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UNIVERSIDAD DE EXTREMADURA
CENTRO UNIVERSITARIO DE MÉRIDA
GRADO DE INGENIERÍA EN GEOMÁTICA Y TOPOGRAFÍA
TRABAJO FIN DE GRADO
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir
de una pieza industrial. Reconstrucción de una pieza
a partir de sus elementos geométricos.
Autor: Álvaro Martínez Fernández
Director/a: María Eugenia Polo García
Alonso Sánchez Ríos
Mérida, Noviembre de 2015
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
2
Este proyecto, paso definitivo para ser Graduado de Ingeniería en Geomática y Topografía, está
dedicado a todas esas personas que de alguna manera me han ayudado durante estos
apasionantes cuatro años a conseguir el título que tanto ansiaba.
Agradecer a Doña María Eugenia Polo y Don Alonso Sánchez por su tutela, implicación,
dedicación y enorme disponibilidad mostrada.
Mención especial a María Eugenia Polo por servirme de inspiración y reunir todas esas
características que a mi modo de ver hacen que haya profesores únicos.
A mis padres, ya que siempre me sostuvieron y gracias a su paciencia y persistencia no dejaron
que desaprovechara las fantásticas oportunidades que me brindaron desde que tengo uso de
razón.
A mis hermanos por su incondicional apoyo, a mi centenaria abuela Nana, a Susi, José, Nacho,
Eli y a mi gran amigo Jesús por los mismos motivos, y cómo no; a mi profesor Chemi por
hablarme tan claro cuando lo necesitaba, por descubrirme la topografía y hacer que por
primera vez me ilusionasen los libros.
También agradecer a las empresas AIRBUS, UMI e INESPASA su generosidad, ayuda y material
proporcionado para la realización del proyecto.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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Índice:
1. ANTECEDENTES ............................................................................................................................. 7
2. OBJETIVOS ..................................................................................................................................... 8
3. MATERIAL UTILIZADO .................................................................................................................... 8
3.1 PIEZA DE ESTUDIO .................................................................................................................................. 8
3.2 ESCÁNER ........................................................................................................................................... 10
3.3 CÁMARA FOTOGRÁFICA ......................................................................................................................... 13
3.4 SOFTWARE ......................................................................................................................................... 15
3.4.1 IrfanView™ ......................................................................................................................... 15
3.4.2 Agisoft PhotoScan™ ............................................................................................................ 16
3.4.3 CATIA™ ............................................................................................................................... 17
3.4.4 MeshLab™ .......................................................................................................................... 18
3.4.5 Cura™ ................................................................................................................................. 19
3.5 HARDWARE ........................................................................................................................................ 20
3.6 IMPRESORA 3D ................................................................................................................................... 20
4. METODOLOGÍA............................................................................................................................ 22
4.1 DEFINICIÓN PIEZAS DE ESTUDIO Y MEDICIÓN ............................................................................................... 22
4.2 GENERACIÓN DEL MODELO 3D MEDIANTE ESCÁNER ...................................................................................... 29
4.3 GENERACIÓN DEL MODELO 3D MEDIANTE FOTOGRAFÍA DIGITAL ...................................................................... 32
4.3.1 Funcionamiento de Agisoft PhotoScan™ ............................................................................... 33
4.3.2 Generación de la pieza industrial con Agisoft PhotoScan™ .................................................... 34
4.4 TRATAMIENTO DEL MODELO ................................................................................................................... 38
4.5 IMPRESIÓN 3D .................................................................................................................................... 43
4.6 ESTUDIO DE DEFORMACIONES ................................................................................................................. 47
5. RESULTADOS ............................................................................................................................... 47
5.1 GENERACIÓN DEL MODELO 3D MEDIANTE ESCÁNER ...................................................................................... 47
5.2 GENERACIÓN DEL MODELO 3D MEDIANTE FOTOGRAFÍA DIGITAL ...................................................................... 49
5.3 TRATAMIENTO DEL MODELO ................................................................................................................... 49
5.4 IMPRESIÓN 3D .................................................................................................................................... 50
5.5 ESTUDIO DE DEFORMACIONES ................................................................................................................. 52
6. CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 55
7. BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. 56
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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Índice de figuras:
Figura 1: Pieza industrial utilizada. ............................................................................................ 9
Figura 2: Aspecto de las piezas de prueba. .............................................................................. 10
Figura 3: Aspecto del escáner de mano Go!SCAN 50™. ............................................................ 11
Figura 4: Operario utilizando el escáner en un proceso de ingeniería inversa. ........................ 12
Figura 5 : Aspecto de la cámara Nikon D40™ .......................................................................... 14
Figura 6: Interfaz de IrfanView ................................................................................................ 15
Figura 7: Interfaz de Agisoft PhotoScan ................................................................................... 16
Figura 8: Interfaz de CATIA. ..................................................................................................... 17
Figura 9: Interfaz de MeshLab. ................................................................................................ 18
Figura 10: Interfaz de Cura. ..................................................................................................... 19
Figura 11: Área de impresión máxima de la impresora 3D. ..................................................... 20
Figura 12: Entorno de trabajo de la impresora BCN3D Sigma. .................................................. 21
Figura 13: Medición en una MMC de una pieza fabricada a partir de un modelo CATIA. .......... 23
Figura 14: Diferentes vistas de la pieza elegida. ....................................................................... 25
Figura 15: Acotación de los lados A, B, y C. .............................................................................. 26
Figura 16: Acotaciones D, E y F. ............................................................................................... 27
Figura 17: Acotaciones G, H e I. ............................................................................................... 28
Figura 18: Entorno de trabajo con el escáner NextEngine™. .................................................... 29
Figura 19: Una de las piezas de prueba escaneadas con NextEngine™. .................................... 30
Figura 20: Entorno de trabajo el día del escaneo con Go!SCAN 50 ........................................... 31
Figura 21: Diferentes tonalidades mostradas en función del nivel de información obtenida por
zona. ....................................................................................................................................... 32
Figura 22: Orden de trabajo en el software Agisoft PhotoScan™. ............................................ 34
Figura 23: Aspecto de la pieza fotografiada. ............................................................................ 35
Figura 24: Primer paso Align photos. ....................................................................................... 35
Figura 25: Segundo paso Build geometry. ................................................................................ 36
Figura 26: Tercer y último paso Build texture. ......................................................................... 36
Figura 27: Aspecto de la pieza con targets. .............................................................................. 37
Figura 28: Aspecto de la pieza tras el tercer día de pruebas en Agisoft PhotoScan™. ............... 37
Figura 29: Ejemplos de puntos erróneos en el modelo escaneado. .......................................... 39
Figura 30: Ejemplo de triángulo corrupto. ............................................................................... 40
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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Figura 31: Problema presentado en dos de los cuatro taladros de la pieza. ............................. 41
Figura 32: Tapa creada para cerrar la superficie. ..................................................................... 42
Figura 33: Aspecto de la pieza acabada con los taladros tapados. ........................................... 43
Figura 34: Pieza insertada en el software CURA. ...................................................................... 43
Figura 35: Momento de una de las impresiones en marcha. .................................................... 45
Figura 36: Aspecto de la pieza en sus dos impresiones. ........................................................... 46
Figura 37: Red de triángulos obtenida tras el escaneo de la pieza............................................ 48
Figura 38: Red de triángulos obtenida tras el escaneo observada desde la base. ..................... 48
Figura 39: Aspecto del modelo generado mediante fotografía digital. ..................................... 49
Figura 40: Dos perspectivas de la pieza tratada sin el módulo de suavizado. ........................... 50
Figura 41: Distintas perspectivas del modelo tratado con el módulo de suavizado de CATIA. .. 50
Figura 42: Diferentes perspectivas de la primera impresión. ................................................... 51
Figura 43: Diferentes perspectivas de la segunda impresión. ................................................... 52
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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Resumen
Los conceptos de prototipado rápido e ingeniería inversa están plenamente aceptados en el
campo del diseño industrial. Los ingenieros en geomática y topografía, profesionales del
campo de la medición, están cualificados para realizar mediciones y estudio de deformaciones
de objetos, por lo que pueden trabajar también en este campo. El objetivo de este trabajo es
comprobar, a partir de una pieza de la que se conoce su proceso de fabricación, la
deformación que sufre el modelo digital creado por diferentes medios. Estos medios son el
escaneo 3D, usando dos escáneres de diferente resolución y la generación de modelos a partir
de fotografía digital. Tras el tratamiento del modelo generado se procede a la impresión 3D del
mismo. En cada paso se explica el proceso seguido, se comprueban las dimensiones y se
analizan las ventajas e inconvenientes de cada método.
Palabras claves
Modelo 3D, análisis métrico, impresión 3D, prototipado, ingeniería inversa.
Abstract
The fast prototyping and reverse engineering are today fully accepted at the industrial design
field. Since the geomatics and surveying engineers, professionals on the measurement field,
are qualified to measure and study the deformations of objects, they are also fully qualified to
work in this field.
The goal of this work is to check, starting with a part whose manufacturing process is known,
the deformations suffered by the digital model created by two different means, 3D scan using
two scanners of different resolution and the digital photography.
Once the model has been processed, it is 3D printed. At each step the method followed is
explained, dimensions checked and advantages or drawbacks analyzed.
Keywords
3D model, metric analysis, 3D printing, prototyping, reverses engineering.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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1. Antecedentes
El proceso de diseño de una pieza industrial requiere un conocimiento de las herramientas
informáticas disponibles que permitan un tratamiento métrico. Los procesos de prototipado
suponen la creación de modelos 3D de objetos donde la métrica juega un papel básico.
Las técnicas de diseño de piezas asistido por computadora, llevan décadas consolidadas como
el método más efectivo en el prototipado de cualquier tipo de modelos, ocurriendo algo
parecido con la tecnología de escaneado láser en tres dimensiones (3D). Ésta, mucho más
moderna que la primera, está mostrando un vertiginoso ritmo de crecimiento en muchos
campos tales como la arquitectura, arqueología o la propia ingeniería.
La impresión 3D, al igual que las tecnologías de escaneado 3D, está revolucionando muchos de
los campos antes mencionados además de la fabricación de prótesis médicas, donde se
aprovecha la versatilidad y la relativa facilidad del diseño e impresión de piezas. Es el
prototipado rápido o en inglés additive technology la que simplifica el proceso de fabricación
de piezas, ya que, al añadir material capa a capa hace posible prescindir de otras máquinas de
mecanizado como tornos o fresadoras.
La topografía industrial se define como un conjunto de técnicas y métodos diseñados para
establecer con gran precisión las posiciones relativas, alturas, alineamientos y escuadras de las
partes que integran un producto industrial, sea cual sea su tamaño y características. Año tras
año, esta rama de la topografía se ve beneficiada del imparable afán de innovación y
perfeccionamiento de estas técnicas que simplifican, ya sea en tiempo o costes, las tareas que
los ocupa.
Así, el Ingeniero en Geomática y Topografía por su formación en la realización de mediciones,
determinación de errores y generación de modelos 3D, está especialmente cualificado para
analizar la métrica y la deformación sufrida por un objeto o por su representación en un
modelo 3D. Esto incluye procesos de ingeniería inversa, donde se tiene por objetivo obtener
información o incluso el diseño completo de un producto con diversos fines, como poder saber
de qué está hecho o cómo fue fabricado.
En los últimos años se han desarrollado técnicas para crear modelos 3D a partir de fotografía
digital. Son los sistemas de modelado basado en imágenes (IBM, Image-Based Modelling) que
procesan imágenes digitales solapadas de un objeto, para crear un modelo tridimensional del
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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mismo. Estos sistemas están basados en la combinación de técnicas de fotogrametría digital y
visión por ordenador.
2. Objetivos
El objetivo de este trabajo es comprobar, a partir de una pieza de la que se conoce su proceso
de fabricación, la deformación que sufre el modelo digital creado por diferentes medios
(escaneo 3D, fotografía digital, impresión 3D) determinando errores y precisiones. También se
comprobará si el proceso seguido es válido para la creación de prototipos de piezas.
3. Material utilizado
3.1 Pieza de estudio
La pieza que hemos elegido para nuestro proyecto es un herraje del avión Airbus 330-200
MRTT (Multi Role Tanker Transport). A pesar de contar con varias piezas, todas de origen
aeronáutico, nos hemos decidido por ésta, dado que cuenta con una geometría y dimensiones
ideales para nuestro trabajo.
El MRTT es una versión del fabricante aeronáutico Airbus que tiene como principal
característica el reabastecimiento en vuelo de otras aeronaves.
Para la realización de este proyecto se parte, por increíble que pueda parecer, de un avión
nuevo de serie completamente equipado que en la factoría que Airbus tiene en Getafe
(Madrid) es desmantelado casi por completo y transformado y convertido en el MRTT.
El fabricante estudió, en su momento, la posibilidad de sacar el avión de la cadena de montaje
en el momento en el que la enorme transformación tuviese el menor impacto económico. Los
estudios indicaron que no se justificaba el procedimiento por la enorme gestión de ingeniería
que conllevaría, y por la interferencia que se produciría en la cadena de montaje en serie de
este avión. La conclusión final fue, por tanto, la que acabamos de comentar: traer un avión en
vuelo desde la línea de montaje final en Toulouse (Francia) y proceder al canibalizado (este es
el nombre coloquial con el que internamente se designa la enorme transformación).
El combustible con el que surte a otras aeronaves, al contrario de lo que sucede con otros
aviones nodrizas, no procede de depósitos de combustibles auxiliares y añadidos a este, sino
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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de los propios tanques de combustible del avión, que en el caso de este modelo está en torno
a las 137 toneladas.
La idea que sustenta a este proyecto es que la aeronave tenga normalmente una utilización
civil y, sólo en situaciones de conflicto bélico o similar, sirva para el repostaje en vuelo de
aviones militares.
Una pértiga móvil, dirigida por la tripulación desde la cabina de mando, y adosada en la parte
cónica e inferior de la cola del avión, o unas mangas terminadas en canastilla que se
desenrollan desde debajo de las alas, conducen el combustible a gran velocidad hasta el avión
reabastecido.
Este herraje, con algún defecto dimensional que lo hace inservible, está construido en el
material más típicamente aeronáutico; el duraluminio.
El duraluminio, genial invento del primer año del siglo 20, fue crucial en la prosperidad y
evolución de la industria aeronáutica (la aleación contiene cobre, manganeso, magnesio y
silicio). Casi tres veces más ligero que el hierro, pero con la resistencia de este y su docilidad
para ser mecanizado, fueron motivos suficientes para justificar su masivo empleo, a pesar de
que la aleación presenta un extraordinario problema de corrosión intercristalina.
Figura 1: Pieza industrial utilizada.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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Esta indeseable característica es la que obliga a los fabricantes aeronáuticos a extremar los
tratamientos de protección ante la corrosión. Un herraje como el de nuestro proyecto tiene un
tratamiento de anodizado crómico, una capa de pintura epoxi y dos capas de pintura de
poliuretano bicomponente.
Esta pieza del A320 sirve para unir dos largueros por los que pasa carga y tiene unas
dimensiones de aproximadamente 117 x 86 x 29 mm.
Además de la pieza anterior, se utilizaron otras dos más a modo de prueba, también de origen
aeronáutico. Se usaron tanto para el primer escaneo con NextEngine™ como para las pruebas
con el software Agisoft, ambos procedimientos explicados posteriormente en el apartado 4.2 y
apartado 4.3 respectivamente.
Figura 2: Aspecto de las piezas de prueba.
3.2 Escáner
Se comenzó con el escáner de escritorio NextEngine™1, el cual explicaremos brevemente ya
que durante la realización del proyecto se nos brindó la oportunidad de utilizar un escáner más
preciso y que en teoría, mejoraría notablemente los resultados obtenidos con el primero.
Este escáner permite realizar ingeniería inversa mediante el escaneo de alta precisión usando
el sistema denominado MLT (Multistripe Laser Triangulation). Permite la reconstrucción digital
1 http://www.nextengine.com/
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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y de alta resolución de objetos completos mediante el escaneo por planos en una base
rotatoria automatizada.
Finalmente, optamos por utilizar el escáner de escritorio Go!SCAN™ 50 3D2, de la casa
CREAFORM, un dispositivo cuyas dimensiones y peso (150 × 171 × 251 mm, 950 g) permiten
que sea transportable. Se basa en el llamado posicionamiento híbrido, el cual tiene en cuenta
el color y la geometría natural de las piezas. Permite captar geometrías y colores
simultáneamente y de forma sencilla, pudiendo ver en todo momento qué se está haciendo y
qué falta por hacer. Es un dispositivo independiente, es decir, el objeto es el punto de
referencia evitando depender de sistemas de posicionamientos externos. Unos targets o
dianas alrededor de la pieza escaneada son más que suficientes para situarla en el espacio.
Los objetos son escaneados en breves periodos de tiempo, comprendiendo unos 5 minutos en
el mayor de los casos, no impidiendo dicha rapidez obtener unas muy buenas precisiones de
0,1 mm de máximo y lo mismo en resolución.
Figura 3: Aspecto del escáner de mano Go!SCAN 50™.
A continuación mostramos un cuadro con las especificaciones técnicas proporcionadas por la
firma CREAFORM.
2 http://www.creaform3d.com/es/soluciones-de-metrologia/escaneres-3d-portatiles-goscan-3d
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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Go!SCAN 50™
Peso 950 g
Dimensiones 150x171x251 mm
Velocidad de medición 550000 mediciones por segundo
Área de escaneado 380x380 mm
Fuente de luz Luz blanca (LED)
Resolución 0,500 mm
Precisión Hasta 0,100 mm
Exactitud volumétrica 0,300 mm/m
Métodos de posicionamiento Geometría y/o color y/o objetivos
Distancia de seguridad 400 mm
Profundidad de campo 250 mm
Alcance del tamaño de las partes 0,3 - 3,0 m
Resolución de la textura De 50 a 150 PPP
Textura de los colores 24 bits
Software Vxelements
Formato de salida .DAE .FBX .MA .OBJ .PLY .STL .TXT .WRL .X3D .X3DZ .ZPR
Software compatible Geomagic® Solutions, PolyWorks, CATIA V5 y SolidWorks,
Pro/ENGINEER, NX y Solid Edge, Autodesk
Rango de temperaturas 5-40 °C
Rango de humedad 10-90% Tabla 1: Especificaciones técnicas del escáner Go!SCAN 50™.
Fuente: www.creaform3d.com
Dadas las prestaciones mostradas en la tabla anterior, son numerosas las aplicaciones que
puede abarcar este escáner, tales como estilismo, estética, prototipos ergonómicos,
inspecciones de prototipos o la que más nos interesa en nuestro caso; la ingeniería inversa.
Figura 4: Operario utilizando el escáner en un proceso de ingeniería inversa.
Fuente: www.creaform3d.com
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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3.3 Cámara fotográfica
La toma de datos para el apartado con el software Agisoft Photoscan se ha realizado con una
cámara digital Nikon D40 con un objetivo zoom NIKON AF-S DX ED de distancia focal 18-55
mm.
La cámara empleada proporciona imágenes de alta resolución gracias al sensor CCD con
formato DX Nikon de 6,1 megapíxeles. Cuenta con una pantalla LCD de 2,5 pulgadas que hace
posible la vista previa de imágenes con aumento de hasta 19 veces.
Resumimos en una tabla las características y prestaciones más destacables de la cámara que
nos ocupa:
General Tipo de cámara Réflex
Fecha de presentación nov-06
Predecesora Nikon D50
Captación de la imagen
Sensor de imagen
Tipo CCD
Tamaño 23,7 x 15,6 mm
Sistema de limpieza No
Resolución Total 6,2 Mpix
Efectiva 6,1 Mpix
Filtro de color RGB
Estabilizador No
Óptica Montura Nikon
Factor de recorte 1,5x
Luz de ayuda autofoco Sí
Control de la exposición
Compensación de exposición Rango de -5 a +5 EV
Pasos 1/3
Velocidad de obturación
Máxima 1/4000 s
Mínima 30 s
Modo B Sí
Sensibilidad Máxima 3,200 ISO
Mínima 200 ISO
Control del disparo
Disparo simple
Archivo JPEG, RAW
Resoluciones (pix)
3008 x 2000
2256 x 1496
1504 x 1000
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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Cuerpo Peso 475 g
Ancho 126 mm
Dimensiones Alto 94 mm
Grosor 64 mm
Tabla 2: Características de la cámara Nikon D-40
Figura 5 : Aspecto de la cámara Nikon D40™
El objetivo empleado proporciona una gran calidad óptica, diseñado para su uso con SLR
digitales de formato DX Nikon. Su 3x zoom proporciona múltiples opciones en cuanto a la
variedad de situaciones de disparo.
La tabla con las especificaciones técnicas del objetivo es la siguiente:
Distancia focal 18-55 mm
Diafragma máximo f/3,5-5,6
Diafragma mínimo f/22-38
Construcción del objetivo 7 elementos en 5 grupos (1 lente LED y una asférica)
Ángulo de visión De 76° a 28° 50'
Distancia de enfoque mínima 0,28 m (en todo el rango focal)
Relación de reproducción máxima 1/3,2
Nº de láminas del diafragma 7 (redondeadas)
Tamaño del accesorio del filtro 52 mm
Diámetro x Longitud Aprox. 70,5 x 74 mm
Peso Aprox. 205 g
Acceso suministros Tapa delantera de presilla del objetivo LC-52 de 52 mm
Tabla 3: Especificaciones del objetivo.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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3.4 Software
En este punto del proyecto, explicaremos qué programas han sido empleados durante el
desarrollo del mismo.
3.4.1 IrfanView™
Figura 6: Interfaz de IrfanView
Programa de código abierto y de origen
austriaco. IrfanView3 es un visualizador y
conversor de imágenes bastante versátil. De
uso simple e intuitivo para principiantes y lo
suficientemente potente para el uso por parte
de profesionales. Permite la apertura de
archivos con decenas de diferentes
extensiones. Las funciones incluyen: múltiples
idiomas, opción miniaturas, pintura,
presentaciones de diapositivas, conversión y
edición de grupos de archivos, edición de
múltiples páginas, búsqueda de archivos,
modificación de la intensidad del color,
escaneo, recorte, edición de IPTC, capturas,
operaciones con JPG sin pérdidas, efectos,
opción de marca de agua, compatibilidad con
ICC, creación de EXE/SCR, numerosos atajos
de teclado, opciones de línea de comandos y
multitud de plug-ins desarrollados por
particulares y que hacen aún más extensa la
lista de posibilidades que ofrece el programa.
En nuestro caso fue de gran utilidad para
manejar todas las imágenes que hemos
empleado durante el transcurso de este
proyecto, así como para acondicionar las fotos
para los programas que requerían de éstas.
3 http://www.irfanview.com/
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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3.4.2 Agisoft PhotoScan™
Agisoft PhotoScan4 es un software de escritorio para procesar imágenes digitales y, mediante
la combinación de técnicas de fotogrametría digital y visión por ordenador, generar una
reconstrucción 3D de cualquier tipo de elementos, desde edificaciones hasta pequeñas piezas
arqueológicas. Está desarrollada por la casa Agisoft LLC que tiene su sede en San Petersburgo,
Rusia.
Figura 7: Interfaz de Agisoft PhotoScan
Existen dos versiones diferentes. La versión estándar permite generar nubes de puntos a partir
de múltiples imágenes, útil para el modelado, digitalización y simulación o incluso videojuegos,
aunque no tiene todas las opciones o utilidades disponibles como en la siguiente versión que
ofrecen. La versión profesional incluye funcionalidades específicas para la generación de
productos geomáticos. Esta edición permite obtener ortofotos georreferenciadas de alta
resolución y modelos digitales de terrenos de densidad y detalle bastante alto. También
permite captar la textura de las fotografías para plasmarlas en el modelo, lo que da sin duda
un aspecto mucho más realista y fiel respecto al objeto fotografiado.
4 http://www.agisoft.com/
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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La empresa Agisoft ofrece un periodo de prueba de 30 días descargando el software desde su
web. Para adquirir el programa, se puede comprar la versión profesional por 3.100€ o su
versión estándar por 160€.
3.4.3 CATIA™
CATIA (Computer Aided Three dimensional Interactive Application)5 es un programa
informático de diseño, fabricación e ingeniería asistido por ordenador de la casa Dassault
Systèmes, la misma que otro programa interesante en cuanto a procesos de ingeniería inversa
como es Solid Works.
El programa está pensado para poder prestar apoyo desde la concepción del diseño hasta la
producción y el análisis de productos; en otras palabras, todo el proceso requerido para
diseñar y producir piezas industriales como es nuestro caso. Está disponible para Microsoft
Windows, Solaris, IRIX y HP-UX.
Provee una arquitectura abierta para el desarrollo de aplicaciones o para personalizar el
programa. Las interfaces de programación de aplicaciones se pueden programar en Visual
Basic y C++.
Figura 8: Interfaz de CATIA.
5 http://www.3ds.com/es/productos-y-servicios/catia/
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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Fue inicialmente desarrollado y destinado para la industria aeronáutica, pero dado su enorme
éxito se implementó su uso en otros campos industriales como el del automóvil para
componentes de carrocería o interiores. Aunque en menor medida, también se ha llegado a
utilizar para algunas construcciones de extraordinaria dificultad como el Museo Guggenheim
en Bilbao.
3.4.4 MeshLab™
MeshLab6 es un software gratuito, portátil y de gran utilidad para el procesamiento y edición
de mallas triangulares no estructuradas en 3D. El software está desarrollado por la empresa
Visual Computing Lab y se trata de una herramienta de gran utilidad para la edición o
visualización de modelos 3D generados con otros programas, ya que el diseño de modelos 3D
no es el fin de este programa. También se muestra como una herramienta de gran utilidad si lo
que se pretende es la conversión de archivos de una extensión a otra diferente. La utilidad
específica de MeshLab incorpora mejoras en software como 3D Studio.
Se trata de un programa de código libre, lo que supone una gran ventaja ya que programas
similares a éste sí requieren licencias de pago. Eso no significa que su funcionalidad no sea la
misma que otros programas de similares características, incluso muestra una fluidez con
archivos pesados parecida a la de programas en principio más sofisticados que éste.
MeshLab es capaz de desarrollar funciones como la edición de relieves, elegir y unir los
vértices, la selección y unión de vértices o alineamiento de mallas o incluso acotaciones.
Figura 9: Interfaz de MeshLab.
6 http://meshlab.sourceforge.net/
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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Dentro de los formatos que MeshLab puede importar encontramos: .XYZ, .GTS, .TRI, .ASC,
.X3D, .X3DV, .VRML, .ALN, .PLY, .STL, .OFF, .OBJ, .3DS, .COLLADA, .PTX, .V3D, .PTS y .APTS. Para
exportar los archivos de MeshLab se puede hacer en los siguientes formatos: .OFF, .OBJ, .3DS,
.PLY, .STL, .U3D, .IDTF, .X3D, .COLLADA, .VRML, .DXF y .GTS.
3.4.5 Cura™
Cura7 es el software que gestiona la impresora 3D. Es una más de las opciones que se nos
ofrece a día de hoy en el laminado basado en Skeinforge pero con opciones de configuración
simplificadas y una interfaz gráfica más sencilla e intuitiva que su predecesor. Como ventajas,
el software está capacitado para mostrar las piezas en 2D y 3D y el resultado del laminado que
previsiblemente se obtendrá una vez finalizada la impresión. Otra de las ventajas de Cura son
algunas novedades tales como la posibilidad de mover la aguja por el interior de la pieza
cuando no está imprimiendo para evitar hilos erróneos.
Figura 10: Interfaz de Cura.
Otra de las curiosidades del programa es que tiene como objetivo no sólo actuar como
programa de laminado, sino también como anfitrión (host) de la impresión, por lo que intenta
englobar todos los procesos necesarios para la impresión de la pieza, es decir, un programa
que además de generar el g-code esté capacitado para enviarlo a la impresora.
7 https://ultimaker.com/en/products/cura-software
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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3.5 Hardware
La totalidad de este proyecto se ha realizado en un ordenador portátil MSI GE70. Comentamos
a continuación las características más significativas del ordenador:
Microprocesador Intel Core i7-3630QM
Tarjeta Gráfica GeForce GTX660M con 2GB GDDR5
RAM ampliada DDRIII 16Gb (8 GB x 2)
Tarjeta SSD Intel 525 Series 180 GB
3.6 Impresora 3D
La impresora utilizada para los últimos pasos del proyecto fue la BCN3D Sigma8. Incorpora la
tercera generación del BCNozzle, un hotend metálico en su totalidad que permite alcanzar
temperaturas de 315 ºC, lejos de las que en nuestro caso requerimos para la impresión de
nuestra pieza.
Tiene un área de impresión tamaño DIN-A4 capaz de alcanzar los 110 ºC, su altura mínima de
capa de 50 µm y su chasis es de aluminio. Todo esto permite conseguir la impresión de piezas
con un buen nivel de detalle.
8http://www.bcn3dtechnologies.com/es/catalog/bcn3d-sigma
Figura 11: Área de impresión máxima de la impresora 3D.
Fuente: www.bcn3dtechnologies.com
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
21
La boquilla estándar es de 0,4 mm pudiendo trabajar a una altura de capa mínima de 50 µm.
Figura 12: Entorno de trabajo de la impresora BCN3D Sigma.
Respecto a la autonomía y formatos de trabajo, la BCN3D Sigma utiliza el mecanismo de
modelado por FFF (Fuse Filament Fabrication) basado en la adición consecutiva de capas de
material. Este procedimiento comienza con un proceso de software, en el que se crea un
fichero .STL para poder ser impreso. El material, ya sea PLA (Polylactic Acid), ABS (Acrylonitrile
Butadiene Styrene) o cualquier otro, se funde y lo deposita en diferentes capas, configurando
diversas trayectorias para llegar a obtener una pieza tridimensional en su totalidad.
A continuación mostramos las especificaciones técnicas:
Sistema de fabricación: FFF (Fused Filament Fabrication) / IDEX
Superficie de fabricación: DIN A4 Eje x: 210 mm / Eje y: 297 mm / Eje z: 210 mm
Consumo eléctrico máximo: 300 w Potencia pico
Sistema de extrusión: Bowden quick release
Pantalla: TouchPAD Resistivo Full Color
Materiales compatibles: PLA, ABS, Filaflex, PVA, HIPS, Composites (PLA+madera, Bronce,
cobre, fibras, cerámicos)
Electrónica: BCN3DElectronics V1. Drivers de motores independientes de la placa base.
Cables FFC (Flat Flexible Cable).
Diámetro hilo: 3 mm
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
22
Altura de capa mínima: 50 µm
Dimensiones ext.: 465 x 440 x 680 mm
Conexión: USB / Firmware Marlin1.01 BCN3D
Software compatible : Open Source Slicing Software - Cura, Slic3r
4. Metodología
4.1 Definición piezas de estudio y medición
Inicialmente contamos con varias piezas de origen aeronáutico, todas ellas con diferentes
dimensiones y geometrías más o menos complejas (figuras 1 y 2). Nos decidimos por la pieza
definitiva (figura 1) dado su tamaño mediano y por poseer varias zonas donde poder realizar
acotaciones sin posibilidad de errar en éstas, ya que, uno de los problemas en este tipo de
piezas, con zonas curvas compuestas por cientos de radios, es el método o la forma que
podríamos utilizar para acotarlas. El contar con la pieza, la documentación y el modelo original
también fueron motivos suficientes para decantarnos por esta pieza, dado que no siempre se
pudo conseguir estos tres elementos de las demás.
La pieza en cuestión forma parte del HTP (Horizontal Tail Plane) del avión de transporte militar
A400M.
Como todos los proyectos nuevos de Airbus, se desarrollan íntegramente de forma digital, por
lo que a priori, se prescinde del formato papel para su fabricación y montaje.
Cada fase de la fabricación de una pieza requiere informaciones diversas, tales como:
- Material a utilizar.
- Dirección de la fibra del material a mecanizar.
- Tolerancias específicas de ciertas partes de la pieza, por ejemplo, planitud,
concentricidad, diámetro de taladros, perpendicularidad…
- Tolerancias generales.
- Tratamientos superficiales, tales como el TSA (Anodizado Tartárico Sulfúrico),
Anodizado sulfúrico, cromatado…
- Protección y acabado, tales como una imprimación más una pintura final
antibacteriana.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
23
Para todo ello, se genera documentación técnica a medida para cada uno de los procesos pero
siempre desde la misma fuente digital.
Para el mecanizado de piezas metálicas, es sumamente ventajoso el disponer de un modelo
digital sobre el que programar, ya que no solo ahorra costes del proceso en sí, sino que
minimiza el factor “error humano” al no tener que recurrir a cálculos externos para definir
planos, distancias a puntos en el espacio y sobre todo superficies con distintas curvaturas.
Para la fase de verificación, el disponer de un modelo digital, permite asegurar su conformidad
dimensional utilizando una MMC (Máquina de Medir por Coordenadas), que básicamente
compara puntos medidos con puntos del modelo de la pieza en CATIA.
Figura 13: Medición en una MMC de una pieza fabricada a partir de un modelo CATIA.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
24
Como parte de la definición de la fabricación de esta pieza, el diseñador ha estimado hacer
anotaciones suplementarias de forma imperativa y que mostramos a continuación:
1) Advierte que las cotas puestas son para verificación, es decir, para la fabricación de la
pieza hay que usar el modelo en sí.
2) Todas las aristas deben ir con un radio de 3 mm.
3) Todas las esquinas deben llevar un radio de 6,5 mm a no ser que se indique otra cosa.
4) Explica que la pieza debe mecanizarse en su estado final del material definido. Algunos
materiales son difíciles de mecanizar por su dureza (no es el caso de los aluminios) por
lo que se mecanizan a previo dejando creces de menos de 1 mm, se trata
térmicamente para dejarlo en su dureza final, y se termina de mecanizar. Este
tratamiento puede deformar la pieza, de ahí que no se pueda mecanizar en un estado
que no sea de total dureza. En este caso el material es aluminio y viene especificado de
la siguiente manera en nuestro plano:
7050T7651PLA50-ABM 3-1029 Tipo de aluminio, Estado de madurez del material, sale
de placa de 50 mm, especificación técnica del material.
5) Tolerancias en superficies y filos de 0,5 mm mientras no se indique lo contrario.
6) Repasar taladros y bordes según ABP, norma que regula cómo matar las aristas.
7) Mecanizar según se indica.
8) No pintar ningún taladro. Normalmente, si son taladros con ajuste estrecho estamos
hablando de menos de 15 micras, por lo que se evitan los taladros pintados ya que el
espesor de la pintura es muy difícil de controlar con esas tolerancias.
9) Control de defectos después de mecanizar.
10) Protección superficial sólo por la cara indicada con la banderola 10.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
25
Figura 14: Diferentes vistas de la pieza elegida.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
26
Para las zonas de acotación, elegimos partes de la pieza donde el error por factor humano se
viese significativamente reducido.
Fueron nueve medidas repartidas entre las direcciones de los ejes tridimensionales y
nombradas de la A a la I. Las mostramos a continuación:
Figura 15: Acotación de los lados A, B, y C.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
27
Figura 16: Acotaciones D, E y F.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
28
Figura 17: Acotaciones G, H e I.
Las mediciones se hicieron con un calibre Mitutoyo de resolución 0,05 mm. Para todos los
lados, ya fuesen del modelo impreso (sin la base) o de la pieza original, se tomaron tres
medidas que fueron posteriormente promediadas.
Para el modelo escaneado se repitió el proceso, utilizándose en este caso el Software MeshLab
para realizar las acotaciones.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
29
4.2 Generación del modelo 3D mediante escáner
Para la obtención del modelo 3D de la pieza se utilizaron dos modelos diferentes de escáneres
láser.
Se comenzó con el escáner de escritorio NextEngine™.
En los primeros días de escaneos
quedó de nuevo patente algo que ya
sabíamos; las superficies metálicas,
como era en nuestro caso, no son
aconsejables ya que el rayo no se
refleja tal y como debiera y dificulta
en gran medida el proceso de
escaneo. Tras pintar la pieza con un
acabado mate, se mejoró mucho el
resultado y pudimos contar con los
primeros modelos digitales de
algunas de las piezas candidatas a
ser definitivas en este trabajo.
Figura 18: Entorno de trabajo con el escáner NextEngine™.
El tipo de escaneo seleccionado fue el modo 360º que utiliza la plataforma giratoria para
escanear por completo el objeto desde todos los ángulos. El software toma un escaneo por
cada división y los alinea automáticamente quedando una imagen completa. Los modelos
obtenidos fueron depurados en el software propio del dispositivo ScanStudio HD.
Lo único que se hizo fue recortar sobrantes para poder importar la pieza limpia en un software
más avanzado para adecuar el modelo al último paso del proyecto, la impresión 3D.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
30
Figura 19: Una de las piezas de prueba escaneadas con NextEngine™.
Como hemos comentado anteriormente, la prueba o escaneo definitivo se hizo sobre la pieza
representada en la Figura 1 y con el escáner Go!SCAN™ 50.
Este escáner de mano, cuyas especificaciones fueron dadas en el apartado 3.2, se mostró
como una herramienta realmente eficaz para procesos de ingeniería inversa como el que
pretendimos llevar a cabo. Además del escáner, se precisó únicamente de un ordenador
portátil conectado a éste mediante un cable y el software propio de la casa CREAFORM
denominado VXelements.
Al apenas requerir la tecnología de este escáner procesos previos al escaneo tales como
configuraciones específicas, obtuvimos nuestra pieza digitalizada en tres minutos.
Su funcionamiento fue realmente sencillo, no precisándose en ningún caso un conocimiento
avanzado en estas tareas para llevar a cabo el escaneo. Bastó con colocar la pieza en una
superficie plana, perfecta para adaptarse a la base de nuestra pieza, para después colocar una
serie de targets alrededor de la zona donde se realizaría el escaneo como se observa en la
figura 20.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
31
Figura 20: Entorno de trabajo el día del escaneo con Go!SCAN 50
Colocados los targets y con el programa abierto, se comienza el escaneo pulsando el gatillo. El
primer paso será permitir que el software reconozca los targets colocados en la superficie
plana. Tras esto, el orden o los ángulos de barrido por los que optemos no afectan al resultado,
ya que el objeto es el punto de referencia por lo que no se necesita ningún sistema de
posicionamiento adicional.
A unas escasas decenas de centímetros del elemento -el software nos avisa si estamos fuera
de la distancia óptima de escaneo- se realiza el barrido de la pieza teniendo siempre en cuenta
el aspecto que ésta presenta en la interfaz de VXelements; variará sus tonalidades en función
de si ya se obtuvo la información necesaria para generar el modelo o por el contrario tiene
todavía zonas por barrer.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
32
Figura 21: Diferentes tonalidades mostradas en función del nivel de información obtenida por zona.
Seguido todo el proceso anterior, el escaneado se dará por finalizado cuando se aprecie un
único color en la pieza, muestra de que no hay zonas por cubrir.
Al no tener que realizar ninguna operación de depurado o similares en el software, se procedió
a exportar el escaneo. En nuestro caso se exportó en formato .STL, una extensión fácilmente
importable en software de diseño asistido por ordenador.
4.3 Generación del modelo 3D mediante fotografía digital
En este apartado hemos tratado de obtener el modelo 3D mediante la combinación de
técnicas de fotogrametría digital y visión por ordenador. El programa al que nos referimos es
Agisoft PhotoScan™.
El programa en cuestión cuenta con un buen número de utilidades y aplicaciones en las que
puede ser realmente efectivo, pero nos centraremos en la que nos ocupa; una pieza industrial
de pequeño tamaño.
El objetivo de esta sección fue construir un modelo 3D texturizado de nuestra pieza a partir de
fotografías digitales. Para ello la casa Agisoft™ nos da una serie de recomendaciones e
indicaciones sobre cómo deben ser tomadas las fotos:
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
33
• Usar cámara digital con resolución razonable (5 Mpix o más).
• Evitar lentes de ojo de pez. Mejor focal fija. Si se usa zoom, la distancia focal mejor al
máximo o al mínimo.
• Usar el formato RAW y después a TIFF (no JPG). Imágenes a máxima resolución
posible.
• ISO al mínimo valor.
• Velocidad de obturación no muy rápida.
• Evitar objetos sin textura, brillantes, espejos o transparentes. Mejor bajo cielo
nublado.
• Evitar objetos moviéndose o planos.
• Operar con imágenes originales, sin transformar.
• Mejor muchas fotos que pocas. Eliminar zonas no visibles. El objeto de interés debe
ocupar el máximo área visible. Con solape mínimo 60%.
• Si queremos hacer mediciones del objeto, poner al menos dos marcas de longitud
conocida o poner una regla.
4.3.1 Funcionamiento de Agisoft PhotoScan™
Hemos utilizado la Standard Edition la cual nos permite realizar la triangulación
fotogramétrica, generar una nube de puntos densa así como texturizar el modelo y
permitirnos su visión en 360º.
El funcionamiento del programa es muy sencillo e intuitivo. Todo el flujo de trabajo se
desarrolla desde la pestaña Workflow y en orden descendente. En primer lugar se añaden las
fotos para después alinearlas y colocarlas tal y como estaban en el espacio en el momento de
la toma. El siguiente paso sería construir la geometría del elemento escaneado con la opción
Build Geometry para terminar usando la última de las opciones que nos interesa, la
reconstrucción de la textura para dar un aspecto más fiel al de la pieza original.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
34
Figura 22: Orden de trabajo en el software Agisoft PhotoScan™.
4.3.2 Generación de la pieza industrial con Agisoft PhotoScan™
Desde el primer día de pruebas nos percatamos de que quizá no fuese un método efectivo
para el tipo de pieza como el que hemos empleado en este trabajo. Aun así, continuamos
modificando ciertos detalles en el proceso de reconstrucción de nuestro modelo para ver
cuánto podíamos mejorar los resultados.
Si bien es cierto que en las primeras pruebas en el software ya se mostraba bastante impreciso
en la generación del modelo, seguimos probando para poder cerciorarnos fehacientemente de
que no era una vía útil para el fin de nuestro proyecto.
4.3.2.1 Primer día de tomas
En el proceso de reconstrucción mediante este software empleamos una pieza diferente a la
que ha sido regenerada a través del escáner láser.
El primer día de tomas fue una primera toma de contacto para ver cómo podría reaccionar el
programa con este tipo de piezas antes descritas.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
35
Figura 23: Aspecto de la pieza fotografiada.
La pieza, totalmente lisa por una fina capa de pintura, fue colocada sobre un cartón estampado
con letras y dibujos. La idea era ayudar al software con puntos identificables en más de una
foto.
A continuación y por ser el primer día de tomas, mostramos el tipo de configuración de trabajo
por el que optamos:
1. Align photos:
Se trata de colocar la cámara en el espacio justo como estaba en el momento de la
toma fotográfica.
Figura 24: Primer paso Align photos.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
36
2. Build geometry:
En este segundo paso se intenta regenerar la geometría del elemento fotografiado.
Viendo el resultado de éste ya se puede intuir cómo será el resultado.
Figura 25: Segundo paso Build geometry.
3. Build texture:
Es el último paso para crear el modelo a partir de fotografías. Su función es
únicamente la de proporcionar la textura de las fotografías a nuestro modelo digital
para darle un aspecto más realista. En ningún caso cambia la geometría del paso 2
(build geometry).
Figura 26: Tercer y último paso Build texture.
4.3.2.2 Segundo y tercer día de tomas
Dado que el resultado del primer día de pruebas no fue el esperado, modificamos todo cuanto
estaba en nuestra mano. Las tomas fueron más cercanas a la pieza e incluimos una serie de
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
37
targets por todas las caras visibles de la pieza. Éstos fueron unas pegatinas blancas de
aproximadamente 1 cm de diámetro con una cruz roja en su centro.
Figura 27: Aspecto de la pieza con targets.
Una vez acondicionada la pieza con las nuevas modificaciones procedimos a realizar una nueva
serie de capturas alrededor del objeto. Una de las citadas modificaciones fue duplicar el
número de fotos a utilizar para construir el modelo.
Insertadas las fotos en Agisoft PhotoScan™, repetimos el proceso tal cual hemos explicado en el apartado primer día de tomas, por lo que mostraremos únicamente el resultado obtenido tras completar el último proceso del flujo de trabajo, es decir, la reconstrucción de su textura.
Figura 28: Aspecto de la pieza tras el tercer día de pruebas en Agisoft PhotoScan™.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
38
Comprobado el nuevo resultado, el cual lejos de mejorar las anteriores tomas fue incluso más
pobre, decidimos dar por agotada esta vía para la generación del modelo 3D.
Por tanto, este software puede perder efectividad al ser utilizadas piezas con superficies lisas,
monocromáticas y con formas geométricas algo complejas con entrantes que dificultan
sobremanera el funcionamiento del programa.
4.4 Tratamiento del modelo
Todo el proceso posterior al escaneado, anteriormente explicado en el apartado 4.2, fue
desarrollado con el software CATIA.
Como ya sabemos, se conoce como ingeniería inversa al proceso de duplicado de una pieza,
componente o conjunto sin la ayuda de planos, documentación o modelos de CAD auxiliares.
Se parte de un modelo físico y se usan métodos de ingeniería de análisis, medida y diseño para
finalmente obtener una réplica idéntica o mejora del objeto.
Desde un principio, el objetivo del proyecto ha sido realizar un análisis métrico de un modelo
3D generado a partir de una pieza industrial, por ende, con el objetivo de desvirtuar lo mínimo
la geometría original del escaneado, nos hemos limitados a adecuar ésta a la impresora 3D, ya
que difícilmente un escaneado puede ser directamente impreso sin un anterior proceso de
tratamiento de datos.
A continuación explicamos cómo hemos tratado la información obtenida por el escáner 3D:
1. Importar en CATIA la nube de puntos
Para aplicar ingeniería inversa a nuestra nube de puntos emplearemos el módulo “Digitized
Shape Editor” de CATIA V5.
Importado el archivo de extensión .STL, ya podemos observar la nube de puntos en CATIA y
nuestro siguiente objetivo será realizar una red de triángulos poliédrica (malla), la cual puede
definirse como un conjunto de triángulos que representan la superficie del modelo 3D de un
objeto.
2. Tratamiento y triangulación de la nube de puntos
Antes de crear la malla de triángulos, intentamos eliminar puntos que puedan dificultar o
empeorar los resultados para después ya sí generar la malla triangular.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
39
Eliminación de puntos erróneos:
Es un paso vital antes de la creación de la malla y se hace con una primera
visualización de la nube de puntos. Se eliminarán sólo los puntos que sepamos con
certeza que son erróneos.
Figura 29: Ejemplos de puntos erróneos en el modelo escaneado.
La eliminación de puntos se lleva a cabo con el comando “Remove” y dentro de él
especificamos el tipo de elemento “Point”.
Generación de la malla de triángulos:
Depurados los puntos, empleamos el comando “Mesh Creation” que realiza un
mallado automático donde se pueden definir varios parámetros, tales como reducir el
número de puntos, distancia máxima para crear triángulos, etcétera. Todos ellos
fueron configurados para obtener el mallado más fiel a la geometría de la pieza
original aunque pudiese requerir más tiempo de procesado.
3. Tratamiento del mallado
Como en todos los programas que posibilitan la creación automática de mallas, pueden
aparecer zonas mal trianguladas o poco definidas que empeoren el resultado final. Por ello, al
no estar garantizado que obtengamos una malla perfecta, debemos realizar de nuevo algunas
operaciones de forma manual para subsanar estos inconvenientes.
Al tener una enorme densidad de puntos, nos centramos en zonas críticas como cantos o
perforaciones, que es donde más podría resentirse el modelo a una mala disposición de
triángulos.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
40
Los errores de los que hablamos son los siguientes:
Triángulos corruptos:
Son triángulos que han sido generados erróneamente al utilizar el proceso de mallado
automático.
o Triángulos duplicados:
Son triángulos que comparten sus tres vértices con otro triángulo. Se pueden
detectar fácilmente ya que CATIA los marca con una tonalidad diferente.
o Triángulos con lados compartidos por más de dos triángulos:
Alguno de los lados de un triángulo es compartido por dos o más triángulos,
rompiendo la homogeneidad de la malla.
Figura 30: Ejemplo de triángulo corrupto.
o Triángulos que unen zonas muy distantes o separadas:
Saltan a la vista rápidamente ya que triangula entre dos zonas donde sabemos
con seguridad que no debe haber nada. Se soluciona haciendo uso de nuevo
de la función “Remove”.
Triángulos erróneos:
A diferencia de los triángulos corruptos estudiados anteriormente, los erróneos son
más difíciles de detectar ya que no provocan efectos matemáticos en la malla y no
afecta al algoritmo que genera la superficie geométrica. La única manera de
detectarlos es teniendo un buen conocimiento sobre la geometría del objeto
representado por la malla de triángulos.
Al contar nuestra pieza con una geometría bien definida y superficies lisas, éstos han
sido los menos, pero igualmente nombramos y clasificamos brevemente como; puntos
ignorados que eran correctos, puntos usados por el mallado automático y que eran
erróneos, triángulos irregulares (se pretende, siempre que se pueda, que los triángulos
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
41
tengan forma prácticamente regular) y triángulos mal orientados (al estar orientados
incorrectamente pueden desfavorecer el aspecto curvo de zonas curvas).
Zonas no definidas o pobremente definidas:
Son zonas del elemento escaneado, sea cual sea, donde el haz del láser difícilmente
puede cumplir su objetivo. Esto se traduce en zonas donde directamente no se ha
podido triangular por falta de información o partes del objeto donde la escasez de
puntos hace imposible una reconstrucción fiel a la geometría del original.
En nuestro caso particular, estos problemas aparecieron en cuatro taladros que no
superan el centímetro y donde los resultados fueron bastante pobres.
Figura 31: Problema presentado en dos de los cuatro taladros de la pieza.
4. Creación de la superficie
Para transformar nuestra malla en una superficie geométrica hemos usado el módulo de CATIA
V5 “Quick Surface Reconstruction”.
El comando necesario para la creación de la superficie “Automatic Surface” aplica un algoritmo
matemático que transforma la malla en un conjunto de superficies tangentes.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
42
Una vez generada la superficie, procedemos a terminar de acondicionarla para la posterior
impresión 3D. Esto lo hicimos mediante el módulo de CATIA “Generative Shape Design” y lo
explicamos en dos puntos:
Crear tapa:
Al estar la pieza en todo momento apoyada en una superficie plana durante el
escaneo, es evidente que en esa zona de la pieza, también plana, no tenemos
información alguna, no siendo así en los bordes de las caras que intersectan con la
base de la pieza. Esto nos ayudará a cerrar nuestra pieza y conseguir una superficie
cerrada.
Figura 32: Tapa creada para cerrar la superficie.
Tapar taladros:
Tal y como explicamos anteriormente, el escaneo en la zona taladrada fue muy pobre y
decidimos tapar los taladros. Otra opción hubiese sido estimar el diámetro de dicho
taladro, pero ciñéndonos al objetivo final del proyecto, decidimos descartarlo ya que
no contábamos con datos suficientemente fiables para ello.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
43
Figura 33: Aspecto de la pieza acabada con los taladros tapados.
4.5 Impresión 3D
Después del escaneo de la pieza (apartado 4.2) y el tratamiento de datos para su adecuación a
la impresión (apartado 4.4) se hizo uso de la impresora 3D como último proceso de la
generación del modelo 3D.
El funcionamiento de la impresora utilizada y el software (Cura SteamEngine) es muy sencillo;
antes de la inserción del modelo (extensión .STL) y del inicio de impresión, sólo se requiere de
una configuración de unos parámetros que varían en función del tipo de elemento a imprimir,
material utilizado, calidad de impresión, etcétera.
Figura 34: Pieza insertada en el software CURA.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
44
Se realizaron dos impresiones del modelo con la configuración idéntica con excepción de lo
que explicamos a continuación:
Primera impresión: Se imprime la pieza inclinada, es decir, sin ajustar al plano
horizontal. El programa produce un soporte provisional y configurable a su vez y que
puede ser retirado si se desea una vez finalizada la impresión. Se incrementa el gasto
de material y por ende aumenta el tiempo de impresión.
Segunda impresión: Se ajustó el modelo al plano horizontal con el programa CURA.
El material utilizado fue PLA. El poliácido láctico o PLA es creado a partir de recursos
renovables, tales como almidón de maíz, raíces de tapioca o la caña de azúcar. La gran ventaja
de este material es que es biodegradable y no emite gases nocivos.
Sus grandes inconvenientes son que el PLA es mucho más frágil que otros materiales comunes
en estas técnicas como el ABS, ya que debido a sus componentes de biodegradabilidad hace
que tenga una vida útil más corta que el ABS. Además el proceso del mecanizado, taladrado,
pintado y pegado suele ser mucho más complicado que con el ABS.
Respecto a la impresión con PLA, se ha convertido en un material más fácil de imprimir, debido
a su capacidad de impresión en temperaturas más bajas que el ABS. El PLA necesita una
temperatura de extrusión de entre 190º y 210º Celsius, aunque no sea necesaria la utilización
de una cama caliente, muchos usuarios, entre ellos nosotros, la utilizan para evitar posibles
problemas debido al contraste térmico, a la que le configuran una temperatura entre 50- 70º
C.
Cabe destacar que es más lento para enfriarse, por lo que se recomienda usar un ventilador
para poder acelerar el proceso de endurecimiento.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
45
Figura 35: Momento de una de las impresiones en marcha.
Respecto a la configuración común en ambas impresiones destacamos los siguientes
parámetros:
• Altura de la capa = 0,3 mm
• Espesor de pared = 1,2 mm
• Espesor de la capa solida = 1 mm
• Tamaño de la boquilla = 0,6 mm
• Temperatura de impresión = 210 °C
• Temperatura de la cama = 55 °C
• Diámetro del filamento = 2,85 mm
El archivo de impresión íntegro con todos los parámetros configurables es el siguiente:
layer_height = 0.3
wall_thickness = 1.2
retraction_enable = True
solid_layer_thickness = 1
fill_density = 25
nozzle_size = 0.6
print_speed = 60
print_temperature = 210
print_temperature2 = 0
print_temperature3 = 0
print_temperature4 = 0
print_bed_temperature = 55
infill_speed = 0.0
cool_min_layer_time = 5
fan_enabled = True
skirt_line_count = 1
skirt_gap = 3.0
skirt_minimal_length = 150.0
fan_full_height = 0.5
fan_speed = 100
fan_speed_max = 100
cool_min_feedrate = 10
cool_head_lift = False
solid_top = True
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
46
support = Everywhere
platform_adhesion = Brim
support_dual_extrusion = Both
wipe_tower = False
wipe_tower_volume = 15
ooze_shield = False
filament_diameter = 2.85
filament_diameter2 = 0
filament_diameter3 = 0
filament_diameter4 = 0
filament_flow = 100.0
retraction_speed = 40.0
retraction_amount = 4.5
retraction_dual_amount = 16.5
retraction_min_travel = 1.5
retraction_combing = True
retraction_minimal_extrusion =
0.02
bottom_thickness = 0.3
object_sink = 0.0
overlap_dual = 0.15
travel_speed = 150.0
bottom_layer_speed = 20
solid_bottom = True
fill_overlap = 15
support_fill_rate = 30
support_xy_distance = 2
support_z_distance = 0.15
spiralize = False
brim_line_count = 5
raft_margin = 5
raft_line_spacing = 1.0
raft_base_thickness = 0.3
raft_base_linewidth = 0.7
raft_interface_thickness = 0.2
raft_interface_linewidth = 0.2
fix_horrible_union_all_type_a =
False
fix_horrible_union_all_type_b =
False
fix_horrible_use_open_bits =
False
fix_horrible_extensive_stitching
= False
plugin_config = (lp1
object_center_x = -1
object_center_y = -1
Una vez realizada la configuración y dada la orden de impresión, sólo falta esperar para
obtener la pieza impresa.
Figura 36: Aspecto de la pieza en sus dos impresiones.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
47
4.6 Estudio de deformaciones
Tal como se indicó en el apartado de objetivos, el propósito de este trabajo es comprobar, a
partir de una pieza de la que se conoce su proceso de fabricación, la deformación que sufre el
modelo creado por diferentes medios (escaneo 3D, foto digital, impresión 3D) determinando
errores y tolerancias y valorando si se cumplen las especificaciones técnicas de partida y por
tanto, si el proceso seguido es válido para la creación de prototipos de piezas.
Como se indicó en el apartado 4.1, se acotaron y midieron 9 secciones de la pieza elegida en
diferentes fases del proceso:
a) Medida de la pieza original con un calibre (Datos Calibre).
b) Medida con Meshlab del modelo 3D generado por escaneo (Datos Meshlab).
c) Medida con CATIA del modelo 3D generado por escaneo (Datos CATIA).
d) Medida sobre la pieza impresa (Datos Impresión).
Todas estas mediciones se compararon con los datos proporcionados con el fabricante,
denominados Datos Modelo.
No se realizaron medidas sobre el modelo generado a partir de fotografía digital, por su mala
calidad.
5. Resultados
En esta sección mostraremos los resultados que hemos ido recabando durante el proceso de
generación del modelo 3D, desde su escaneado hasta la impresión del mismo, además del
estudio métrico realizado en el transcurso del proyecto.
5.1 Generación del modelo 3D mediante escáner
Tras el escaneado con el equipo y metodología descritos en los apartados 3.2 y 4.2
respectivamente, tuvimos como resultado un modelo digital importable en distintos software
de diseño gráfico.
Las imperfecciones propias del escaneo fueron corregidas posteriormente. Se puede observar
en el apartado 5.3.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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Figura 37: Red de triángulos obtenida tras el escaneo de la pieza.
Al estar sustentada la pieza en una superficie plana durante el escaneo, carece de la base de la
pieza. La mostramos a continuación:
Figura 38: Red de triángulos obtenida tras el escaneo observada desde la base.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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5.2 Generación del modelo 3D mediante fotografía digital
Como ya indicamos con anterioridad, los resultados estuvieron lejos de lo que nos
esperábamos o del mínimo aceptable como para considerarlo una opción viable para la
generación del modelo.
Una única foto es más que suficiente para ver la ineficacia de esta vía de trabajo, dadas las
características de la pieza.
Figura 39: Aspecto del modelo generado mediante fotografía digital.
5.3 Tratamiento del modelo
La nube de puntos obtenida y descrita en el apartado 4.4 fue regenerada y adecuada a la
impresión en su totalidad en el software CATIA. El resultado obtenido fue la pieza cerrada y
preparada para la impresión 3D.
Se obtuvieron dos archivos de la pieza, siendo uno de ellos la versión suavizada del otro.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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Figura 40: Dos perspectivas de la pieza tratada sin el módulo de suavizado.
En la pieza “suavizada” se observa como la superficie es mucho menos rugosa y de un aspecto
más fiel a la pieza real. Para ello se utilizó un módulo de suavizado en el software antes citado
y explicado nuevamente en el apartado 4.4.
Figura 41: Distintas perspectivas del modelo tratado con el módulo de suavizado de CATIA.
5.4 Impresión 3D
Se realizaron dos impresiones en 3D con el equipo y metodología descritos en el apartado 3.6
y apartado 4.5 respectivamente.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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La primera impresión se dio con la base de la pieza inclinada, sin ajustar al plano horizontal por
lo que el programa proporciona un soporte provisional que puede ser retirado con
posterioridad. El plástico utilizado fue PLA.
Figura 42: Diferentes perspectivas de la primera impresión.
En la segunda impresión se ajustó el plano horizontal a la base de nuestra pieza. El resto de la
configuración fue idéntica al igual que el material utilizado.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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Figura 43: Diferentes perspectivas de la segunda impresión.
5.5 Estudio de deformaciones
Las medidas realizadas sobre los diferentes pasos del proyecto se resumen en la tabla 4.
Las unidades en todos los datos de este apartado vienen dadas en milímetros. Recordemos
que los resultados son los promedios de tres medidas realizadas a cada sección o lado:
Medida escaneado
Datos Impresión Lado Datos Modelo Datos Calibre Datos MeshLab Datos CATIA
A 72,5018 72,3000 72,2628 72,1913 71,6998
B 117,4017 117,2000 116,5036 117,5837 117,5998
C 86,3248 86,2000 85,8232 85,3743 85,9497
D 5,2000 5,3000 5,0451 5,1890 5,1820
E 3,2000 3,3000 3,1825 3,3300 3,4827
F 8,0000 8,0000 7,9575 8,4397 8,3154
G 20,0000 20,1500 17,0529 17,7690 17,8499
H 146,0729 145,6000 145,0200 145,3180 145,0832
I 29,0000 29,2000 26,5803 26,9177 28,4996
Tabla 4: Medidas tomadas en los diferentes procesos.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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Comparando los Datos Modelo con el resto de mediciones obtenemos la siguiente tabla,
donde están las diferencias y los porcentajes en valor absoluto:
Lado Modelo- Calibre % Mod-MeshLab % Mod-CATIA % Mod-Impresión %
A 0,2018 0,28 0,2390 0,33 0,3105 0,43 0,8020 1,11
B 0,2017 0,17 0,8981 0,76 -0,1820 0,15 -0,1981 0,17
C 0,1248 0,14 0,5016 0,58 0,9505 1,11 0,3751 0,43
D -0,1000 1,92 0,1549 2,98 0,0110 0,21 0,0180 0,35
E -0,1000 3,12 0,0175 0,55 -0,1300 3,73 -0,2827 8,83
F 0,0000 0,00 0,0425 0,53 -0,4397 5,29 -0,3154 3,94
G -0,1500 0,75 2,9471 14,74 2,2310 12,50 2,1501 10,75
H 0,4729 0,32 1,0529 0,72 0,7549 0,52 0,9897 0,68
I -0,2000 0,69 2,4197 8,34 2,0823 7,31 0,5004 1,73
Tabla 5: Diferencias y porcentajes respecto al modelo.
Repetimos el proceso ahora con la comparación de Datos Calibre con el resto de mediciones
en el proceso.
Éste es el cuadro más significativo para estudiar las deformaciones desde el inicio del proceso
hasta su ultimación dado que, se puede estudiar cuánta diferencia hay entre la pieza física
original con el modelo escaneado y por último la pieza impresa.
Lado Calibre-Meshlab % Calibre-CATIA % Calibre-Impresión %
A 0,0372 0,05 0,1087 0,15 0,6002 0,83
B 0,6964 0,59 -0,3837 0,33 -0,3998 0,34
C 0,3768 0,44 0,8257 0,96 0,2503 0,29
D 0,2549 4,81 0,1110 2,09 0,1180 2,23
E 0,1175 3,56 -0,0300 0,91 -0,1827 5,54
F 0,0425 0,53 -0,4397 5,50 -0,3154 3,94
G 3,0971 15,37 2,3810 11,82 2,3001 11,41
H 0,5800 0,40 0,2820 0,19 0,5168 0,35
I 2,6197 8,97 2,2823 7,82 0,7004 2,40
Tabla 6: Diferencias y porcentajes respecto a los datos del calibre.
Para estudiar tolerancias y ver qué secciones o lados cumplen con las precisiones dadas en las
especificaciones del escáner y la impresora 3D, mostramos una tabla donde se da el porcentaje
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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en valor absoluto y la diferencia entre el promedio de las medidas MeshLab-CATIA y las
medidas tomadas sobre la pieza original física (la que fue escaneada) y los datos obtenidos
sobre la pieza impresa.
En dicha tabla las medidas que cumplen con las especificaciones irán pintadas en verde y las
que no en rojo, sabiendo previamente que:
En las especificaciones del escáner se da como precisión alcanzable “hasta 0,1 mm”. Al
no proporcionarse un máximo, requerido para saber si cumplen o no nuestras
mediciones con las especificaciones, lo marcamos arbitrariamente en 0,3 mm para
hacerlo así coincidir con la precisión de la impresora 3D.
En la configuración de la impresión 3D se marcó como altura de capa 0,3 mm.
Lado Calibre-
Media MeshLab/CATIA %
Media MeshLab/CATIA - Impresión
%
A 0,0730 0,10 0,5272 0,73
B 0,1564 0,13 -0,5562 0,48
C 0,6013 0,70 -0,3510 0,41
D 0,1830 3,45 -0,0650 1,27
E 0,0437 1,33 -0,2265 6,95
F -0,1986 2,48 -0,1168 1,42
G 2,7391 13,59 -0,4390 2,52
H 0,4310 0,30 0,0858 0,06
I 2,4510 8,39 -1,7506 6,54
Tabla 7: Tabla de estudio de tolerancias.
Análisis métrico de un modelo 3D generado a partir de una pieza industrial Álvaro Martínez Fernández
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6. Conclusiones
Podemos crear modelos 3D de objetos o escenas a partir de técnicas de escaneado, usando un
escáner 3D, o mediante fotografía digital con los sistemas de modelado basado en imágenes
(IBM, Image-Based Modellling). La creación de modelos 3D es básica en los procesos de
prototipado y de ingeniería inversa.
En este trabajo fin de grado se ha generado un modelo 3D de una pieza industrial definida,
tanto por escaneo como mediante fotografía digital.
Es muy diversa la respuesta de diferentes software de diseño asistido por ordenador ante
archivos pesados como una densa nube de puntos.
El proceso de escaneo ha sido correcto dada la calidad del escáner en los planos XY, pero
resultando menos fiable en el eje Z, donde las únicas mediciones que realizamos sobre este eje
se fueron por encima de los 2 mm.
Los resultados aplicando los sistemas IBM no han sido satisfactorios, pues la homogeneidad en
forma y color de la pieza no han permitido generar el modelo.
Finalmente se ha impreso la pieza escaneada tras el tratamiento del modelo mediante el
software adecuado. Según las mediciones realizadas en este caso, la impresión 3D es válida
para el diseño de la pieza, pero no para su fabricación.
En cualquier caso las pruebas se han realizado con el material disponible, no siendo el objetivo
extraer unos datos numéricos concretos sino aprender a utilizar y testar diferentes
tecnologías, que generalmente están en el campo del diseño industrial, pero que un Graduado
en Ingeniería en Geomática y Topografía puede realizar perfectamente.
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7. Bibliografía
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