Sistemas CAD/CAM/CAE

 

5. Ingeniería Gráfica y los Sistemas, Aplicaciones o Tecnologías CAD-CAM-CAE     

5.1 CAD (Diseño asistido por computadora - Computer Aided Design)

Es un sistema que permite el diseño de objetos por computadora, presentando múltiples ventajas como la interactividad y facilidad de crear nuevos diseños, la posibilidad de simular el comportamiento del modelo antes de la construcción del prototipo, modificando, si es necesario, sus parámetros; la generación de planos con todo tipo de vistas, detalles y secciones, y la posibilidad de conexión con un sistema de fabricación asistida por computadora para la mecanización automática de un prototipo. También permite el diseño de objetos tridimensionales como diseño de piezas mecánicas, diseño de obras civiles, arquitectura, urbanismo, etc.

Las mejoras que se alcanzan son:

• Mejora en la representación gráfica del objeto diseñado: con el CAD el modelo puede aparecer en la pantalla como una imagen realista, en movimiento, y observable desde distintos puntos de vista. Cuando se desee, un dispositivo de impresión (plotter) proporciona una copia en papel de una vista del modelo geométrico.
• Mejora en el proceso de diseño: se pueden visualizar detalles del modelo, comprobar colisiones entre piezas, interrogar sobre distancias, pesos, inercias, etc. En conclusión, se optimiza el proceso de creación de un nuevo producto reduciendo costes, ganando calidad y disminuyendo el tiempo de diseño.

 

Figura N° 6

5.1 CAM (Fabricación asistida por computadora - Computer Aided Manufacturing)

Es un sistema que permite usar computadoras en el proceso de control de fabricación industrial, buscando su automatización. En un sistema moderno, la automatización abarca el proceso de transporte, almacenamiento, mecanizado o conformado, montaje y expedición del producto.

La ingeniería CAM hace referencia concretamente a aquellos sistemas informáticos que ayudan a generar los programas de Control Numérico necesarios para fabricar las piezas en máquinas con CNC. Algunos sistemas CAM disponen de herramientas CAD que permiten al usuario introducir directamente la geometría de la pieza, si bien en general no son tan ágiles como las herramientas de un sistema propiamente de CAD .

La utilización más inmediata del CAM en un proceso de ingeniería inversa es para obtener prototipos, los cuales se utilizan para verificar la bondad de las superficies creadas cuando éstas son criticas. Desde el punto de vista de la ingeniería concurrente es posible, por ejemplo, empezar el diseño y fabricación de parte del molde simultáneamente al diseño de la pieza que se quiere obtener con el molde, partiendo de la superficie externa de la pieza mientras aún se está diseñando la parte interna de la misma.

 

Figura N° 7

5.3 CAE (Ingeniería Asistida por Computadora - Computer Aided Engineering)

Es el uso de software computacional para simular desempeño y así poder hacer mejoras a los diseños de productos o bien apoyar a la resolución de problemas de ingeniería para una amplia gama de industrias.  Esto incluye la simulación, validación y optimización de productos, procesos y herramientas de manufactura.

Un proceso típico de CAE incluyen pasos de pre-procesado, solución y post-procesado. En la fase de pre-procesado, los ingenieros modelan la geometría y las propiedades físicas del diseño, así como el ambiente en forma de cargas y restricciones aplicadas. En la fase de post-procesado, los resultados se presentan al ingeniero para su revisión.

Figura N° 8

Las aplicaciones CAE soportar una gran variedad de disciplinas y fenómenos de la ingeniería incluyendo:

• Análisis de estrés y dinámica de componentes y ensambles utilizando el análisis de elementos finitos (FEA).
• Análisis Termal y de fluidos utilizando dinámica de fluidos computacional (CFD).
• Análisis de Cinemática y de dinámica de mecanismos (Dinámica multicuerpos).
• Simulación mecánica de eventos (MES).
• Análisis de control de sistemas.
• Simulación de procesos de manufactura como forja, moldes y troquelados.
• Optimización del proceso del producto.

Beneficios de CAE

Los beneficios de software de tipo CAE incluyen reducción del tiempo y costo de desarrollo de productos, con mayor calidad y durabilidad del producto.

• Las decisiones sobre el diseño se toman con base en el impacto del desempeño del producto.
• Los diseños pueden evaluarse y refinarse utilizando simulaciones computarizadas en lugar de hacer pruebas a prototipos físicos, ahorrando tiempo y dinero.
• Aplicaciones CAE brindan conocimientos sobre el desempeño más temprano en el proceso de desarrollo, cuando los cambios al diseño son menos costosos de hacer.
• Aplicaciones CAE apoyan a los equipos de ingeniería a administrar riesgos y comprender las implicaciones en el desempeño de sus diseños.
• La exposición de garantía es reducida al identificar y eliminar problemas potenciales. Cuando integrado al producto y desarrollo de la manufactura, CAE puede facilitar desde etapas tempranas la resolución de problemas, lo que puede reducir dramáticamente los costos asociados al ciclo de vida del producto.

 

6. CAD/CAM en el Proceso de Diseño y Fabricación                                                    

En la práctica, el CAD/CAM se utiliza de distintas formas, para producción de dibujos y diseño de documentos, animación por computador, análisis de ingeniería, control de procesos, control de calidad, etc. Por tanto, las técnicas CAD/CAM, las etapas que abarca y las herramientas actuales y futuras, se hace necesario estudiar las distintas actividades y etapas que deben realizarse en el diseño y fabricación de un producto.

Para referirnos a ellas emplearemos el termino ciclo de producto, en la siguiente figura.

Figura N° 9  - Ciclo de producto típico

Dentro del ciclo de producto descrito se ha incluido un conjunto de tareas agrupadas en proceso CAD y otras en proceso CAM, que, a su vez, son subconjuntos del proceso de diseño y proceso de fabricación respectivamente.

En las siguientes figuras se muestra ambos procesos con más detalle.

         Figura N° 10 – El Proceso CAD                                                 Figura N°  11 - El Proceso CAM

 

Las herramientas requeridas para cada proceso aparecen en las tablas siguientes:

Tabla N°  2 - Herramientas CAD para el proceso de diseño

Tabla N°  3  - Herramientas CAM para el proceso de fabricación

 

6.1 Componentes del CAD/CAM    

Los fundamentos de los sistemas de Diseño y fabricación asistidos por ordenador son muy amplios, abarcando múltiples y diversas disciplinas, entre las que cabe destacar las siguientes:

• Modelado geométrico: Se ocupa del estudio de métodos de representación de entidades geométricas. Existen tres tipos de modelos: alámbricos, de superficies y sólidos, y su uso depende del objeto a modelar y la finalidad para la que se construya el modelo.
• Técnicas de visualización: Son esenciales para la generación de imágenes del modelo.
• Técnicas de interacción grafica: Son el soporte de la entrada de información geométrica del sistema de diseño.
• Interfaz de usuario: Uno de los aspectos más importantes de una aplicación CAD/CAM es su interfaz. Del diseño de la misma depende en gran medida la eficiencia de la herramienta.
• Base de datos: Es el soporte para almacenar toda la información del modelo, desde los datos de diseño, los resultados de los análisis que se realicen y la información de fabricación.
• Métodos numéricos: Son la base de los métodos de calculo empleados para realizar las aplicaciones de análisis y simulación típicas de los sistemas de CAD/CAM.
• Conceptos de fabricación: Referentes a máquinas, herramientas y materiales, necesarios para entender y manejar ciertas aplicaciones de fabricación y en especial la programación de control numérico.
• Conceptos de comunicaciones: Necesarios para interconectar todos los sistemas, dispositivos y máquinas de un sistema CAD/CAM.

Figura N° 12

7. Perspectivas de Futuro de los Sistemas CAD/CAM/CAE                                          

Las tecnologías CAD/CAM/CAE se encuentran ya en una fase de madurez. Su utilidad es indiscutible y han abierto posibilidades para el rediseño y fabricación impensables sin estas herramientas.

Los fabricantes de maquinaria informática que permiten soportar programas de CAD, van a proporcionar en los próximos años ordenadores más veloces, con más memoria y mayor potencia gráfica. En el campo de los periféricos CAD sucederá algo parecido: los plotters, consolidada la tecnología de inyección de tinta, van a ser cada vez más rápidos y de mejor resolución.

Otra tendencia de futuro en el campo de los periféricos es la popularización de los dispositivos de impresión 3D. Los aparatos de reproducción tridimensionales de diseños compartirán un lugar con el plotter en la oficina técnica del mañana.

Mayor integración con las tecnologías CAE y CAM, con una especial potenciación del CAE: actualmente la mayoría de los desarrolladores CAD cubren con su producto las necesidades de diseño, ingeniería y fabricación de la empresa, ofreciendo soluciones compactas en los más diversos campos de las tecnologías asistidas por computador.

El futuro se muestra ambicioso tecnológicamente hablando, por la introducción de las Células de fabricación flexible y el gran avance de los Computadores y de los Robots. Todo ello lleva a pensar que en un futuro próximo la "Fábrica Automática" será una realidad.

 

Figura N°  13