Mejorar la eficiencia del combustible con ingeniería de nube de puntos
Aerodynamic Trailer Systems utiliza la solución de software PolyWorks® para ayudar a digitalizar una forma complicada y realizar análisis de CFD y pruebas en túnel de viento para las colas aerodinámicas de los remolques.
Aerodynamic Trailer Systems Ltd. (ATS), Auburn, Ohio, ha desarrollado un nuevo producto que se adapta a las puertas de los remolques comerciales para brindar una forma más aerodinámica a la parte trasera del remolque. El objetivo es una “tecnología verde” para reducir las emisiones mejorando la eficiencia del combustible de los remolques en la carretera. El producto, una cola aerodinámica, es un dispositivo aerodinámico que reduce la resistencia causada por el aire que fluye de manera aleatoria y turbulenta alrededor de la parte trasera de un remolque comercial. Efectivamente cambia la superficie plana de las puertas traseras a una forma curvilínea.
El desafío
El diseño de la cola aerodinámica, elaborado por Aerodynamic Trailer Systems, es una cola aerodinámica inflable construida con un material de polímero flexible de alta resistencia que se infla y desinfla automáticamente por medio de un ventilador y un sistema de válvulas a velocidades de autopista preestablecidas. La posición desinflada supera un desafío de diseño, ya que permite que las puertas traseras se abran completamente para cargar mercancías.
“La cola aerodinámica inflada tiene una forma curvada única que es muy difícil de medir o predeterminar en los planos de ingeniería, lo que hace que sea difícil de modelar”, dijo Jim Domo, Director Ejecutivo de Aerodynamic Trailer Systems. “Queríamos medir el perfil aerodinámico del dispositivo. Dado que el remolque de un camión es demasiado grande para caber en una instalación de túnel de viento, necesitábamos crear un modelo a escala que describiera la forma física exacta. Paralelamente, necesitábamos una versión digital de la cola aerodinámica para realizar un análisis de dinámica de fluidos computarizado (CFD) con un software.”
La solución
Aerodynamic Trailer Systems se puso en contacto con 3D Scan IT, Inc. para discutir alternativas a las técnicas tradicionales de recopilación de datos. 3D Scan IT es una empresa de metrología e integradora norteamericana de PolyWorks®. Tienen su sede en Royal Oak, Michigan. Los técnicos de 3D Scan IT recomendaron un escáner de alta densidad sin contacto como método de recopilación de datos y llevaron un escáner Imetric IScan White Light a las instalaciones de la empresa.
“Primero usamos fotogrametría para configurar puntos de navegación en la superficie de la cola aerodinámica, y luego realizamos un escaneo completo usando el sistema de escaneo con luz blanca de Imetric. La configuración y la fotogrametría tomaron aproximadamente dos horas, incluida la calibración del escáner, la orientación de la pieza y la realización de la fotogrametría. El proceso de escaneo tomó aproximadamente tres horas,” afirmó Bob Squier, presidente de 3D Scan IT.
La gestión de datos de nubes de puntos ofrece resultados rápidos
Los datos se adquirieron utilizando la suite de software PolyWorks® de InnovMetric. Se tomaron un total de 62 escaneos y se registraron en el sistema de coordenadas de fotogrametría. Se realizó una alineación de mejor ajuste controlada por tolerancia de los escaneos en el módulo PolyWorks IMAlign™. Luego, los escaneos alineados se procesaron utilizando el módulo PolyWorks IMMerge™ para crear una malla poligonal que eliminó todos los datos de escaneo superpuestos mientras eliminaba la textura de la tela y reducía el tamaño del archivo.
Luego, el modelo poligonal se introdujo en el módulo PolyWorks IMEdit™ para eliminar los objetivos de fotogrametría. Se creó un modelo poligonal impermeable utilizando la funcionalidad IMEdit del procedimiento de llenado de agujeros basado en la curvatura.
Escaneo de la cola aerodinámica
Prueba en túnel de viento
ATS quería probar el rendimiento de la cola aerodinámica en un túnel de viento. “El objetivo era crear un archivo que pudiéramos usar en un proceso de creación rápida de prototipos para crear rápidamente un modelo a escala 1/8 del dispositivo de cola aerodinámica que se usaría para pruebas de rendimiento en un túnel de viento,” dijo Patrick Ryan, presidente de ATS.
Prototipo creado a partir del modelo STL de PolyWorks.
Para realizar la simulación, el modelo poligonal se envió al Auto Research Center en Indianápolis, Indiana. Esta instalación de prueba en túnel de viento, diseñada principalmente para probar autos de carrera, es un diseño abierto de carretera rodante que reproduce con precisión las condiciones de la carretera. Para crear un modelo a escala de la cola aerodinámica, el especialista del Centro de Investigación Automotriz utilizó una máquina de creación rápida de prototipos Stratasys FDM 8000 y el modelo poligonal impermeable creado por 3D Scan IT, Inc. para construir la pieza en capas ultrafinas de plástico ABS resistente.
“Planeamos usar esos datos de prueba en túnel de viento para realizar cambios de diseño de último minuto en el dispositivo antes de comenzar la producción, por lo que era fundamental para nuestro programa que el modelo fuera lo más preciso posible”, dijo Ryan.
Proceso de creación de una NURBS.
Análisis de CFD
Además de las pruebas en el túnel de viento, ATS quería realizar un análisis de CFD. Para realizar este análisis, 3D Scan IT preparó un modelo de superficie (modelo NURBS) utilizando el módulo PolyWorks IMEdit™.
Primero, se creó una red de curvas utilizando las funciones de extracción y edición de curvas de IMEdit. Los procedimientos automáticos de ajuste de superficies NURBS crean las superficies a medida que se completan las curvas. El módulo PolyWorks IMInspect™ se utilizó para alinear el modelo con el sistema de coordenadas global de las puertas del remolque, ya que la cola aerodinámica tenía que ajustarse exactamente al área de la puerta sin obstruir las bisagras.
El modelo NURBS optimizado se envió a especialistas de la NASA para realizar el análisis de CFD. Este software proporcionó una descripción general rápida del rendimiento aerodinámico de la cola inflable en diversas condiciones.
El modelo NURBS también se exportó a la suite de software SolidWorks® de ATS, que podrá utilizarlo para has modificaciones en el futuro y con fines de producción.
Los beneficios
Según el Sr. Domo y el Sr. Ryan, el modelo a escala 1/8 de la cola aerodinámica creado por el escaneo láser y el proceso de gestión de datos de la nube de puntos era un modelo dimensionalmente preciso del dispositivo de tamaño completo, prácticamente una réplica exacta. “Confiábamos en que cuando realizáramos las pruebas en el túnel de viento obtendríamos resultados significativos que se aplicarían directamente al dispositivo de tamaño real”, dijo Ryan.
El consumo de combustible se redujo hasta en un 5%
Los resultados de las pruebas indicaron que la cola aerodinámica podría reducir el consumo de combustible hasta en un 5%. “Eso se traduce en menos emisiones y menores costos de combustible gracias a las mejoras en la resistencia aerodinámica del remolque, lo que disminuye la carga efectiva que el tractor debe tirar y, por lo tanto, mejora la eficiencia”, dijo el Sr. Domo. “Además, creemos que con algunas modificaciones menores en la forma del dispositivo, podemos mejorar nuestro perfil aún más.” Agregó que el uso de tecnología de escaneo y la gestión de datos de nubes se puntos redujo el tiempo para crear el modelo en órdenes de magnitud. “Pudimos llegar a un modelo preciso en solo unos días”, dijo.
Bob Squier de 3D Scan IT, Inc., dijo que esta aplicación era única en el sentido de que todo el proceso de diseño y fabricación se basaba en el escaneo y el refinamiento de los datos de las nubes de puntos, además de la creación rápida de prototipos. “Un enfoque tradicional para el diseño y desarrollo de productos simplemente no habría logrado los resultados que la empresa buscaba.
