Diseño automotriz y superficies complejas

Escrito por  Sebastián Zaje Octubre 28, 2008

Desde los artesanos que traducían bocetos en grandes maquetas físicas hasta los Surface Modelers de hoy, el diseño ha sido fundamental en la historia del automóvil. Las superficies de alta complejidad le confieren atractivo y belleza y si bien hoy se cuenta con sofisticado software 3D también son necesarios la experiencia y el profesionalismo del modelador, por cierto, un profesional muy bien pago.

Desde hace muchos años los automóviles están entre nosotros, pero  desde hace relativamente poco tiempo, los mismos son dibujados íntegramente en tres dimensiones en programas CAD y posteriormente representados a través de las tecnologías CAM.

Con el desarrollo y posterior mejora de estas tecnologías, el artesano, es decir el encargado de representar aquello que le pedía el diseñador,  fue dejando paso gradualmente al surface modeler en la generación de formas complejas en 3D utilizando software CAD.

El antiguo modelador 3D trabajando a mano en la producción de una maqueta de gran tamaño.

Actualmente las superficies complejas y de excelente calidad son las llamadas superficies Clase-A. Estas superficies tienen una serie de características que las hacen óptimas para el diseño automotriz. También son luego reutilizables en procesos de mecanizado para la fabricación de moldes y para ser utilizadas en sí en todo el proceso de diseño y análisis de fabricación.

Las superficies de gran calidad y la pureza de líneas le confieren belleza a los diseños automotrices modernos tal como en este Saab de Saab Automobile AB.

Ahora bien, cuando hablamos de superficies, poco es lo que se sabe de éstas, de los principales tipos existentes y de cómo medir su calidad en función de sus características y del uso que se les dará. Es importante destacar que hay variadas definiciones y acepciones en lo que se refiere a la calidad de una superficie.

Superficies e historia

Podemos decir que una superficies orgánica, de las utilizadas normalmente en la industria automotriz, es parametrizable si bien de manera compleja. En efecto, una superficie moderna posee una infinidad de radios, y no uno solo como puede suceder en un elemento totalmente paramétrico.

Con anterioridad al uso de la computación era necesario modelar curvas y superficies a través de complicados modelos físicos de enormes proporciones; esto llevaba mucho tiempo y costaba elevadas sumas de dinero.

En la etapa inicial se contaba con la participación de un especialista a quien se denominaba loftsman. El término fue acuñado originalmente en la industria naval, donde los loftsmen creaban estructuras de quillas y cascos de embarcaciones a partir de costillas de madera. Esta metodología fue transmitida posteriormente a la creciente industria aeroespacial y, por supuesto, a la industria automotriz que, al igual que las anteriores, requería de superficies con suaves transiciones entre unas y otras. Imaginemos, pues, el tamaño de los dibujos del loftsman cuando trabajaba en barcos de grandes proporciones, lo que lo obligaba a hacerlo en enormes galpones o hangares.

Las herramientas de trabajo del loftsman consistían en largas, finas y flexibles varillas de madera, plástico, o metal  llamadas splines. Éstas eran mantenidas en su lugar por medio de un peso llamado duck, que no significa otra cosa que pato por su semejanza con estas aves. Las curvas resultantes eran suaves, y variadas en su curvatura dependiendo de la posición de los ducks.

Los ducks, por su similitud con patos, son pesos para splines. En la imagen, ducks de bronce sólido fabricados por la firma Edson.

Durante los 50 se hizo necesario contar con una representación matemática de las superficies con formas libres y orgánicas. Este tipo de superficies eran las frecuentemente utilizadas en las industrias automotriz y naval, y el objetivo era poder reproducirlas con absoluta precisión las veces que fuesen necesarias.

Así comenzó el desarrollo de las NURBS, acrónimo de Non Uniform Rational Basis Spline, o Bézier Spline. Los precursores de esto fueron Pierre Bézier y Paul de Casteljau quienes trabajaban para Renault y Citroën, respectivamente. Recién en los años 60 se generalizó la terminología de Bézier Splines, para referirse a las NURBS.

Pierre Etienne Bézier (1910-1999) trabajó por más de 40 años para Renault. Comenzó su investigación acerca de CAD/CAM en el 60.

Con la introducción de la computación en estos procesos de diseño, se procedió al análisis de los materiales físicos empleados en las splines, para ser sustituidos por algoritmos computacionales. Los ducks fueron reemplazados por vértices de control (CV). En un principio sólo fueron utilizados en los programas de las compañías automotrices; luego se convirtieron en un estándar de modelado para todo software gráfico.

Las primeras aproximaciones a un modelador de NURBS, curvas y superficies, estaba disponible para workstations Silicon Graphics en 1989. Fue aproximadamente en 1993 cuando surge NöRBS, el primer programa para PC (tal cual los conocemos hoy); NöRBS era un desarrollo realizado por una compañía Alemana, y la Tecnische Iniversität Berlin (Universidad Técnica de Berlín).

Diferencias entre NURBS y Bézier

Las dos curvas tienen la misma forma. La primera tiene 6 vértices de control, 3 segmentos y 4 puntos de edición: es una curva NURBS. La segunda tiene 6 vértices de control y sólo 1 segmento con 2 puntos de edición.

Las superficies Bézier y las superficies NURBS son parientes cercanos. Pierre Bézier desarrolló un algoritmo matemático para describir una superficie libre a través de la posición de sus puntos fijos o anclados.

Las superficies NURBS tienen más información en las líneas spans o isoparamétricas. Con las superficies Bézier se logran formas similares con mayor pureza y menor información.

El algoritmo NURBS es un desarrollo posterior al de Bézier y cuenta con la ventaja o desventaja que agrega geometría adicional a las superficies. Éstas son las llamadas spans, que permiten a una superficie única, realizar grandes cambios en su forma y dirección, mucho más en comparación con las superficies Bézier. Por otro lado resulta posible incorporar muchas superficies Bézier dentro de una superficie NURBS.

Obviamente resulta más difícil controlar superficies NURBS que superficies Bézier. Por esta razón las superficies Clase-A son totalmente dependientes de las superficies Bézier.

Patch layout de superficies tal como se observan en el software modelador 3D.

Al trabajar cotidianamente en los distintos software de modelado 3D más orientados a la industria de diseño automotriz, encontramos que todos utilizan NURBS de manera automática, pero casi ninguno logra generar con la misma facilidad superficies Bézier.

La complejidad de la forma automotriz

Por ello es que existen diferencias entre modelar un objeto 3D y crear un grupo de superficies que definan una forma compleja cumpliendo con los requisitos de la industria automotriz. Y lo más interesante es que no todo depende precisamente del software. El éxito depende, pues, de la experiencia del profesional modelador. Por supuesto que también influirá en los resultados las posibilidades de la herramienta de software que se utilice. De hecho, existen algunos programas netamente automáticos que no permiten al usuario adentrarse en el modelado manual; puede que admitan esta posibilidad pero sin contar con las herramientas apropiadas para hacerlo óptimamente lo cual es decididamente imprescindible para alcanzar estándares de calidad matemática y estética adecuados.

Por todo esto la profesión de modelador de superficies Clase-A es muy buscada y altamente rentable. Además, a estos profesionales se le confían aspectos determinantes del diseño automotriz. Un detalle interesante es que los Surface Modelers pueden llegar a ganar más dinero que los propios diseñadores; o bien nunca son absorbidos por las empresas automotrices y se desempeñan como profesionales freelance.

El proceso, el software, las personas

Para todo este proceso tenemos distintas calidades de superficies:

  • Superficies Clase-C
  • Superficies Clase-B
  • Superficies Clase-A

Las diferentes continuidades: desde posición G0 hasta curvatura G2. Una superficie Clase-A debe tener un mínimo de continuidad G2 y preferentemente G3. Todo esto define la calidad y belleza de las superficies.

El proceso permitirá ir pasando de una a otra superficie, comenzando con la digitalización de los dibujos realizados a mano por el diseñador y luego en sucesivas etapas mejorando la geometría o matemática 3D, hasta lograr una calidad aceptada por los estándares de la industria.

En el proceso de diseño repetidas veces será necesario crear prototipos físicos a escala 1:1, luego mecanizados y posteriormente utilizados para validar el proceso de diseño. Este procedimiento se denomina ingeniería reversa. De estos modelos se aplican luego ajustes a la geometría, muchas veces realizados a mano, los cuales se ingresan luego al software modelador 3D.

Se trata de un proceso de intercambio frecuente entre la geometría modelada y la geometría escaneada de un modelo físico. Para ello hay diversas soluciones de software que permiten trabajar solamente en el mallado escaneado de los modelos físicos.

Proceso de escaneo de puntos a partir de prototipos físicos. Luego se continúa el procedimiento dentro del modelador tridimensional.

Por otra parte es muy importante destacar que no existe una única definición de superficies Clase-A, ya que cada empresa define sus propios estándares y calidades. Así es como hay variaciones entre una y otra empresa, y esto constituye parte del aprendizaje de cada compañía, un aprendizaje holístico en el trabajo con las superficies y la matemática tridimensional.

Los puntos considerados principalmente son:

  • Calidad de construcción de la superficie.
  • Tolerancias utilizadas.
  • Estándares de visualización.
  • Tipo de superficies y sus cortes (trim).
  • Uso de superficies Bézier.

De todos modos existen requisitos mínimos que deberá tener una superficie para ser considerada de Clase-A, esto es tener un mínimo de continuidad G2 (curvatura), aunque preferentemente G3, en relación a las superficies primaria y secundaria utilizadas. No más de 7 spans (preferentemente ninguno) y un grado de superficie no mayor a 7 (en la mayoría de los estándares 5 ó 3 son los normales y máximos). la continuidad está dada por la ubic de los puntos sobre la sup que le confieren suavidad

Ahora bien,  ¿qué es esto de G2 y G3? Para explicar las continuidades entre superficies diremos básicamente que es el tipo de vinculación que tienen los puntos de las superficies y que definen la geometría de las mismas.

Diagrama de procesos de diseño. Se varían las calidades de las superficies involucradas desde el modelo de análisis hasta el modelo final con formas ya definidas y apto para la producción.

Tendremos entonces :

  • G0 Posición (las superficies se tocan entre sí).
  • G1 Tangencia (ángulo).
  • G2 Curvatura (radio).
  • G3 y más curvatura por aceleración de sus puntos (variación en la curvatura).

La calidad de estos encuentros quedará evidenciada al ver los reflejos de la luz sobre estas superficies; serán precisamente los golpes de luz los que indicarán dónde hay imperfecciones o transiciones poco suaves. Los reflejos en una y otra superficie deben verse constantes, pues de otro modo el resultado serían superficies desconectadas. De todas maneras, son muchos los diseños en los cuales se buscan intencionalmente cambios abruptos de continuidad.

La generación de un layout de superficies requiere mucho tiempo en ser realizado. En algunos casos resulta más sencillo esculpir un volumen a partir de una superficie incrementando los puntos de control. Esto aumenta su complejidad matemática y es comparable con un artesano que esculpe en un bloque de madera. Este proceso tiene como beneficio que el programa controla internamente las continuidades por sí mismo, y el modelador tiene mayor libertad para concentrarse en diseño y forma.

Existe algo así como una regla que establece que una curva o superficie tiene los puntos o vértices de control (CVs) en orden cuando aquellos fluyen de manera suave y armoniosa. Los profesionales del 3D experimentados pueden leer la forma de las geometrías mirando e investigando solamente los puntos.

Tabla I- Síntesis del proceso de diseño en la industria automotriz.
IIIIIIIVVVI
Dibujo en un software modelador 3D Mecanizado del prototipo físico a escala 1:1 Análisis y ajustes sobre el prototipo físico (por ejemplo, masillado) Escaneo del prototipo físico modificado Ingreso de la nube de puntos en el modelador 3D Ajustes
< < < < < <

El proceso de diseño se retroalimenta cuando se vuelven a introducir en el modelador 3D los datos del prototipo físico escaneado para nuevos ajustes.

Pero ¿a qué se llame armonía y belleza de puntos y o superficies? Algunos dicen que la belleza es un fenómeno que se da al experimentar placer a través de la percepción y el balance de proporciones o estímulos. Esto es aplicable a estructuras que generan atracción incluyendo objetos, cosas, animales, personas, música, etc. En la industria automotriz, estos estímulos se experimentan al observar al automóvil y su diseño. El resultado es una percepción geométrica y  de todo esto se deriva que algunos modelos nos gusten más que otros y la preferencia usualmente será por aquellos con mayor desarrollo de superficies.

¿Qué software utilizar?

Si bien en esta nota no nos ocuparemos específicamente del problema software, de las diferentes aplicaciones disponibles actualmente, en lo personal me he inclinado por Autodesk AliasStudio, fundamentalmente porque es la única que abarca todo el proceso de diseño de un modelo industrial o de automotriz.

Esta aplicación permite partir desde los bocetos o sketches realizados a mano, confeccionar diversas presentaciones e ir modelando en 3D, para obtener geometrías de diversa calidad y refinarlas hasta llegar a superficies de altísima calidad Clase-A.

Por otra parte, esta aplicación cuenta con todas las herramientas necesarias para trabajar con geometría escaneada, nubes de puntos y archivos de polígonos, permitiendo tener disponible herramientas para todo el proceso de diseño.

Cuenta con cuatro aplicaciones que varían de acuerdo al contenido de herramientas así como la calidad máxima a alcanzar, estas son básicamente la misma aplicación, pero con herramientas específicas para cada proceso, por ejemplo aquellas para diseño a mano alzada, o las referidas a levantar y manejar geometría escaneada.

Tabla II - Versiones disponibles de Autodesk Alias
TareaPrestaciónDSStASSS
Crear y comunicar diseños

Bocetos

Ilustraciones

Renderings

Modelos conceptuales 3D

Prototipos rápidos

Animaciones

X X X  
Producción de modelos

Modelos detallados para transferir al CAD

Herramientas para superficies

Superficies lado "A"

  X X X
Modelado a partir de escaneos

Superficies Clase A basadas en escaneo de datos

Modificación de escaneo de datos

Visualización de escaneo de datos

    X X
DS = Design Studio | St = Studio | AS = Auto Studio | SS = Surface Studio

El software permite tanto el manejo automático como manual de las superficies. Para el trabajo manual, aquel que usualmente realizan los usuarios más experimentados, tiene gran cantidad de herramientas que otorgan precisión y dominio absoluto de las curvas y superficies. Así, se pueden manipular puntos sobre curvas o superficies, indicando limitaciones y tolerancias máximas.

En la nueva versión de Autodesk AliasStudio, la 2009, una de las más importantes mejoras es la posibilidad de generar en forma automática, superficies Bézier en algunos comandos. Esto es un avance muy importante para aquellos modeladores orientados a la industria automotriz, ya que a través de éste pueden optimizar los tiempos de modelado y aumentar su productividad.

¡Comparte esta nota con tus amigos!

Redes sociales

Tweet Display Back

Due to an error, potentially a timed-out connection to Twitter, this user's tweets are unable to be displayed.

Cadstock.com

CadStock.com es un medio independiente de información de CAD, 3D y BIM.

Proveemos información útil y capacitación a estudiantes y profesionales de los sectores de arquitectura, ingeniería, construcción, tecnología, diseño, animación y comunicación audiovisual.