Cad-cae

CAD-CAE Ingeniería de Diseño

Cristino Cid Cruz Universidad Tecnológica Tula-Tepeji

9 IPOI G3 [email protected] om

INTRODUCCIÓN. La automatización de los procesos industriales a través de los años ha dado lugar a un avance espectacular de la industria. Todo ello ha sido posible gracias a una serie de factores entre los que se encuentran las nuevas tecnologías en el campo mecánico, la introducción de los computadores, y sobre todo el control y la regulación de sistemas y procesos. La incorporación de los computadores en la producción es, sin lugar a dudas, el elemento puente que está permitiendo lograr la automatización integral de los procesos industriales. La aparición de la microelectrónica y de los microprocesadores ha facilitado el desarrollo de técnicas de control complejas, la robotización, la implementación de sistemas de gobierno y la planificación. Todos estos elementos llevan consigo la reducción de costos, el aumento de la productividad y la mejora de calidad del producto. La primera época de la automatización estuvo marcada por la aplicación de dispositivos capaces de controlar una secuencia de operaciones y el comienzo del estudio sobre la regulación automática. Además, a nivel de empresa, se desarrolló el concepto de producción continua tanto para la fabricación de productos típicamente continuos, como para los de tipo discreto. La segunda época, desde la Segunda Guerra Mundial hasta nuestros días, se ha caracterizado por la aparición de la microelectrónica y con ello la de los computadores, y a su vez por el gran avance de la Teoría del Control. También en esta época, la introducción de los robots industriales en la fabricación de series pequeñas y medianas ha incrementado sustancialmente la flexibilidad y autonomía de la producción. CAD / Diseño Asistido por Computadora CAD es el acrónimo inglés de Computer Aided Design, y significa Diseño Asistido por Computador. La tecnología CAD se dirige a los centros técnicos y de diseño de una amplia gama de empresas: sector metalmecánico, ingeniería electrónica, sector textil y otros. El uso de la tecnología CAD supone para el diseñador un cambio en el medio de plasmar los diseños industriales: antes se utilizaba un lápiz, un papel y un tablero de dibujo. Con el CAD, dispone de un ratón, un teclado y una pantalla de ordenador donde observar el diseño. Así, un computador, al que se le incorpora un programa de CAD, le permite crear, manipular y representar productos en dos y tres dimensiones. Esta revolución en el campo del diseño ha venido de la mano de la revolución informática.

Las mejoras que se alcanzan son: 

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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.

En resumen, se consigue una mayor productividad en el trazado de planos, integración con otras etapas del diseño, mayor flexibilidad, mayor facilidad de modificación del diseño, ayuda a la estandarización, disminución de revisiones y mayor control del proceso de diseño. Un buen programa CAD no sólo dispone de herramientas de creación de superficies, sino también de posibilidades de análisis y verificación de las mismas, entendiendo por superficies correctas aquéllas cuyos enlaces entre ellas son continuos en cuanto a tangencia y curvatura, y sin contener zonas donde se ha perdido continuidad de curvatura. En otras palabras es el uso de programas computacionales para crear representaciones gráficas de objetos físicos ya sea en segunda o tercera dimensión (2D o 3D). El software CAD puede ser especializado para usos y aplicaciones específicas. CAD es ampliamente utilizado para la animación computacional y efectos especiales en películas, publicidad y productos de diferentes industrias, donde el software realiza cálculos para determinar una forma y tamaño óptimo para una variedad de productos y aplicaciones de diseño industrial. En diseño de industrial y de productos, CAD es utilizado principalmente para la creación de modelos de superficie o sólidos en 3D, o bien, dibujos de componentes físicos basados en vectores en 2D. Sin embargo, CAD también se utiliza en los procesos de ingeniería desde el diseño conceptual y hasta el layout de productos, a través de fuerza y análisis dinámico de ensambles hasta la definición de métodos de manufactura. Esto le permite al ingeniero analizar interactiva y automáticamente las variantes de diseño, para encontrar el diseño óptimo para manufactura mientras se minimiza el uso de prototipos físicos.

Beneficios de CAD Los beneficios del CAD incluyen menores costos de desarrollo de productos, aumento de la productividad, mejora en la calidad del producto y un menor tiempo de lanzamiento al Mercado. -

Mejor visualización del producto final, los sub-ensambles parciales y los componentes en un sistema CAD agilizan el proceso de diseño. El software CAD ofrece gran exactitud de forma que se reducen los errores. El software CAD brinda una documentación más sencilla y robusta del diseño, incluyendo geometría y dimensiones, lista de materiales, etc. El software CAD permite una reutilización sencilla de diseños de datos y mejores prácticas. Software CAD

Estos son algunos ejemplos de aplicaciones de Software tipo CAD: -

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NX: es una gama integrada de aplicaciones completamente asociativas de tipo CAD/CAM/CAE. NX aborda la variedad completa de procesos de desarrollo de diseño de productos, manufactura y simulación; lo que le permite a las compañías motivar el uso de mejores prácticas al capturar y reusar productos y conocimiento de procesos. Solid Edge: es un sistema híbrido de CAD en 2D/3D que utiliza Synchronous Technology para acelerar el diseño, cambios ágiles, y mejor re utilización de importaciones. Con modelado de partes y ensable, borradores, administración transparente de datos, y análisis de elementos finitos (FEA) integrado, Solid Edge facilita la creciente complejidad de diseño de productos.

Los siguientes componentes de software son utilizados por desarrolladores de software CAD como base para sus aplicaciones: -

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Parasolid: es un componente de software para modelado geométrico en 3D, permitiéndole a los usuarios de aplicaciones basadas en Parasolid modelar partes y ensambles complejos. Es utilizado como la herramienta geométrica en cientos de diferentes aplicaciones de CAD, CAM y CAE. D-Cubed Components: son seis librerías de software que pueden ser licenciadas por desarrolladores de software para integrarlas en sus productos. Proveen capacidades que incluyen el bosquejo parametrizado, diseño de partes y ensambles, simulador de movimiento, detección de colisiones, medidas de separación y visualización de líneas ocultas.

CAE / Ingeniería Asistida por Computadora Bajo el nombre de ingeniería asistida por computador (Computer Aided Engineering) se agrupan habitualmente tópicos tales como los del CAD y la creación automatizada de dibujos y documentación. Es necesario pasar la geometría creada en el entorno CAD al sistema CAE. En el caso en que los dos sistemas no estén integrados, ello se lleva a término mediante la conversión a un formato común de intercambio de información gráfica. Sin embargo, el concepto de CAE, asociado a la concepción de un producto y a las etapas de investigación y diseño previas a su fabricación, sobre todo cuando esta última es asistida o controlada mediante computador, se extiende cada vez más hasta incluir progresivamente a la propia fabricación. Podemos decir, por tanto, que la CAE es un proceso integrado que incluye todas las funciones de la ingeniería que van desde el diseño propiamente dicho hasta la fabricación. Antes de la aparición de los paquetes de diseño, los diseñadores solo contaban con su ingenio y un buen equipo de delineantes que transportaban al papel sus ideas con un cierto rigor. Es quizás, por este motivo, por el que los primeros paquetes de diseño surgieron como réplica a estos buenos dibujantes, con la ventaja de la facilidad de uso, edición y rapidez. Conforme el hardware evolucionaba y disminuían los costes de los equipos, los programas eran más rápidos y las bases de datos de mayor tamaño, fue apareciendo un fenómeno de insatisfacción en los usuarios, un buen programa de dibujo no bastaba, era necesario un sistema que diseñara el producto desde el principio (boceto) hasta el final (pieza terminada), siguiendo unas reglas de diseño. Para realizar la ingeniería asistida por computador (CAE), se dispone de programas que permiten calcular cómo va a comportarse la pieza en la realidad, en aspectos tan diversos como deformaciones, resistencias, características térmicas, vibraciones, etc. Usualmente se trabaja con el método de los elementos finitos, siendo necesario mallar la pieza en pequeños elementos y el cálculo que se lleva a término sirve para determinar las interacciones entre estos elementos. Mediante este método, por ejemplo, se podrá determinar qué grosor de material es necesario para resistir cargas de impacto especificadas en normas, o bien conservando un grosor, analizar el comportamiento de materiales con distinto límite de rotura. Otra aplicación importante de estos sistemas en el diseño de moldes es la simulación del llenado del molde a partir de unas dimensiones de éste dadas, y el análisis del gradiente de temperaturas durante el llenado del mismo. La realización de todas estas actividades CAE dependerá de las exigencias del diseño, y suponen siempre un valor añadido al diseño al detectar y eliminar problemas que retrasarían el lanzamiento del producto.

En resumen, los sistemas CAE nos proporcionan numerosas ventajas: -

Facilidad, comodidad y mayor sencillez en la etapa de diseño. Rapidez, exactitud y uniformidad en la fabricación. Alto porcentaje de éxito. Eliminación de la necesidad de prototipos. Aumento de la productividad. Productos más competitivos. Fácil integración, sin problemas adicionales, en una cadena de fabricación. Se obtiene un producto económico, de óptima calidad y en el menor tiempo posible.

Un proceso típico de CAE incluyen pasos de pre-procesado, solución y postprocesado. 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. 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 manufactora como forja, moldes y troquelados Optimización del proceso del producto

Algunos problemas de la ingeniería requieren la simulación de fenómenos múltiples para representar la física subyacente. Las aplicaciones CAE que abordan dichos problemas usualmente se llaman soluciones de física múltiple. 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 decisions 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.

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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. Los datos integrados y la gestión del proceso del CAE amplían la capacidad de balancear con eficacia los conocimientos del funcionamiento mientras se mejoran los diseños para una comunidad más amplia. 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. Software CAE

Estos son algunos ejemplos de software CAE: -

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NX: es una gama integrada de aplicaciones completamente asociativas de tipo CAD/CAM/CAE. Las aplicaciones de simulación en NX incluyen la simulación de movimiento dinámico, análisis de estrés lineal y no lineal, simulación del desempeño a nivel sistema, simulación de respuesta dinámica, análisis de vibración, análisis termal y de flujo de fluidos, análisis de durabilidad, análisis de ingeniería multi-físicos, y análisis para probar la correlación física. NX Nastran: es un solucionador de elementos finitos que analiza estrés, vibración, falla estructural/durabilidad, transferencia de calor, ruido/acústica, y aeroelasticidad. Femap: es un pre y post procesador independiente a CAD y native de Windos para la ingeniería FEA avanzada. Provee a los ingenieros y analistas un modelado de soluciones FEA para manejar hasta las tareas más complicadas de forma sencilla, exacta y costeable. Solid Edge Simulation: es una herramienta FEA integrada para que los ingenieros de diseño puedan validar partes, ensambles y diseños de forma digital en el ambiente de Solid Edge. Basada en la tecnología de modelado de elementos finitos de Femap, Solid Edge Simulation reduce significativamente la necesidad de prototipos físicos, reduciendo así los costos de pruebas y material mientras se ahorra tiempo de diseño.

Los siguientes componentes de Software son utilizados por los desarrolladores de software CAE como la base para sus aplicaciones: -

Parasolid: es un componente de software para el modelado geométrico en 3D que permite a los usuarios de productos basados en Parasolid, modelar partes y ensambles complejos. Es utilizado como una herramienta de geometría en cientos de aplicaciones diferentes de CAD, CAM y CAE.

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D-Cubed Components: Son 6 librerías de software que pueden utilizar los desarrolladores de software para la integrarlos a sus productos. Las capacidades que brindan incluyen dibujo parametrizado, diseño de partes y ensambles, simulación de movimiento, detección de colisiones, medidas de separación y visualización de líneas ocultas. Bibliografía

Poblet, J. M. (1988). SISTEMAS CAD/CAM/CAE : DISENO Y FABRICACION POR COMPUTADOR. MARCAMBO. Salvador, C. R. (1999). Ingenieria concurrente para el diseño del producto. Valencia: Servicio de publicaciones. SIEMENS. (2013). Obtenido de http://www.plm.automation.siemens.com/es_mx/plm/cad.shtml SIEMENS. (2013). Obtenido de http://www.plm.automation.siemens.com/es_mx/plm/cae.shtml

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