Diseño y fabricación asistida (CAD-CAM)

La interfaz de un software CAD suele dividirse en varias áreas: la zona de dibujo (donde visualizamos el modelo), el árbol de operaciones (historial de pasos realizados) y las barras de herramientas.

Para situar los objetos en el espacio, utilizamos sistemas de referencia:

• Coordenadas Cartesianas: Definen un punto mediante $(x, y)$ en 2D o $(x, y, z)$ en 3D, representando la distancia a los ejes principales.
• Coordenadas Polares: Definen un punto mediante una distancia y un ángulo $(r, \theta)$. Son muy útiles para diseños circulares o piezas con simetría radial.

Es vital establecer las unidades de medida (normalmente milímetros en ingeniería) y la escala antes de comenzar, para asegurar que el objeto real tenga las dimensiones deseadas.

Todo diseño complejo comienza con entidades geométricas básicas. Las más comunes son las líneas, círculos, arcos y polígonos. Para organizar dibujos complejos, utilizamos capas (layers), que permiten separar, por ejemplo, las líneas de contorno de las líneas de cota o de los ejes de simetría.

Entre las herramientas de modificación más importantes destacan:

1. Recortar/Alargar: Ajustan la longitud de las entidades hasta un límite definido.
2. Desplazar/Copiar: Mueven o duplican objetos manteniendo sus propiedades.
3. Simetría: Crea una copia especular respecto a un eje, ahorrando tiempo en piezas simétricas.

El paso del 2D al 3D se realiza mediante operaciones que añaden volumen a un boceto plano:

• Extrusión: Empuja un perfil 2D a lo largo de una línea recta para crear un sólido.
• Revolución: Gira un perfil alrededor de un eje central (ideal para botellas, poleas o ejes).

Para combinar formas, empleamos operaciones booleanas:

• Unión: Suma dos volúmenes para formar uno solo.
• Diferencia: Resta un volumen de otro (útil para hacer agujeros).
• Intersección: Mantiene solo la parte donde ambos volúmenes coinciden.

El boceto es el alma del modelo 3D; si el boceto está bien definido y acotado, el modelo final será robusto y fácil de modificar.

El flujo de trabajo estándar sigue estos pasos:

1. Diseño CAD: Creación del modelo 3D.
2. Configuración CAM: Definición de la estrategia de fabricación (herramientas, velocidades).
3. Post-procesado: Traducción de las trayectorias a un lenguaje que la máquina entienda, generalmente G-Code.

El CAM permite simular cómo se moverá la herramienta, evitando errores costosos antes de encender la maquinaria.

No todos los archivos sirven para todo. Dependiendo del proceso, necesitaremos:

• DXF: Formato vectorial 2D para corte láser o plasma.
• STL: El estándar para impresión 3D. Representa la superficie mediante una malla de triángulos. A mayor número de triángulos, mejor resolución, pero el archivo será más pesado.
• STEP/IGES: Formatos de intercambio para modelos 3D sólidos, que mantienen la información geométrica exacta.

Antes de fabricar, el software realiza una simulación para la detección de colisiones. Esto evita que la herramienta choque con las mordazas de sujeción o con partes de la propia máquina. Además, nos proporciona una estimación de tiempos, clave para calcular el coste de producción y optimizar las trayectorias para reducir el desgaste de la maquinaria.

Es la tecnología más común en educación. Una boquilla caliente (hot-end) funde un filamento de plástico y lo deposita sobre una base.

• Componentes: Extrusor, cama caliente, motores paso a paso y ventiladores de capa.
• Materiales:
  • PLA: Biodegradable, fácil de imprimir, no huele mal.
  • ABS: Resistente y duradero, pero requiere cámara cerrada por los gases y la contracción térmica.
  • PETG: Un equilibrio entre la facilidad del PLA y la resistencia del ABS.

El laminador corta el objeto 3D en capas horizontales. Parámetros críticos:

• Altura de capa: Define la resolución vertical. Menor altura significa más detalle pero más tiempo.
• Relleno (Infill): Densidad interna de la pieza (del 0% al 100%).
• Soportes: Estructuras temporales para sujetar partes voladizas (ángulos superiores a 45º).

El problema más común es el warping (despegue de las esquinas debido a la contracción térmica). Se soluciona nivelando bien la base y usando adhesivos o camas calientes. Los atascos suelen deberse a impurezas en el filamento o temperaturas incorrectas. El mantenimiento preventivo incluye la limpieza de las guías y el tensado de correas.

Las máquinas CNC se mueven en al menos tres ejes: X (longitudinal), Y (transversal) y Z (vertical).

• Fresado: La herramienta gira y se desplaza sobre la pieza fija.
• Torneado: La pieza gira y la herramienta se desplaza para darle forma cilíndrica.

Las herramientas o fresas varían según el material (madera, metal, plástico) y el tipo de acabado deseado (planeado, ranurado o acabado de superficies curvas).

El G-Code es el lenguaje universal de las máquinas CNC. Algunos comandos básicos son:

• G00: Movimiento rápido (sin cortar).
• G01: Movimiento lineal de corte a una velocidad programada.
• G02/G03: Movimientos circulares (horario y antihorario).
• M03/M05: Arrancar y parar el cabezal.
• M30: Fin del programa.

Es fundamental establecer el punto cero de la pieza (WCS), que es la referencia donde la máquina empieza a contar las coordenadas.

El trabajo con CNC implica riesgos mecánicos (proyección de virutas) y acústicos.

1. EPIs: Uso obligatorio de gafas de seguridad y protección auditiva. Nunca usar guantes con herramientas rotativas (riesgo de atrapamiento).
2. Parada de emergencia: Botón rojo de gran tamaño que corta la energía inmediatamente.
3. Gestión de residuos: Las virutas de metal o plástico deben reciclarse correctamente según la normativa ambiental local.

Antes de dibujar, debemos definir las especificaciones técnicas: ¿Qué peso debe soportar? ¿Qué tamaño máximo puede tener? En esta fase se realiza el presupuesto, calculando el coste del material: $\text{Coste Total} = (\text{Peso pieza} \times \text{Precio/kg}) + \text{Coste energético} + \text{Amortización máquina}$

Rara vez el primer diseño es perfecto. El diseño iterativo consiste en fabricar un prototipo rápido, probarlo, detectar fallos (por ejemplo, piezas que no encajan) y volver al software CAD para corregirlos. Este ciclo se repite hasta que el producto cumple todas las funciones.

El resultado final debe incluir:

• Planos acotados: Vistas (alzado, planta y perfil) con todas las medidas necesarias.
• Hoja de procesos: Lista ordenada de las operaciones realizadas.
• Memoria: Justificación de las decisiones tomadas y análisis del resultado final respecto a los objetivos iniciales.