Evolucin de los softwares de simulacin para el Diseo y Construccin en la Industria
Evolution of simulation software for Design and Construction in Industry
Evoluo do software de simulao para projeto e construo na indstria
Jorge Daniel Mercado- Bautista I
gmercadobautista@gmail.com
https://orcid.org/0000-0001-6055-1670
Correspondencia: gmercadobautista@gmail.com
Ciencias tcnicas y aplicadas
Artculo de investigacin
*Recibido: 30 de julio de 2020 *Aceptado: 21 de agosto de 2020 * Publicado: 28 de agosto de 2020
- Ingeniero Mecnico, Especialista en Diseo Mecnico y Produccin con CAD-CAM-CAE aplicado al Sector Industrial, Docente Investigador de la Facultad de Ingenieras en la Universidad Tcnica Luis Vargas Torres de Esmeraldas, Ecuador.
Resumen
Las siglas CAE corresponden del ingls Computer Aided Engineering es la disciplina que se encarga del conjunto de programas informticos que permiten analizar y simular los diseos de ingeniera realizados con el ordenador, o creados de otro modo e introducidos en el ordenador, para valorar sus caractersticas, propiedades, viabilidad, y rentabilidad. Las reas que cubre la Ingeniera asistida por computadora son: Anlisis de estrs y dinmica de componentes y ensambles con el empleo de FEA; anlisis termal y de fluidos gracias al uso de CFD, sistema multicuerpo (MBD) y cinemtica. El diseo con el uso de la CAM (computer-aided manufacturing), implica el uso de computadores y tecnologa de cmputo para ayudar en la fase directa de manufactura de un producto. El surgimiento del CAD/CAM ha tenido un gran impacto en la manufactura al normalizar el desarrollo de los productos y reducir los esfuerzos en el diseo, pruebas y trabajo con prototipos Algunas de las aplicaciones caractersticas de la fabricacin asistida por computadora son las siguientes: Control numrico computarizado y robots industriales, diseo de dados y moldes para fundicin en los que, por ejemplo, se reprograman tolerancias de contraccin (pieza II). Ejemplos de este tipo de software son: CAMWorks, CATIA, Fikus Visualcam, GibbsCAM, SprutCAM, Unigraphics, WorkNC y muchos ms. El diseo asistido por computadora es necesario para manejar tanto CAM como CAE, debido a que ambos sistemas requieren un modelo para llevar a cabo ya sea el anlisis o la manufactura.
Palabras clave: software; diseo; simulador; industria; productividad.
Abstract
The acronym CAE corresponds to the English Computer Aided Engineering is the discipline that is in charge of the set of computer programs that allow to analyze and simulate engineering designs made with the computer, or created in another way and entered in the computer, to assess their characteristics, properties, feasibility, and profitability. The areas covered by Computer Aided Engineering are: Stress analysis and dynamics of components and assemblies with the use of FEA; Thermal and fluid analysis thanks to the use of CFD, multibody system (MBD) and kinematics. The design with the use of CAM (computer-aided manufacturing), involves the use of computers and computer technology to assist in the direct manufacturing phase of a product. The emergence of CAD / CAM has had a great impact on manufacturing by standardizing product development and reducing efforts in design, testing and work with prototypes Some of the characteristic applications of computer-aided manufacturing are the following: Control computerized numerical and industrial robots, die design and foundry molds in which, for example, shrinkage tolerances are reprogrammed (part II). Examples of this type of software are: CAMWorks, CATIA, Fikus Visualcam, GibbsCAM, SprutCAM, Unigraphics, WorkNC and many more. Computer-aided design is necessary to handle both CAM and CAE, since both systems require a model to carry out either analysis or manufacturing.
Keywords: software, design, simulator, industry, productivity.
Resumo
A sigla CAE corresponde ao ingls Computer Aided Engineering a disciplina responsvel pelo conjunto de programas de computador que permitem analisar e simular projetos de engenharia feitos com o computador, ou criados de outra forma e inseridos no computador, para avaliao de suas caractersticas, propriedades, viabilidade e lucratividade. As reas abrangidas pela Engenharia Assistida por Computador so: Anlise de tenses e dinmica de componentes e montagens com o uso de FEA; Anlise trmica e fluida graas ao uso de CFD, sistema multicorpo (MBD) e cinemtica. O projeto com a utilizao de CAM (manufatura auxiliada por computador), envolve o uso de computadores e tecnologia de informtica para auxiliar na fase de fabricao direta de um produto. O surgimento do CAD / CAM teve um grande impacto na manufatura ao padronizar o desenvolvimento do produto e reduzir os esforos de projeto, teste e trabalho com prottipos. Algumas das aplicaes caractersticas da manufatura auxiliada por computador so as seguintes: Controle robs numricos e industriais computadorizados, desenho de matrizes e moldes de fundio em que, por exemplo, as tolerncias de encolhimento so reprogramadas (parte II). Exemplos deste tipo de software so: CAMWorks, CATIA, Fikus Visualcam, GibbsCAM, SprutCAM, Unigraphics, WorkNC e muitos mais. O projeto auxiliado por computador necessrio para lidar com CAM e CAE, uma vez que ambos os sistemas exigem um modelo para realizar a anlise ou a fabricao.
Palavras-chave: software, design, simulador, indstria, produtividade.
Introduccin
El diseo asistido por computadora tambin conocido como CAD por las siglas de su nombre en ingls Computer-Aided Design. El Diseo Asistido por Computadora consiste en la utilizacin de programas utilizando un ordenador con la finalidad de crear, modificar, analizar, optimizar y documentar representaciones grficas bidimensionales y tridimensionales de objetos reales o en proyecto. El CAD se emplea para aumentar y optimizar la productividad del diseador, con el objetivo de perfeccionar la calidad de los diseos, as como tambin mejorar las comunicaciones a travs de la documentacin y crear una base de datos para la produccin. El Diseo Asistido por Computadoras se puede considerar como habilidad del dibujo tcnico. Adems, se utiliza en los efectos especiales en los medios y en la animacin por ordenador, as como en el diseo de productos y diseo industrial.
El CAD se divide bsicamente en programas de dibujo 2D (bidimensional) y de modelado 3D (tridimensional). Las herramientas de dibujo en 2D se basan en entidades geomtricas vectoriales como puntos, lneas, arcos y polgonos, con las que se puede operar a travs de una interfaz grfica. Los modeladores en 3D aaden superficies y slidos.
Esta herramienta con la utilizacin de computadoras, mejora la elaboracin, desarrollo y diseo de los productos. Con este programa se dibuja y por consiguiente se fabrican los productos con mayor precisin, generando menor precios, eficacia, y en menor tiempo. Estos programas destinados a diseos asistidos, los proyectos se guardan en la computadora, con el propsito de mejorarlos, compartirlos o perfeccionarlos.
Con el diseo asistido por computadora se puede producir productos complejos que seran prcticamente imposibles de realizar por el hombre. En la industria es donde mayor impacto ha tenido el disear por medio de la computadora, ya que aumenta la produccin, la perfeccin y la precisin con la que se fabrican los productos. En el rea de la construccin revolucion completamente el proyecto de edificaciones, ya que es ms rpido y preciso en su elaboracin de planos bidimensionales y modelos tridimensionales.
Desarrollo
Evolucin de los softwares de simulacin para el diseo y construccin en la industria
Anteriormente estos programas se restringan a aplicaciones centradas en el dibujo tcnico bidimensionales que sustituan el tradicional tablero de dibujo, ahora brinda ventajas para la reproduccin y conservacin de los planos, as como la reduccin del tiempo para dibujar, permitiendo adems usar elementos repetitivos y agilizar los cambios. Se podra contrastar a las ventajas de los primeros procesadores de textos frente a la mquina de escribir.
Sus inicios se vieron apaciguados por estar destinados a un grupo de beneficiarios reducido y requeran, asimismo, de un equipo de computacin muy potente. Por no hablar de la resistencia de muchos profesionales a adoptar estas tecnologas. Pero su potencial, el incremento de energa del equipo de computacin y la importancia de las organizaciones que los usaban permitieron que poco a poco estas herramientas alcanzaran las tres dimensiones y fueran incluyendo curvas complejas, superficies y, posteriormente, cuerpos slidos. Hasta llegar a los complejos sistemas asociativos y paramtricos que permiten realizar todo el diseo de un de una edificacin, automvil o un avin, someterlos a pruebas de choque, temperaturas, entre otras, realizar toda la infografa de marketing, realizar prototipos y, por supuesto, fabricarlos o construirlos, programando y controlando las mquinas que los producen y comprobando despus los resultados obtenidos.
Actualmente los softwares estn conectados a los sistemas de gestin y elaboracin de tal forma que ya desde la fase de diseo se puede saber el valor del producto final, controlar los stocks de componentes y materiales para su produccin y, en fin, todo lo que uno pueda imaginar. Anteriormente solo era la representacin de un plano en pantalla y hora es un modelo virtual del cual se obtienen datos, proyectan otros modelos, lo adaptan, lo imprimen, y hasta llegar a la fase de fabricarlo. Los sistemas de expertos permiten recoger reglas y normas de forma que el sistema gue al usuario en la toma de decisiones. Y ahora se persigue recoger el conocimiento y la experiencia del usuario y que el sistema aprenda, teniendo en cuenta esttica, ingeniera, fabricacin y calidad.
Herramientas de diseo asistido
Se denomina herramientas de diseo asistido a un grupo de herramientas que permiten el diseo asistido por un computador. Es habitual utilizar las siglas CAD, del ingls Computer Aided Design, para designar al conjunto de herramientas de software orientadas fundamentalmente, al diseo (CAD), la fabricacin (CAM) y el anlisis (CAE) asistidos por computadora en los mbitos cientfico e industrial.
Al pasar de los aos la utilidad de los programas de dibujo asistido por computadora en la ingeniera son indispensables. Martn (2017) expresa que el diseo de productos implica la integracin de mtodos computacionales y de ingeniera en un sistema basado en los procesadores informticos, es decir, que la combinacin entre ingeniera y sistemas informticos se traduce en un espectacular ahorro en el tiempo de progreso del proyecto.
Diseo asistido por computador (CAD):
De acuerdo a Rojas y Rojas (2006) el CAD es una tcnica de anlisis, una manera de crear un modelo del comportamiento de un producto aun antes de que se haya construido. Los dibujos en papel pueden no ser necesarios en la fase del diseo. El diseo asistido por computadora CAD por las siglas de su nombre en ingls computer-aided design es el uso de ordenadores para ayudar en la creacin, modificacin, anlisis u optimizacin de un diseo. El software CAD se utiliza para aumentar la productividad del diseador, mejorar la calidad del diseo, mejorar las comunicaciones a travs de la documentacin y crear una base de datos para la fabricacin. La salida CAD a menudo se presenta en forma de archivos electrnicos para impresin, mecanizado u otras operaciones de fabricacin. Tambin se puede considerar al CAD como una tcnica de dibujo.
Estas herramientas se pueden dividir bsicamente en programas de dibujo 2D y de modelado 3D. Las herramientas de dibujo en 2D se basan en entidades geomtricas vectoriales como puntos, lneas, arcos y polgonos, con las que se puede operar a travs de una interfaz grfica. Los modeladores en 3D aaden superficies y slidos.
El CAD fue principalmente inventado por un francs, Pierre Bzier, ingeniero de los Arts et Mtiers ParisTech. El ingeniero desarroll los principios fundamentales del CAD con su programa UNISURF en 1966.
El usuario puede asociar a cada entidad una serie de propiedades como color, capa, estilo de lnea, nombre, definicin geomtrica, material, etc., que permiten manejar la informacin de forma lgica. Adems se pueden renderizar a travs de diferentes motores o softwares como V-Ray, Maxwell Render, Lumion, Flamingo, entre los que son pagados, hay algunos de licencia free and open source como por ejemplo el Kerkythea y Acis, entre los ms usados, son modeladores 3D para obtener una previsualizacin realista del producto, aunque a menudo se prefiere exportar los modelos a programas especializados en visualizacin y animacin, como Autodesk Maya, Autodesk Inventor, SolidWorks, Bentley MicroStation, Softimage XSI o Cinema 4D y la alternativa libre y gratuita Blender, capaz de modelar, animar y realizar videojuegos.
Ingeniera asistida por computadora (CAE):
Las siglas CAE corresponden del ingls Computer Aided Engineering es la disciplina que se encarga del conjunto de programas informticos que permiten analizar y simular los diseos de ingeniera realizados con el ordenador, o creados de otro modo e introducidos en el ordenador, para valorar sus caractersticas, propiedades, viabilidad, y rentabilidad. Su finalidad es optimizar su desarrollo y consecuentes costos de fabricacin, y reducir al mximo las pruebas para la obtencin del producto deseado. Las bases de todas ellas se presentan como mdulos o extensiones de aplicaciones CAD, que incorporan: Anlisis cinemtico, anlisis por el mtodo de elementos finitos (FEM, Finite Elements Method), maquinado por control numrico CNC (Computered Numeric Control), de exportacin de ficheros "Stl" (Estereolitografa) para mquinas de prototipado rpido y CAD. En la figura 1 se muestra un ejemplo de programa simulacin digital.
Figura 1. Simulacin digital del impacto de un vehculo.
Los siguientes parmetros son usados frecuentemente en la ingeniera mecnica para simulaciones CAE: Temperatura, presin, interacciones de los componentes y fuerzas aplicadas. La mayora de los parmetros que se utilizan para la simulacin estn basados en el ambiente y en las interacciones que el modelo debera experimentar una vez que empiece a operar. Estos son introducidos en el programa CAE como una manera de ver si la pieza examinada podra manejar, tericamente, las limitaciones del diseo. Los sistemas CAE pueden asistir a los negocios. Esto ocurre cuando se usan arquitecturas de referencia y sus capacidades para colocar informacin en el proceso del negocio. La arquitectura de referencia es la base del modelo de informacin, especialmente del producto y de la manufactura.
Las reas que cubre la Ingeniera asistida por computadora son:
Anlisis de estrs y dinmica de componentes y ensambles con el empleo de FEA;
Anlisis termal y de fluidos gracias al uso de CFD;
Sistema multicuerpo (MBD) y cinemtica;
Herramientas de anlisis para simulacin de procesos y para procesos de fabricacin;
Optimizacin del proceso de documentacin;
Optimizacin del desarrollo del producto y
Verificacin inteligente de las inconformidades.
En general, existen tres fases en cualquier tarea de ingeniera asistida por computadora:
Pre-proceso: definir el modelo, as como los factores ambientales que se le aplicarn.
Anlisis que resuelva el problema.
Pos-procesamiento de resultados.
Los programas de ingeniera incluyen Abaqus, Ansys, MSC Adams Car, y muchos ms. Los sistemas CAD exportan modelos a programas de ingeniera para anlisis de prototipos virtuales.
Fabricacin Asistida por Computadora (CAM):
La fabricacin asistida por computadora, tambin conocida por las siglas en ingls CAM (computer-aided manufacturing), implica el uso de computadores y tecnologa de cmputo para ayudar en la fase directa de manufactura de un producto, es un puente entre el Diseo Asistido por Computadora CAD y el lenguaje de programacin de las mquinas y herramientas con una intervencin mnima del operario. Es parte de los Sistemas de planificacin del proceso y la produccin CAPP, que incluyen calendarizacin, administracin y control de calidad.
Debido a sus ventajas, se suele combinar el diseo y la fabricacin asistidos por computadora en los sistemas CAD/CAM. Esta combinacin permite la transferencia de informacin desde la etapa de diseo a la etapa de fabricacin de un producto, sin necesidad de volver a capturar manualmente los datos geomtricos de la pieza. La base de datos que se desarrolla durante el CAD es procesada por el CAM, para obtener los datos y las instrucciones necesarias para operar y controlar la maquinaria de produccin, el equipo de manejo de material y las pruebas e inspecciones automatizadas para establecer la calidad del producto.
Una funcin de CAD/CAM importante en operaciones de mecanizado, es la posibilidad de describir la trayectoria de la herramienta para diversas operaciones, como por ejemplo torneado, fresado y taladrado con control numrico. Las instrucciones o programas se generan en computadora, y pueden modificar el programador para optimizar la trayectoria de las herramientas. El ingeniero o el tcnico pueden entonces mostrar y comprobar visualmente si la trayectoria tiene posibles colisiones con prensas, soportes u otros objetos.
En cualquier momento es posible modificar la trayectoria de la herramienta para tener en cuenta otras formas de piezas que se vayan a mecanizar. Tambin, los sistemas CAD/CAM son capaces de codificar y clasificar las piezas que tengan formas semejantes en grupos, mediante codificacin alfanumrica.
Algunos ejemplos de CAM son: el fresado programado por control numrico, la realizacin de agujeros en circuitos automticamente por un robot, y la soldadura automtica de componentes SMD en una planta de montaje.
El surgimiento del CAD/CAM ha tenido un gran impacto en la manufactura al normalizar el desarrollo de los productos y reducir los esfuerzos en el diseo, pruebas y trabajo con prototipos. Esto ha hecho posible reducir los costos de forma importante, y mejorar la productividad. Por ejemplo, el avin bimotor de pasajeros Boeing 777 fue diseado en su totalidad en computadora con 2000 estaciones de trabajo conectadas a ocho computadoras. Este avin se construye de forma directa con los programas CAD/CAM desarrollados, y no se construyeron prototipos ni simulaciones, como los que se requirieron en los modelos anteriores. En la figura 2 se puede distinguir un disco de cromo-cobalto con coronas para implantes dentales mecanizados usando el software WorkNC Dental de fabricacin asistida por computadora.
Figura 2. Disco de cromo-cobalto con coronas para implantes dentales mecanizados usando el software WorkNC Dental de fabricacin asistida por computadora
El programa de Fabricacin Asistida por Computador y su empleo en las mquinas de control numrico se define como el cdigo detrs de las mquinas que manufacturan los productos. Las mquinas de control numrico (CNC, por sus siglas en ingls). Las mquinas CNC incluyen: fresadoras, tornos, grabadoras, lijadoras de superficies, soldadoras y electroerosin o manufactura por descarga elctrica.
Todo aquello que se le pedira a un operador con mquinas herramientas convencionales es susceptible de programacin con las mquinas CNC. CAM provee instrucciones paso a paso para las mquinas herramienta, de manera que se complete la fabricacin del producto. Antes de CAM, un maquinista tena que capturar las instrucciones en el cdigo antes de implementar el programa. Esta introduccin manual poda ser muy laboriosa, dependiendo de la complejidad del producto final. CAM simplific el proceso gracias a la incorporacin de un programa inteligente que desarrollara el cdigo basado en la plataforma de interfaz grfica de usuario (GUI, por sus siglas en ingls). Esto hizo que la escritura del cdigo de fabricacin fuera ms sencilla, casi solo hay que hacer clic en el botn del proceso deseado y entonces se generar el cdigo para la mquina CNC.
Aplicaciones del CAD
Algunas de las aplicaciones caractersticas de la fabricacin asistida por computadora son las siguientes:
Control numrico computarizado y robots industriales
Diseo de dados y moldes para fundicin en los que, por ejemplo, se reprograman tolerancias de contraccin (pieza II).
Diseo de herramientas y sopones, y electrodos para electroerosin.
Calidad e inspeccin; por ejemplo, mquinas de medicin por coordenadas programadas en una estacin de trabajo CAD/CAM.
Planeacin y calendarizacin de proceso.
Distribucin de planta.
Ejemplos de este tipo de software son: CAMWorks, CATIA, Fikus Visualcam, GibbsCAM, SprutCAM, Unigraphics, WorkNC y muchos ms.
Los programas CAD pueden alcanzar lo siguiente:
Incrementar la productividad del ingeniero
Mejorar la calidad del diseo
Mejorar la comunicacin a travs de la documentacin
Crear una base de datos para la manufactura.
Los profesionales que emplean el Diseo Asistido por Computadora en su trabajo son los arquitectos, ingenieros civiles, ingenieros elctricos, gestores de edificios, diseadores de interiores, ingenieros mecnicos, ingenieros estructurales, agrimensores, ingenieros industriales, ingenieros acsticos, ingenieros de proteccin contra incendios, diseadores de espacios para servicios de alimentacin, entre muchas personas ms. El CAD es utilizado en muchas organizaciones desde la aeroespacial, automotriz, textil y electrnica, entre otras muchas. El diseo asistido por computadoras permite que las empresas exploren sus ideas modeladas antes de llevar a cabo un prototipo fsico. Sobre todo, estos programas son usados por ingenieros ya que son los ms activos con los diseos.
Conclusiones
El xito en la utilizacin de sistemas CAD radica en la reduccin de tiempo invertido en los ciclos de exploracin. Fundamentalmente por el uso de sistemas grficos interactivos, que permiten realizar las modificaciones en el modelo y observar inmediatamente los cambios producidos en el diseo.
El diseo asistido por computadora es necesario para manejar tanto CAM como CAE, debido a que ambos sistemas requieren un modelo para llevar a cabo ya sea el anlisis o la manufactura. CAE requiere el modelo geomtrico para determinar la red nodal integrada que se usa en el anlisis. Por su parte, para CAM es primordial la geometra de la pieza para establecer las rutas y los cortes de la mquina herramienta. Ambas requieren CAD, si bien CAD puede ser una herramienta utilizada como un sistema solo para llevar a cabo modelos virtuales de ingeniera.
CAD es la columna vertebral tanto de CAM como de CAE, y es necesaria para que funcionen adecuadamente. Cada programa es una herramienta poderosa para ingenieros y maquinistas, pues los tres facilitan el trabajo diario y lo hacen ms eficiente. Emplearlos adecuadamente podra suministrar grandiosos beneficios para los individuos y para las organizaciones que los utilicen.
Referencias
1. Martn, D. (2017). Dibujo con Autocad. Editorial Gmez-Pardo. Madrid, Espaa ISBN: 978-84-606-9856-2. Documento en lnea. Disponible en: http://oa.upm.es/50865/1/Curso_AutoCAD.pdf
2. MAYNARD, Manual de Ingeniera y Organizacin Industrial, Tercera edicin, Editorial Revert, Espaa, 1998
3. RIOS-RIOS, Simulacin Mtodos y Aplicaciones Editorial Aflaomega ra-ma, Mxico, 1999.
4. Rojas, O. y Rojas L. (2006). Diseo asistido por computador. Revista diseo y tecnologa. Documento en lnea. Disponible en: file:///C:/Users/Usuario/Downloads/5709-Texto%20del%20art%C3%ADculo-19773-1-10-20140318.pdf
5. SHELDON, Ross, Simulacin, Segunda Edicin, Editorial Prentice may, Mxico, 1999.
6. SHANON, Robert, Simulacin de Sistemas Diseo, Desarrolle e Implementacin,
7. TORANZOS, Fausto: Estadstica, Editorial Kapelusz, Argentina, 1968 MANUALES v TAMAYO-ESPARZA-CAICEDO, Instructivo para operaciones y procesos, IANCEM, 1999
2020 por los autores. Este artculo es de acceso abierto y distribuido segn los trminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribucin-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0) (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).
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