su aspecto visual. Los movimientos capturados se trasladan a un modelo en 3D (por ejemplo, un robot gigante o humano) creado por un artista informático, para mover el modelo de la misma forma. Capturar los movimientos de los usuarios permitirá a los profesionales diseñar productos más ergonómicos. La captura de movimiento permite al diseñador comprender los requisitos fisiológicos de los usuarios.”(1)

Tecnología táctil

“La tecnología táctil permite que el usuario interactúe mediante el sentido del tacto. También conocida como tecnología de respuesta de fuerza, la tecnología táctil funciona mediante activadores mecánicos que aplican fuerzas al usuario. Al simular la física del mundo virtual del usuario, es posible calcular estas fuerzas en tiempo real. La tecnología táctil permite al usuario formar parte de una simulación informática y actuar con ella, permitiendo que el diseñador observe el desempeño del usuario y obtenga un mejor resultado en el diseño. También se puede usar en situaciones en las que sea difícil impartir capacitación en el entorno real. La tecnología táctil también se usa en dispositivos de respuesta que se emplean en las videoconsolas domésticas.“(1)

La tecnología táctil es una tecnología que interconecta al usuario a través del sentido del tacto. La tecnología táctil (o háptica) funciona mediante el uso de transmisores mecánicos (actuadores) para aplicar fuerzas al usuario. Al simular la física del mundo virtual del usuario, es posible calcular estas fuerzas en tiempo real.

Las nuevas tecnologías en tecnología táctil del área de realidad virtual (VR) ahora permiten a los usuarios de ordenadores usar su sentido del tacto para sentir objetos virtuales. El tacto es un sentido muy poderoso, pero hasta ahora se ha descuidado en la informática.

Los dispositivos táctiles (o de retroalimentación forzada) de última generación permiten a los usuarios sentir y tocar objetos virtuales con un alto grado de realismo. Las propiedades de la superficie de un artefacto pueden modelarse de modo que alguien que use un dispositivo táctil pueda sentirlo como un objeto sólido tridimensional con diferentes texturas, dureza o suavidad. Algunos juegos de ordenador ya se benefician de los primeros dispositivos táctiles, como los volantes de respuesta de fuerza que se activan y vibran en las carreteras llenas de baches. Los científicos usan los ordenadores para simular no solo el impacto de un palo de golf golpeando la pelota, sino también la elasticidad de un riñón debajo de las pinzas.

Hay muchas oportunidades potenciales para la tecnología táctil:

  • Entretenimiento: hay posibilidades extremadamente emocionantes en el campo de los juegos y el entretenimiento. El desafío será bajar esta tecnología a un precio razonable, junto con una interfaz de usuario comprensible y dinámica.
  • Robots: la tecnología táctil podría ayudar enormemente a las personas con problemas de control motor o personas mayores que han perdido o degradado sus funciones.
  • Hápticas que puedes vestir: con los ajustes de movimiento (cinéticos) de la Google Glass, parece que estamos entrando en toda una era de sensores corporales portátiles y redes de ordenadores. Dispositivos como estos podrían modificarse para crear un paradigma completamente nuevo de interacción entre humanos y ordenadores, brindando orientación para personas ciegas, información y ayuda para personas con necesidades especiales, o incluso interacción adicional mientras se realizan otras tareas: cocinar, conducir, en una reunión. etc.
  • Pantallas táctiles: nuestras pantallas táctiles ahora ofrecen vibraciones y sonido, pero ¿qué hay de ir más allá de eso a una experiencia de pantalla táctil que nos permite acercarnos y “sentir” imágenes en una pantalla, o un teclado de pantalla táctil que hace que se sienta como si estuviéramos escribiendo en teclas reales levantadas?

Realidad Virtual

“La realidad virtual es la capacidad de simular una situación real en la pantalla e interactuar con ella de forma casi natural.”(1)

Algunas empresas automovilísticas, como Seat o Ford, utilizan la realidad virtual para probar y analizar las cabinas de sus vehículos. Las unidades de VR utilizan dispositivos táctiles, además, para proporcionar una sensación real del espacio.

La realidad virtual les proporciona información valiosa a los ingenieros con respecto al diseño y la asignación de controles. Proporciona información sobre la ergonomía del interior y sobre los aspectos de visión del automóvil, lo que se puede ver alrededor y fuera de la cabina.

Animación:

“La animación es la capacidad de enlazar pantallas gráficas entre sí de forma que simulen movimiento o procesamiento.”(1) La animación se puede utilizar para simular varios contextos de diseño utilizando seres humanos digitales para permitir que se prueben diferentes escenarios.

Referencias:

(1) Material de ayuda al profesor de Tecnología del Diseño (ibo.org)

Bibliografía:

https://www.ruthtrumpold.id.au/destech/?page_id=593 (Consultado el 08-04-2019)

Peter and Roger Metcalfe, Design and Technology 2nd Edition, 2015 IBID Press

http://www.nodocast.com/industria-4-0/ (Consultado el 08-04-2019)

 

Modelado ascendente y descendente

La mayoría de los modelados de ensamblaje combinan las estrategias de diseño ascendente y descendente. Se puede conocer parte de los requisitos y utilizarse algunos componentes estándar, pero los nuevos diseños siempre se deben crear de modo que cumplan los objetivos específicos del proyecto.“(1)

“Cuando se diseña usando una estrategia ascendente, el diseñador crea una pieza geométricamente independiente del ensamblaje o de cualquier otro componente. Aunque algunos criterios de diseño se suelen definir antes de modelar la pieza, esta información no se comparte entre modelos. Una vez que se terminan todos los modelos de piezas, se unen por primera vez en el ensamblaje. Por ejemplo, el proceso usado para crear el astromóvil Curiosity que viajó a Marte siguió una estrategia ascendente.”(2)

Se insertan las piezas y los subensamblajes existentes en un archivo de ensamblaje, y se colocan los componentes aplicando restricciones de ensamblaje, como Coincidencia y Nivelación. Si es posible, los componentes deben insertarse en el mismo orden que se utilizaría para ensamblarlos en la fase de fabricación.(1)

Un diseñador crea una geometría de pieza independiente del ensamblaje o de cualquier otro componente. Aunque a menudo hay algunos criterios de diseño establecidos antes de modelar la pieza, esta información no se comparte entre los modelos. Una vez que se completan todos los modelos de piezas, se juntan por primera vez en el ensamblaje.

Imagen extraída de Autodesk

“El diseño descendente es un proceso de desarrollo de productos que usa 3D y sistemas paramétricos y CAD asociados. La principal característica de este método es que el diseño se produce como concepto y evoluciona gradualmente hasta un producto completo formado por componentes y subconjuntos.”(2)

Imagen extraída de Autodesk

El diseño descendente es un proceso de desarrollo de productos obtenido a través de sistemas de CAD 3D, paramétricos y asociativos. Se realiza la adición de componentes o partes nuevas a partes existentes. La característica principal de este nuevo método es que el diseño se origina como un concepto y gradualmente se convierte en un producto completo que consta de componentes y subconjuntos. Esto permite una base de datos de partes que podrían usarse en otros lugares. 

“Se comienza con los criterios de diseño y se crean componentes que cumplen dichos criterios. Los diseñadores enumeran los parámetros conocidos y crean un boceto de ingeniería. El boceto puede ser un diseño 2D que se desarrolla en todo el proceso de diseño tal como se muestra en la siguiente imagen.”(1)

Referencias:

(1) Diseño descendente, ascendente y mixto. Autodesk. (Consultado el 08-04-2019)

(2) Material de ayuda al profesor de Tecnología del Diseño (ibo.org)

Bibliografía:

https://www.ruthtrumpold.id.au/destech/?page_id=593 (Consultado el 08-04-2019)

Peter and Roger Metcalfe, Design and Technology 2nd Edition, 2015 IBID Press

Creación virtual de prototipos

“La creación virtual de prototipos implica el uso de modelado sólido y en superficie para desarrollar modelos interactivos fotorrealistas. Estos se pueden considerar como maquetas digitales.”(1)

El prototipado virtual es un proceso de modelado dirigido por software que simula productos y entornos imitando comportamientos del mundo real. Se está encontrando cada vez más aplicación en el desarrollo, prueba y evaluación de productos. Debido a la falta de la necesidad de un producto físico, la creación de prototipos virtuales en ocasiones ha reemplazado a la creación rápida de prototipos para el desarrollo iterativo de nuevos productos o aquellos que requieren renovación.

Los diseñadores e ingenieros pueden simular visual y matemáticamente el diseño, el montaje y el uso en funcionamiento de productos complejos en una variedad de entornos y escenarios de trabajo. Las modificaciones también pueden evaluarse rápidamente de una manera efectiva en el tiempo, en la que participen diseñadores, clientes y gerentes de negocios de múltiples puntos. El proceso no solo es más rápido que los métodos tradicionales, sino que también reduce los costos, minimiza el uso de los materiales y acorta los ciclos de diseño.

Ventajas del prototipado virtual:

  • Los diseñadores pueden simular un diseño visual y / o matemáticamente.
  • Puede reducir los plazos de entrega Puede reducir los costes de desarrollo de los productos.
  • Puede reducir o eliminar errores (ya que los humanos no están involucrados).
  • Puede mejorar calidad de los productos finales al estar estos más evaluados en diferentes situaciones.
  • Fácilmente escalable, como en nanotecnología o aviones.

ACTIVIDAD:

  1. Enumera al menos 4 ventajas de usar prototipos virtuales en comparación con prototipos físicos.
  2. ¿El uso de prototipos virtuales significa que los diseñadores / ingenieros no harán también prototipos físicos? Explica por qué / por qué no.

Referencias:

(1) Material de ayuda al profesor de Tecnología del Diseño (ibo.org)

Bibliografía:

Peter and Roger Metcalfe, Design and Technology 2nd Edition, 2015 IBID Press

https://www.ruthtrumpold.id.au/destech/?page_id=593  (Consultado el 08-04-2019)

 

Modelado de datos que incluyen modelado estadístico

Un modelo de datos determina explícitamente la estructura de los datos o los datos estructurados. Entre los modelos de datos típicos se incluyen las bases de datos y los sistemas de información. Los desarrollos en las tecnologías de la información y las comunicaciones (TIC) hacen que un modelo sea importante para las aplicaciones que usan e intercambian datos.

“Una base de datos es un conjunto de datos pertenecientes a un mismo contexto y almacenados sistemáticamente para su posterior uso.”(1)

Los desarrollos en la tecnología de la información y la comunicación (TIC) hacen que un modelo de datos sea importante para las aplicaciones que usan e intercambian datos. Los ejemplos incluyen GPS, escaneo 3D, pruebas digitales, materiales, etc.

Ejemplos:

Modelos estadísticos: Un modelo estadístico queda especificado por un conjunto de ecuaciones que relacionan diversas variables aleatorias, y en las que pueden aparecer otras variables no aleatorias. Como tal “un modelo es una representación formal de una teoría”​. Un modelo estadístico es la forma que pueden tomar un conjunto de datos obtenidos de muestreos de datos con comportamiento que se supone aleatorio. Es un modelo matemático.

Sistemas de información Geográfica GIS: se utilizan en Urbanismo: “En el sentido más estricto, es cualquier sistema de información capaz de integrar, almacenar, editar, analizar, compartir y mostrar la información geográficamente referenciada. En un sentido más genérico, los SIG son herramientas que permiten a los usuarios crear consultas interactivas, analizar la información espacial, editar datos, mapas y presentar los resultados de todas estas operaciones.

Por otro lado, un sistema de información geográfica puede ser concebido como un modelo que representa el mundo real. (F. Bouillé1​ 1978)”(2)

Microsoft Access: programa que te permite gestionar muchas bases de datos cruzando sus informaciones, se utilizan en gestión de empresa, producción, urbanismo…

 

Referencias:

(1) Definición de base de datos extraída de Wikipedia https://es.wikipedia.org/wiki/Base_de_datos (Consultado el 03-04-2019)

(2) Definición de GIS extraída de Wikipedia https://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_de_informaci%C3%B3n_geogr%C3%A1fica (Consultado el 03-04-2019)

Bibliografía:

https://www.ruthtrumpold.id.au/destech/?page_id=593 (consultado el 03-04-2019)

Material de ayuda al profesor de Tecnología del Diseño (ibo.org)

Modelos en superficie y sólidos

Los modelos en superficie son imágenes fotorrealistas de un producto que ofrecen algunos datos sobre la mecanización pero no sobre el interior del producto.

Los modelos sólidos son representaciones tangibles del producto final. Ofrecen un conjunto completo de datos para el producto que se va a materializar, incluidas las dimensiones internas y el volumen.

Explicar las diferencias entre las técnicas de modelado de sólidos y superficies:

Las técnicas de modelado de sólidos contienen más información para el diseñador y sirven para producir un modelo 3D físico utilizando las tecnologías CNC (control numérico informático) o RP (creación rápida de prototipos como por ejemplo cuando imprimimos en 3D)

El modelado de superficies no tiene espesor de pared.

Bibliografía:

https://www.ruthtrumpold.id.au/destech/?page_id=593 (consultado el 03-04-2019)

Material de ayuda al profesor de Tecnología del Diseño (ibo.org)

Tipos de software para diseño asistido por computadora

Existen en ele mercado una gran variedad de tipos de software de diseño asistido por computadora (CAD) dependiendo de la finalidad con la que pretendamos utilizarlo. Cada uno de los tipos presenta su propia lógica interna que debe ser entendida por los diseñadores.

2D CAD

El CAD bidimensional, o 2D, se utiliza para crear dibujos planos de productos y estructuras. Trabaja en los ejes x e y. Los objetos creados en CAD en 2D están formados por líneas, círculos, óvalos, curvas… Los programas de CAD 2D generalmente incluyen una biblioteca de figuras geométricas; la capacidad de crear curvas Bezier, splines y polilíneas; la capacidad de definir patrones de sombreado; y la capacidad de generar una lista de materiales. Entre los programas CAD 2D más populares se encuentran: Autodesk AutoCAD, Adobe Illustrator, Inkscape, FreeCad, Onshape… Todos ellos generan gráficos vectoriales, lo que significa que producen dibujos que se pueden escalar para su impresión sin perder precisión en sus líneas.

2.5D CAD

Entre 2D y 3D CAD es 2.5-D CAD. Los modelos creados en este tipo de CAD son prismáticos, es decir, representan la profundidad de los objetos. Al igual que el CAD 2D, estos objetos están compuestos de objetos geométricos. Se utiliza para operaciones de definición de piezas para fresado y operaciones de mecanizado CNC (mecanizado de piezas por control numérico). Un ejemplo es SolidCAM.

Imagen extraída de SolidCAM

3D CAD

Los programas de CAD tridimensionales (3D) vienen en una amplia variedad de tipos, diseñados para diferentes aplicaciones y niveles de detalle. En general, los programas de CAD en 3D crean un modelo realista de cómo se verá el objeto de diseño, permitiendo a los diseñadores resolver problemas potenciales antes y con menores costos de producción. Algunos programas de CAD en 3D incluyen Autodesk Inventor, OpensCAD, TinkerCad, CoCreate Solid Designer, Pro / Engineer SolidEdge, SolidWorks, Unigraphics NX y VX CAD…

Modelado 3D alámbrico y en superficie

Los programas CAD que cuentan con modelado de superficie y alambre en 3D crean una estructura interna similar a un esqueleto del objeto que se está modelando. Los programas de modelado alámbrico construyen sus modelos cara a cara para producir una representación 3D del objeto.  Se añade una superficie más tarde. Estos tipos de modelos CAD son difíciles de traducir a otro software y, por lo tanto, a día de hoy no se utilizan mucho. Los programas de modelado alámbrico construyen sus modelos cara a cara para producir una representación 3D del objeto. 

Imagen extraída de Willr0y Water

Bibliografía:

https://www.ruthtrumpold.id.au/destech/?page_id=593 (Consultado el 11-03-2019)

https://www.techwalla.com/articles/types-of-cad-software (Consultado el 11-03-2019)

Peter and Roger Metcalfe, Design and Technology 2nd Edition, 2015 IBID Press