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Manual: Modelado tradicional, al estilo CSG.

From FreeCAD Documentation
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CSG ó Constructive Solid Geometry significa Geometría Sólida Constructiva y describe la manera fundamental de trabajar con una geometría 3D sólida. Consiste en crear objetos complejos añadiendo o eliminando piezas de sólidos mediante operaciones booleanas como la unión, la resta o la intersección.

Como se mencionó anteriormente en este manual, FreeCAD admite varios tipos de geometría. Sin embargo, el tipo preferido y más práctico para diseñar objetos 3D del mundo real en FreeCAD es la geometría sólida BREP, acrónimo de Boundary Representation o Representación de Límites, que se maneja principalmente en el Entorno de Trabajo de Piezas. BREP define objetos 3D especificando sus límites espaciales. Los aspectos clave de BREP incluyen: caras, los elementos de superficie del objeto; aristas, las líneas límite donde se unen o intersectan dos caras; y vértices, los puntos donde convergen las aristas.

BREP ofrece varias ventajas. En primer lugar, define superficies mediante ecuaciones matemáticas, lo que permite un modelado preciso y exacto. Esta precisión es crucial para aplicaciones de ingeniería donde se requieran dimensiones exactas. Además, BREP proporciona superficies suaves y detalladas, a diferencia de las mallas poligonales que aproximan superficies curvas mediante el uso de facetas. La diferencia es similar a la que hay entre imágenes vectoriales, que se escalan sin perder calidad e imágenes de mapa de bits, que pueden aparecer pixeladas al aumentar su tamaño. BREP conserva información topológica completa sobre el objeto, incluyendo las relaciones entre caras, aristas y vértices, lo cual es esencial para operaciones complejas como cálculos booleanos y redondeo.

A la izquierda una representación de malla y a la derecha una representación BREP

Las mallas poligonales constan de vértices, aristas y caras que forman facetas triangulares o con forma de cuadrilátero. Si bien, las mallas son más sencillas y rápidas para la renderización, carecen de precisión. Al ampliarlas o imprimirlas a gran escala, muestran las superficies facetadas de las que están hechas en lugar de curvas suaves. En cambio, BREP utiliza curvas y superficies definidas matemáticamente, lo que ofrece mayor precisión y suavidad. Los modelos BREP son preferibles para aplicaciones CAD donde se requiere precisión.

En FreeCAD, la geometría basada en BREP se gestiona mediante la tecnología OpenCasCade, una biblioteca de software de código abierto. La interfaz principal entre FreeCAD y el núcleo de OpenCasCade es el Entorno de Trabajo de Piezas, que sirve de base para la mayoría de los demás entornos de trabajo, proporcionando herramientas esenciales para crear y manipular objetos BREP. El Entorno de Trabajo de Piezas incluye las herramientas necesarias para crear primitivas, con formas básicas tales como: cajas o prismas, cilindros y esferas. También dispone de herramientas para ejecutar operaciones booleanas como: fusionar, intersecar y restar formas, así como herramientas para mover, rotar, escalar y clonar objetos.

Si bien otros entornos de trabajo de FreeCAD, como el Entorno de Trabajo de Diseño (Part Desing) y el Entorno de Trabajo de Superficies (Surface Workbench), ofrecen herramientas más avanzadas para la creación y manipulación de geometría, dependen del Entorno de Trabajo de Piezas. Comprender el funcionamiento interno de los objetos Part y dominar sus herramientas básicas es fundamental. A menudo, estas herramientas más sencillas, pueden resolver problemas que las herramientas más complejas no solucionan eficazmente.

Para ilustrar el uso del Entorno de Trabajo de Piezas, modelaremos esta mesa utilizando únicamente operaciones CSG (excepto los tornillos, para los que utilizaremos uno de los complementos, y las dimensiones, que veremos en el próximo capítulo):

Vamos a crear un nuevo documento (Ctrl+N o menú Archivo → Nuevo) para el diseño de nuestra mesa. Inicialmente, el documento se llama "Sin nombre" en la pestaña Modelo del panel Vista combinada. Si guarda el documento (Ctrl+Mayús+S o menú Archivo → Guardar como) como "table.FCStd", se renombrará como "table", lo que identifica el proyecto con mayor claridad. Usaremos milímetros (mm) como unidades de longitud aunque puede cambiar las unidades según sus preferencias mediante el menú situado en la esquina inferior derecha.

Ahora podemos pasar al Entorno de Trabajo de Piezas y crear nuestra primera pata de mesa.

  • Pulse el botón Cubo de
  • Seleccione el cubo y configure las siguientes propiedades (en la pestaña Datos):
    • Largo: 80 mm
    • Ancho: 80 mm
    • Alto: 750 mm
  • Duplique el cubo pulsando Ctrl+C y luego Ctrl+V (o mediante el menú Editar → Copiar y Pegar). No verá ningún cambio en la vista 3D, ya que el segundo objeto se superpone completamente al primero. Sabrá que el nuevo cubo se ha pegado porque la vista de árbol ahora muestra un nuevo objeto llamado "Cube001".
  • Seleccione Cube001 en la vista de árbol.
  • Cambie la posición de Cube001 editando su propiedad de Posición en la pestaña Datos (haga clic en la flecha junto a Posición para expandir):
    • Posición x: 8 mm
    • Posición y: 8 mm

Ahora debería ver dos cubos altos, uno desplazado 8 mm con respecto al otro tanto en la dirección X como en la dirección Y:

  • Ahora podemos restar un cubo del otro para obtener la pata de la mesa con forma de L: Seleccione el cubo original, del cual quedará una parte después de la operación de corte. Luego, manteniendo presionada la tecla Ctrl, seleccione Cube001, que se restará del primero. Tenga en cuenta que el orden de selección determina el resultado de la operación de corte o sustracción. Presione el botón Cortar:

El objeto recién creado, llamado "Cortar", contiene los dos cubos que usamos como operandos. De hecho, los dos cubos siguen en el documento; simplemente se han ocultado y agrupado bajo el nuevo objeto "Cortar" en la vista de árbol. Aún puede seleccionarlos expandiendo la flecha junto a dicho objeto. Si lo desea, puede volver a hacerlos visibles haciendo clic en los iconos de ojo junto a sus etiquetas, en sus menús contextuales o modificando sus propiedades.

También puede realizar cortes y otras operaciones booleanas con la herramienta Operacion booleana.

Ahora vamos a crear las otras tres patas de la mesa haciendo seis copias adicionales de nuestro cubo original. Como aún está copiado en el portapapeles, simplemente puedes pegarlo (Ctrl+V) seis veces. Cambia la posición de cada nuevo cubo de la siguiente manera:

    • Cubo002: x: 0, y: 800 mm
    • Cubo003: x: 8 mm, y: 792 mm
    • Cubo004: x: 1200 mm, y: 0
    • Cubo005: x: 1192 mm, y: 8 mm
    • Cubo006: x: 1200 mm, y: 800 mm
    • Cubo007: x: 1192 mm, y: 792 mm
  • Ahora vamos a realizar tres operaciones de corte adicionales seleccionando primero el cubo "anfitrión" y luego el cubo que se va a cortar. Ahora tenemos cuatro objetos de corte:

En lugar de duplicar el cubo base seis veces, podríamos haber duplicado la pata completa tres veces copiando y pegando el objeto de corte creado anteriormente a partir de nuestros dos primeros cubos y rotando cada pata cortada a su orientación correcta. En FreeCAD, a menudo existen varias maneras de lograr el mismo resultado. Es importante recordarlo, ya que puede resultar más fácil o eficiente utilizar diferentes técnicas en distintos contextos.

  • Ahora haremos agujeros para los tornillos, usando la misma operación de corte. Como necesitamos 8 agujeros (dos en cada pata), podríamos hacer 8 objetos para restar. Sin embargo, exploremos otra forma. Podemos hacer 4 cilindros, cada uno intersecando un par de patas. Así que, creémoslos con la herramienta Cilindro. Puede hacer un cilindro y duplicarlo tres veces. Asígnele a cada cilindro un radio de 6 mm. Esta vez, necesitaremos rotar los cilindros usando la propiedad Posición en la pestaña Datos (Nota: cambie la propiedad Eje antes de establecer el Ángulo, de lo contrario, la rotación no se aplicará).
    • Cilindro: altura: 1300 mm, ángulo: 90°, eje: x: 0, y: 1, z: 0, posición: x: -10 mm, y: 40 mm, z: 720 mm
    • Cilindro001: altura: 1300 mm, ángulo: 90°, eje: x: 0, y: 1, z: 0, posición: x: -10 mm, y: 840 mm, z: 720 mm
    • Cilindro002: altura: 900 mm, ángulo: 90°, eje: x: -1, y: 0, z: 0, posición: x: 40 mm, y: -10 mm, z: 700 mm
    • Cilindro003: altura: 900 mm, ángulo: 90°, eje: x: -1, y: 0, z: 0, posición: x: 1240 mm, y: -10 mm, z: 700 mm

Observará que los cilindros se extienden más allá de las patas de la mesa. Esto se debe a que, como en todas las aplicaciones 3D basadas en sólidos, las operaciones booleanas en FreeCAD a veces fallan cuando las caras de los objetos son coplanares. Podemos evitar posibles errores colocando los extremos de los cilindros más allá de las superficies de las patas.

  • Ahora vamos a realizar las sustracciones para crear agujeros en las patas de la mesa. Selecciona la primera pata; luego, manteniendo pulsada la tecla Ctrl, selecciona uno de los cilindros que la interseca y pulsa el botón Cortar. Se creará un agujero en la pata y el cilindro quedará oculto. Puedes encontrarlo en la vista de árbol expandiendo el nuevo objeto cortado de la pata.
  • Selecciona la otra pata que interseca con este cilindro oculto y repite la operación. Esta vez, selecciona el cilindro en la vista de árbol, ya que está oculto en la vista 3D. (Alternativamente, puedes hacer visible el cilindro de nuevo y seleccionarlo en la vista 3D). Repite esta operación para las demás patas hasta que cada una tenga dos agujeros.

Como puede observar, cada pata se describe ahora mediante una serie de operaciones múltiples anidadas en la vista de árbol. Toda la geometría que hemos creado sigue siendo paramétrica, y puede modificar cualquier parámetro de cualquiera de las operaciones anteriores en cualquier momento. En FreeCAD, nos referimos a esta serie como «historial de modelado», ya que registra el historial de las operaciones que hemos realizado.

Otra particularidad de FreeCAD es que los conceptos de objeto 3D y operación 3D tienden a fusionarse. "Cortar" se refiere tanto a una operación como al objeto 3D resultante. En FreeCAD, a esto se le suele llamar "función" en lugar de "objeto" u "operación".

Ahora vamos a modelar la superficie de la mesa. Será un prisma rectangular simple, así que comencemos con otro Cubo y cambiemos sus dimensiones en la pestaña Datos de la siguiente manera:

  • Caja: largo: 1260 mm, ancho: 860 mm, alto: 80 mm, posición: x: 10 mm, y: 10 mm, z: 670 mm.

En la pestaña Vista, puede darle un color marrón, similar a la madera, cambiando su propiedad Apariencia de forma:

Ahora que nuestras cinco piezas están completas, es un buen momento para darles nombres más descriptivos que "Cut015". Haciendo clic derecho en cada objeto en la vista de árbol (o pulsando F2 con un objeto seleccionado), puedes cambiarles el nombre por algo más significativo. En diseños complejos, nombrar apropiadamente los objetos puede ser tan importante como la forma en que se modelan.

  • Ahora insertaremos algunos tornillos con un complemento. Sujeciones es un complemento extremadamente útil desarrollado por un miembro de la comunidad FreeCAD. Lo puede encontrar en el repositorio FreeCAD addons. ¡Instalar entornos de trabajo de complementos es fácil! Consulte el Administrador de complementos para obtener más información.
  • Una vez que haya instalado el entorno de trabajo Fasteners y reiniciado FreeCAD, seleccione Fasteners en la lista desplegable de entornos de trabajo. Añadamos un tornillo a uno de los agujeros que modelamos anteriormente. Primero, selecciona el borde circular de un agujero en una de las patas de la mesa:

A continuación, seleccione uno de los tornillos disponibles en el Entorno de trabajo de fijaciones. Para este ejercicio, utilizaremos el tornillo hexagonal con bridas EN 1665, serie pesada. El tornillo se colocará y alineará con el orificio y su diámetro se ajustará automáticamente al tamaño del mismo. En ocasiones, será necesario invertir la orientación del tornillo mediante su propiedad «Invertir».

  • Repita este proceso para los otros siete hoyos, ¡y nuestra mesa estará completa!

Como ya se mencionó anteriormente, se puede lograr el mismo resultado siguiendo pasos diferentes. Para demostrarlo, vamos a crear la misma tabla utilizando una metodología distinta. Recuerde que no hay una forma correcta o incorrecta, solo creatividad individual.

Comenzaremos de forma similar, creando un cubo con las siguientes dimensiones: 80 mm de largo, 8 mm de ancho y 750 mm de alto.

  • Cree un cubo seleccionando el botón Cubo de la imagen y configure las siguientes propiedades (en la pestaña Datos):
    • Largo: 80 mm
    • Ancho: 8 mm
    • Alto: 750 mm
  • A continuación, crearemos un cilindro clicando sobre la imagen con las siguientes propiedades:
    • Radio: 6 mm, altura: 100 mm, ángulo: 90°, ejes: x: 1, y: 0, z: 0, posición: x: 40 mm, y: 40 mm, z: 720 mm
  • Luego, aplicaremos la operación de corte. Seleccione el cubo; luego, mantenga presionada la tecla Ctrl y seleccione el cilindro. Recuerde que el orden es decisivo para definir qué se queda. Luego, pulse el botón Cortar.
  • A continuación, copiaremos y pegaremos el objeto cortado pulsando Ctrl+C y luego Ctrl+V (o en el menú Editar → Copiar y Pegar):
    • ángulo: 90°, eje: x: 0, y: 0, z: 1, posición: x: 8 mm
  • Seleccione los dos objetos y aplique la herramienta Fusionar. Ahora los dos objetos están fusionados y tenemos una pata de mesa en forma de L.
  • Copie y pegue la pata fusionada, colocándola en:
    • ángulo: 90°, eje: x: 0, y: 0, z: -1, posición y: 800 mm.
  • Seleccione las dos patas y cree un Compuesto.
  • Copie y pegue el compuesto, posicionándolo en:
    • ángulo: 180°, eje: x:0, y:0, z:1, posición x: 1200 mm, y: 800 mm.

Ya tenemos las patas. Vamos a crear la superficie de la mesa.

  • Cree un cubo y edite sus propiedades de la siguiente manera:
    • Largo: 1184 mm
    • Ancho: 784 mm
    • Alto: 80 mm
    • Posición x: 8 mm, y: 8 mm, z: 670 mm.

Ahora, continúe añadiendo tornillos en el Entorno de trabajo de fijaciones igual que antes.

La estructura interna de los objetos Part

Como vimos anteriormente, en FreeCAD es posible seleccionar no solo objetos completos, sino también partes de ellos, por ejemplo, el borde circular del orificio del tornillo. Este es un buen momento para echar un vistazo rápido a cómo se construyen internamente los objetos Pieza. Cada entorno de trabajo que produce geometría Pieza se basa en lo siguiente:

  • Vértices: Son los puntos (generalmente extremos) sobre los que se construye todo lo demás. Por ejemplo, una línea tiene dos vértices.
  • Aristas: Las aristas pueden ser líneas, arcos, elipses o curvas NURBS (Non-uniform_rational_B-spline). Suelen tener dos vértices, pero en algunos casos especiales solo tienen uno (por ejemplo, un círculo cerrado).
  • Cables: Un cable es una secuencia de aristas conectadas por sus extremos. Un cable puede contener aristas de cualquier tipo y puede ser cerrado o no.
  • Caras: Las caras pueden ser planas o curvas. Se pueden definir mediante un cable cerrado que forma el borde de la cara, o mediante más de uno si la cara tiene agujeros.
  • Cáscaras: Las cáscaras son grupos de caras conectadas por sus aristas. Pueden ser abiertas o cerradas.
  • Sólidos: Una cáscara cerrada se puede convertir en un sólido. Los sólidos implican la noción de interior y exterior. Muchos bancos de trabajo se basan en esto para asegurar que los objetos que producen se puedan construir en el mundo real.
  • Compuestos: Los compuestos combinan otras formas de uno o más tipos en un solo objeto.

En la vista 3D, puede seleccionar vértices, aristas o caras individuales. Al seleccionar uno de ellos, también se selecciona todo el objeto al que pertenece.

Una nota sobre el diseño compartido

Puede que al ver la mesa de arriba piense que su diseño no es muy bueno. ¡Las patas no parecen estar bien sujetas al tablero! Quizás quiera añadir refuerzos o tenga en mente otras mejoras. Aquí es donde compartir se vuelve interesante. Puede descargar el archivo creado durante este ejercicio desde el enlace de abajo y modificarlo para mejorarlo. Luego, si comparte ese archivo mejorado, otros podrían perfeccionarlo aún más o usar tu mesa bien diseñada en sus proyectos. Su diseño podría inspirar a otras personas y es muy probable que haya contribuido a un mundo mejor.

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