L7: Diseño 3D. Croquis
- Tiempo: 2h
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Objetivos de la sesión:
- Entender las operaciones de extrusión
- Diseñar piezas sencillas mediante croquis 2D en Freecad
- Aprender la técnica de diseño de Restricciones de boceto
- ¡Practicar!
- Introducción
- Operaciones fundamentales con croquis
- Creando croquis
- Diseñando con restricciones de boceto
- Part design: Operaciones encadenadas
- ¡A practicar!
- Resumen de tareas a realizar
- Conclusiones
- Autores
- Licencia
- Enlaces
Además de la geometría constructiva, que vimos en la sesión anterior, los diseños 3D se pueden realizar a partir de dibujos 2D, que llamamos croquis o planos. Estos esquemas definen la forma que tiene una parte de nuestra pieza, así como sus dimensiones
Una vez que disponemos de un croquis en 2D, apoyado sobre un plano, podemos aplicarle varias operaciones para convertirlo en un objeto sólido tridimensional
La operación fundamental es la extrusión, que consiste en estirar el objeto en una tercera dimensión, para darle volumen. La extrusión típica es la extrusión normal o extrusión recta, en la que el croquis se estira a lo largo de un eje perpendicular al plano en el que está situado
- Estrusión normal: Tenemos nuestro croquis (un cuadrado) situado sobre el plano xy. Si le aplicamos una extrusión normal obtenemos un prisma recto, cuya base es el propio croquis
- Extrusión oblicua: Se utiliza otra dirección de extrusión diferente a la normal
- Extrusión por trayectoria: Una sección se extruye a lo largo de una trayectoria definida en otro croquis
Se define un croquis al que se le aplica una rotación alrededor de un eje de revolución, generando el objeto sólido. Este es un ejemplo de la creación de un cono truncado
El vaciado es la eliminación de material de un sólido previamente creado. La manera de hacerlo es generar el sólido que se quiere eliminar del original a partir de croquis, realizar una operación de extrusión y luego realizar la operación booleana de sustracción
Sin embargo todo eso se puede realizar directamente, aplicando una operación de vaciado definida en el propio croquis. En este ejemplo se muestra el vaciado de un cilindro. Se le sustrae el material definido por un croquis rectangular, mediante extrusión normal
Los croquis se pueden hacer de múltiples maneras
Una forma es realizar los dibujos 2D en otro programa, como por ejemplo inkscape y luego importarlo a FreeCAD
Una vez importado aplicamos las operaciones de extrusión, como por ejemplo una extrusión normal, para obtener un corazón en 3D
Desde el banco de trabajo PART de Freecad, se disponen de formas 2D paramétricas ya creadas, que podemos usar para aplicar extrusiones. Se encuentra en la opción Create primitives.... En este ejemplo se ha colocado un hexágono, al que luego se le ha aplicado una extrusión normal
Otras formas disponibles son: circunferencias, elipses, espirales...
El banco de trabajo Draft permite hacer dibujos 2D, así como importar planos hechos en otros formados: dxf, dwg... Aunue los objetos son planos, este módulo permite trabajar dentro de un entorno 3D. Dispone de la opción para ajustar, por lo que se pueden seleccionar los puntos finales, puntos medios, etc...
Todas estas figuras se pueden extruir para generar objetos 3D
El banco de trabajo Sketcher sirve para crear croquis, utilizando la técnica de Restricciones de bocetos. La veremos más en detalle en la siguiente sección. Se basa en describir nuestro croquis desde lo general a lo particular, introduciendo restricciones que reducen los grados de libertad del diseño hasta tenerlo totalmente definido
Vamos a aprender a diseñar croquis simples usando la técnica de Restricciones de bocetos. Abrimos el banco de trabajo Sketcher
La Ficha de casino es el objeto "Hola Mundo" de la impresión 3D, utilizado para comprobar el funcionamiento de una impresora 3D una vez montada
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Dimensiones:
- Diámetro: 40mm
- Altura: 3mm
Vamos a diseñarla creando un boceto al que le aplicamos una restricción de diámetro y otra de coincidencia de su centro. Así pasamos de un objeto que tiene 3 GDL a otro con 0 GDL
Una vez terminado el boceto, lo extruimos desde el banco de pruebas Parts
- Las restricciones que incluyen medidas (radios, diámetros, cotas, distancias...) son accesibles como propiedades, fuera del banco de pruebas sketcher. Al cambiarlas, el objeto creado mediante extusión se recalcula
Haremos otro objeto muy sencillo: un rectángulo, pero lo haremos de diferentes maneras para aprender a manejar y entender las restricciones. Este es el objeto final a obtener:
- Desactivar el grid: show grids
- Desactivar la opción autoconstraints
- Colocar una línea: 4 DOF: 2 de cada extremo. Otra forma de verlo es que es un solido no rígido. Tiene 3 DOF más la longitud de la línea
- Colocar 3 líneas más: En total hay 16 DOF libres
- Nuestra misión es construir el rectángulo y reducir sus DOF a 0
- Aplicamos restricciones de coincidencia para unir las líneas. Cada restricción elimina 2 DOF. Por tanto ahora pasamos a 8 DOF
- Las restricciones se pueden borrar en cualquier momento
- Aplicamos dos restricciones de verticalidad y 2 de restricciones de horizontalidad. Nos quedan 4 DOF. Estas restricciones también se pueden eliminar en cualquier momento
- Aplicamos un restricción de longitud horizontal (40mm) y otra restricción de longitud vertical (20mm)
- Finalmente aplicamos otra restricción de coincidencia entre el punto inferior izquierdo del rectángulo y el origen
- El boceto ahora está totalmente restringido. Tiene 0 DOF, y por eso se pone de color verde
- El croquis está listo para extruirse
- Cambiar los nombres de las restricciones a lx y ly
- Cambiar las propiedades desde part para ver cómo cambia el objeto
- Borramos el boceto y empezamos desde cero
- Construimos un paralelogramo usando la herramienta de multilínea
- Esta herramienta crea automáticamente las restricciones de coincidencia entre los puntos de las líneas. El esquema tiene 8 DOF
- Ahora repetimos lo mismo que en el caso anterior: restricciones de verticalidad, horizontalidad, longitud vertical, longitud vertical y coincidencia con el origen
- Nuestro diseño está totalmente restringido
- Borramos el boceto y partimos de uno nuevo en blanco
- Activamos la opción de Auto constraints. Esta opción introduce automáticamente las restricciones de verticalidad y horizontalidad cuando dibujamos las líneas en esas orientaciones. Esto nos ahorra trabajo
- También se introduce automáticamente la restricción de coincidencia con el último punto
- Los anteriores apartados los he usado para mostrar todas las ideas que hay detrás de un rectángulo. Para crear el rectángulo la opción más rápida es usar la herramienta de creación de rectángulos que directamente nos añade las restricciones anteriores de coincidencia, verticalidad y horizontalidad. El rectángulo creado tendrá 4 DOF
- Una restricción que se usa mucho es la de pertenencia de un punto a un segmento. En este caso lo vamos a usar para ajustar los segmentos inferior e izquierdo a los ejes x e y respectivamente. Esto nos deja 2 DOF
Si hacemos un boceto con una forma externa que tiene otras formas en su interior, al realizar la extrusión la herramienta asume que las formas interiores con vaciados. Como ejemplo vamos a hacer una base cuadrada con un taladro en el centro
- Insertamos un rectángulo: 4 GDL
- Aplicamos una restricción de simetría en el origen: Se nos queda en 2 GDL
- Como es una base cuadrada, aplicamos una restricción de igualdad, para que un segmento vertical y otro horizontal tengan las mismas dimensiones (¡OJO! Si marcamos más de 2 segmentos estaremos SOBRE-restringiendo el diseño, y dará error)
- Ahora ponemos una circunferencia en el origen y restringimos su diámetro a 10mm
- Por último restringimos la dimensión de uno de los lados (vertical u horizontal)
Al extruir veremos cómo nos crea el vaciado interior
Vamos a hacer este prisma de base triangular (triángulo isósceles), situado a lo largo del eje y
- Creamos un boceto nuevo en el plano zx
- Usando la multilínea hacemos un triángulo cualquiera, apoyado sobre el eje horizontal y el vértice superior en el eje vertical. Todos los vertices quedarán restringidos a los ejes
- Aplicamos una restriccion de simetría a los vértices izquierdo y derecho alrededor del eje vertical
- Fijamos el ángulo del segmento izquierdo con respecto a la base del triángulo: 45 grados
- Por último fijamos la longitud de la base
- Ahora ya extruimos
- Diseños complejos
- Unidad de diseño: El cuerpo. Es un contenedor que contiene todas las operaciones a realizar
- Sólido contiguo único: Objeto creado a partir de un trozo original de material. No tiene partes fijadas con pegamento, tornillos, soldaduras, etc... (Ej. simil de la arcilla)
- Ejemplo: Tapón para eje (tope). Es una pieza compuesta de tres operaciones
- Extrusión del cuerpo
- Extrusión de la cabeza cilíndrica con vaciado interno
- Vamos al Banco de trabajo Part design y creamos un objeto nuevo (body)
- Creamos un boceto en el plano xy, y lo extruimos 3mm
- Ahora creamos otro boceto sobre el plano xy, con dos circunferencias para hacer la parte exterior e interior de la cabeza
- Así queda la pieza terminada:
Para practicar las diferentes técnicas de dibujo te propongo estos retos. Aprovecha además, para subirlos al repositorio Mecatrónica-2021-2022, e incluirlos en tu bitácora (en la wiki)
Crea una moneda con un vaciado en forma de corazón, como el mostrado en este dibujo:
Haz los dibujos de la moneda y el corazón en un fichero SVG (con Inkscape) e impórtalos en freecad. Utilizando la operación de diferencia haz el vaciado en forma de corazón
Crea una cabeza de robot como la mostrada en este dibujo, utilizando el sketcher y extruyendo desde Parts
Haz un boceto como el mostrado en esta figura (fíjate que tiene 14 grados de libertad). No hace falta que los fijes. Activa la regilla (grid) y úsala para el dibujo. Pon el tamaño de los ojos que quieras
Dibujar una pieza de mecano de 5 agujeros, con el agujero central situado en el origen:
A partir de un croquis como este:
Utiliza las restricciones de igualdad para que todos los taladros sean igual. Usa también las restricciones de simetría para que las posiciones de los botones de la derecha sean las mismas que los de la izquierda
Sitúa el boceto en el plano xy, y extrúyelo 3mm en dirección normal usando el banco de trabajo Part
Crea un soporte para el teléfono móvil como este:
Coloca el boceto en el plano zy. Extrúyelo 28mm a lo largo del eje , usando el banco de trabajo Parts
Construye esta ficha en 3D, para jugar a juegos de mesa:
Hazlo a partir de este boceto sobre el plano zx, y extrúyelo alrededor del eje z usando el banco de pruebas Part
Diseña este tope de eje con tornillo y alojamiento para tuerca, utilizando el banco de prueba Part Design
Está formado por la siguiente cadena de operaciones, definidas por sus croquis correspondientes:
- Extrusión del cuerpo
- Vaciado del hueco del tornillo
- Vaciado del hueco de la tuerca
- Haz los ejemplos mostrados en esta sesión, para practicar
- ¡Haz todos los retos que puedas!
TODO
- Juan González-Gómez (Obijuan)
