Contexto


Sistemas CAD/CAMCAE, ingeniería de vanguardia

Es común que las empresas de manufactura anuncien sus procesos de fabricación y sus recursos tecnológicos como una forma de demostrar a los clientes potenciales, la capacidad y calidad de sus servicios. Una de estos recursos tecnológicos son los sistemas CAE, los cuales por lo general van aunados a los sistemas CAD/CAM, el acrónimo utilizado son sistemas CAD/CAM/CAE.

Cabe hacer mención que aunque el acrónimo diga sistemas CAD/CAM/CAE, éste no es el orden correcto en el cual se aplican estas tecnologías, el orden correcto es sistemas CAD/CAE/CAM, ya que lo que primero que tienes es el dibujo de un producto mediante un sistema CAD, recordando que puede ser un modelo en 2D o 3D. Posteriormente este dibujo se someterá a pruebas de funcionabilidad y rendimiento mediante el usos de sistemas CAE, para ello es importante que el modelo CAD sea un 3D, debido a que con sólidos este tipo de dibujos poseen toda la información necesaria para simular el comportamiento del producto ante un estímulo de manera virtual, con lo cual se verificara que tanto el diseño como los materiales son los correctos.

Si el producto pasa las simulaciones virtuales del CAE, continua con la etapa del CAM donde se evaluará mediante sistemas CAPP el método, la secuencia y el tipo de máquinas para la fabricación del producto, mediante los sistemas CAM también se podrán programar las maquinas mediante los la tecnología CAD/CAM.

La incorporación de estas tres tecnologías eleva considerablemente el diseño y la manufactura de los productos trayendo consigo grandes beneficios para una empresa. Los sistemas CAD/CAM/CAM son tecnologías suficientemente maduras, por lo que está completamente justificado la inversión de una empresa.

Análisis Estructural CAE

Imagen obtenida por http://goo.gl/gOIMij. Sólo para fines educativos.

Explicación


15.1. Automatización del diseño del producto

Al proceso de desarrollar un producto desde que nace una idea hasta su fabricación se le conoce como el ciclo de desarrollo del producto. En este ciclo, existen varias etapas por las que debe pasar la idea, comenzando por detectar una necesidad hasta qué fabrica el satisfactor.

Las etapas del ciclo de desarrollo del producto pueden auxiliarse de metodologías las cuales están apoyadas por recursos computacionales que harán más eficiente el proceso de desarrollo del producto, todas las etapas están relacionadas por el proceso de la ingeniera concurrente.

Ciclo de desarrollo del producto

Haz clic en cada clasificación para conocer las etapas del ciclo de desarrollo del producto.

Detección de la necesidad

En esta etapa se lleva a cabo una investigación de mercado que permite detectar una necesidad en el mercado, pudiendo ser esta necesidad un servicio o un producto. Una vez que se detecta la necesidad existen herramientas como la “casa de la calidad”, o QFD por sus siglas en inglés, la cual apoya refinando lo que las necesidades de los clientes en parámetros funcionales de diseño.

El QFD consiste en una matriz que analiza lo que quiere un cliente, a esta función se le conoce como los “QUE”; por otro lado, el QFD también analiza cómo satisfacer esos requerimientos del cliente que son llamados los “COMO”.

Otros “cuartos” que contiene la casa de la calidad son el de análisis de la competencia, en caso de que ya exista el servicio o el producto; las métricas que identifican el desempeño del producto mediante alguna métrica; la sección de las relaciones, encargada de analizar cómo un factor modificado en el producto puede afectar a otros factores de desempeño del producto.

La casa de la calidad es un proceso interactivo, es posible realizar varias casas de la calidad hasta que se llegue a un análisis bastante detallado del diseño del producto.

Casa de la calidad o QFD

Imagen obtenida de http://www.qfdonline.com/templates/. Sólo para fines educativos.

Diseño conceptual

En la etapa del diseño conceptual se realizan los primeros bosquejos del producto tomando en cuenta los resultados de la casa de la calidad, en esta etapa se dan las primera ideas de cómo será el producto, así como de las funcionabilidades o características que debe llevar. Algunas de las herramientas utilizadas en esta etapa son la descomposición funcional y la matriz morfológica.

La descomposición funcional es una técnica utilizada para descomponer cualquier problema en pequeños problemas y facilitar su solución. Los pasos para aplicar una descomposición funcional son las siguientes:

  1. Encontrar y definir las funciones generales de un producto.
  2. Descomponer las funciones en subfunciones.
  3. Profundizar en la descomposición al nivel necesario.
  4. Desarrollar conceptos para cada función o subfunción.
  5. Desarrollar bocetos de las ideas.

La matriz morfológica es una técnica que ayuda a la búsqueda de soluciones conceptuales a problemas de diseño. Se basa principalmente en dos principios fundamentales.

  1. En la descomposición funcional: Dividir el problema en funciones y subfunciones para simplificar la búsqueda de soluciones.
  2. Asignación de más de un concepto de solución por cada subfuncion, independientemente de su relación con otras subfunciones.

Matriz Morfológica

Dr. Rovira N. ITESM

Análisis de modo y efectos de fallas (AMEF)

El AMEF o FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) es una técnica que se utiliza para definir cuáles son las funciones principales de un producto y evitar posibles fallas de estas funciones desde que se está diseñando el producto. Las funciones que se analizan tienen diferentes prioridades según el grado de importancia para el producto, así pues, el sistema de frenos de un carro tendrá un nivel de importancia mayor que el funcionamiento del sistema de sonido. Existen dos principales tipos de AMEF:

  • AMEF de diseño
  • AMEF de procesos

El AMEF de diseño (D-AMEF) se usa para analizar componentes del diseño. Éste se enfoca hacia los modos de falla asociados con la funcionalidad de un componente que son causados por el diseño, además evalúa subsistemas del producto o servicio.

El AMEF de proceso (P-AMEF) se usa para analizar los procesos de manufactura, ensamble o instalaciones. Se enfoca en la incapacidad para producir el requerimiento que se pretende. Los modos de falla pueden derivar de causas identificadas en el AMEF de diseño y asume que el producto, según el diseño, cumplirá su intención final. Por último, evalúa cada proceso y sus respectivos elementos.

Cualquiera que sea el tipo de AMEF, se realiza sobre un matriz donde se enlistan y evalúan las funciones, así como las posibles fallas que pueda tener para después encontrar tanto el origen de las fallas y como una solución desde el punto de vista del diseño.

La implementación del AMEF trae los siguientes beneficios:

  • Identifica fallas o defectos antes de que estos ocurran
  • Reducir los costos de garantías
  • Incrementar la confiabilidad de los productos/servicios (reduce los tiempos de desperdicios y retrabajos)
  • Procesos de desarrollo más cortos
  • Documenta los conocimientos sobre los procesos
  • Incrementa la satisfacción del cliente
  • Mantiene el Know-How en la compañía

Sistemas CAD (Dibujo asistido por computadora)

Esta etapa consiste en la elaboración de los dibujos por computadora, se incluirán dibujos en 2D, 3D, las acotaciones y las tolerancias. Además, se podrá evaluar la estética del diseño, añadir propiedades al dibujo para convertirlo en un sólido y ser el punto de partida para las siguientes etapas.

Sistemas CAE (Ingeniería Asistida por computadora).

En la etapa del CAE es donde se lleva a cabo la ingeniería más dura del producto, ya que el diseño se someterá a rigurosos análisis y simulaciones para evaluar el diseño del producto, si se encuentra alguna falla del diseño se regresará a las etapas anteriores para corregirlo y volver a aplicar CAE. Los sistemas CAE se divide en tres etapas:

  • Etapa de Síntesis
  • Etapa de Análisis
  • Etapa de Evaluación

Algunas de las herramientas que se utilizan en estas etapas son las siguientes:

  • Diseño para manufactura (DFM)
  • Diseño para ensamble (DFA)
  • Análisis de elementos finitos (FEA)
  • Análisis de propiedades de masa (MPA)
  • Generación de prototipos
  • Verificación del diseño

Diseño del proceso

Una vez alcanzado el diseño a detalle, se deberá de comenzar con la fase del diseño del proceso donde se definirá el proceso para fabricar el producto, el tipo de máquinas, así como la cantidad requerida, los herramentales, los proveedores de los materiales, el flujo del proceso, entre otros. En esta etapa del ciclo de desarrollo de producto se comienza con la utilización de los sistemas CAM mediante las siguientes herramientas:

  • Planeación de los procesos asistido por computadora. (CAPP)
  • Programación mediante sistemas CAD/CAM
  • Diseño y balanceo de líneas de ensamble
  • Diseño de celdas de manufactura
  • Grupos tecnológicos y manufactura celular
  • Distribución de planta
  • AMEF de proceso

Fabricación

Es la etapa donde se comienza con la manufactura del producto, se siguen utilizando los sistemas CAM, como por ejemplo:

  • Planeación de la producción asistida por computadora
  • Control de la manufactura asistida por computadora
  • Control de calidad asistida por computadora
  • Control de inventarios asistidos por computadora
  • Sistemas MRP o ERP

15.2 Etapas de la ingeniería asistida por computadora (CAE).

Como pudiste observar, en el tema anterior, los sistemas CAE son una etapa del ciclo de desarrollo del producto, en la etapa del CAE es donde se desarrolla la ingeniería a detalle del producto, por lo que a continuación revisarás únicamente los sistemas CAE, así como sus etapas.

Los sistemas CAE se definen como el análisis y evaluación del diseño ingenieril usando técnicas basadas en computadora para calcular parámetros operacionales, funcionales y de manufactura del producto, tan complejos que sería casi imposible realizar por métodos tradicionales.

El término “Ingeniería asistida por computadora” (CAE – Computer Aided Engineering) engloba el conjunto de herramientas informáticas que permiten analizar y simular el comportamiento del producto diseñado.

La mayoría de los sistemas CAE se presentan como módulos o extensiones de aplicaciones CAD, que incorporan las siguientes características:

  • Análisis cinemáticos
  • Análisis dinámicos
  • Análisis de elementos finitos (mecánicos, estructurales, aerodinámicos, fluidos, etc.)
  • Análisis de propiedades de masa
  • Generación de ficheros .stl para la fabricación de prototipos rápidos

Algunas de las aplicaciones de los sistemas CAE se presentan a continuación:

  • Desarrollo de nuevos productos y empaques
  • Elaboración de prototipos y modelos computacionales fotos realistas y funcionales.
  • Determinar la viabilidad mecánica de los diseños o cumplimiento de las normas.
  • Ingeniería inversa.
  • Reducir el ciclo de desarrollo, mejorar la calidad y las propiedades deseadas.
  • Optimizar los diseños desde el punto de vista estructural.
  • Análisis utilizando tecnologías de elementos finitos (esfuerzos, deformaciones, pandeo, dilataciones térmicas, transferencia de calor).
  • Simulación cinemática y dinámica de mecanismos.
  • Simulación de fundición e inyección de metales.

El CAE abarca las siguientes etapas del procesos de diseño :

  • Síntesis
  • Análisis
  • Evaluación

En la etapa de síntesis el CAE se enfoca a la manufactura, usando principios de diseño para manufactura (DFM) y diseño para ensamble (DFA), además enriquece el producto adicionando detalles y reconfigurando el diseño del producto.

El DFMA es cualquier procedimiento o proceso de diseño que considera los factores de producción y ensamble desde el diseño del producto.

En la etapa de análisis se realizan pruebas virtuales al producto simulando las condiciones de uso a las que estará expuesto, para ello se utilizan las técnicas de análisis de elementos finitos (FEA) y análisis de propiedades de masa (MPA).

Por último en la etapa de evaluación se realizan prototipos de los diseños con los cuales se pueden hacer diversos tipo de pruebas como lo son de interferencias, cosméticos, ergonómicos e incluso funcionales en algunos casos.

Etapa de síntesis

Etapa de análisis

Etapa de evaluación


15.4 Utilización del módulo de manufactura avanzada en NX8

En este tema aprenderás el uso del módulo de manufactura avanzada de NX para hacer análisis de propiedades de masa y análisis de elementos finitos.

Aunque existen una gran variedad de software para hacer análisis de elementos finitos, se puede resumir que los pasos generales para cualquier software son los siguientes:

Procedimiento de una análisis de elementos finitos


Haz clic para ver los siguientes pasos

Pasos para realizar un análisis de propiedades de masa con NX
(haz clic aquí)


Pasos para realizar un análisis de elementos finitos con NX
(haz clic aquí )

Cierre


El ciclo de desarrollo de un producto es una de las actividades más interesantes de la ingeniería, pues engloba el uso de múltiples herramientas, metodologías, recursos y conocimientos de diversas disciplinas para alcanzar el éxito en un producto. Además, en el ciclo de desarrollo de un producto intervienen ingenieros de diversas especialidades como la ingeniería mecánica, la ingeniería mecatrónica, la ingeniería industrial, entre otras; cada ingeniero contribuirá con una parte del proyecto para desarrollar el producto.

La etapa del CAE es una etapa del ciclo de desarrollo del producto que consta, a su vez, de tres etapas: la etapa de síntesis, la etapa de análisis y la etapa de evaluación. En la etapa de análisis es donde se define los principios para manufacturar y ensamblar el producto, seleccionando los mejores materiales, procesos y métodos de ensamblaje con el fin de reducir los tiempos y los costos de fabricación.

En la etapa de análisis se pondrá a prueba el diseño, mediante simulaciones por computadora con el objetivo de evaluar si el producto cumplirá con los requerimientos del mercado, en caso de no alcanzarse estos requerimientos, se tendrá que revisar el diseño para hacer los ajustes necesarios y volver a realizar las simulaciones hasta que se tenga el diseño óptimo. Es por ello que se dice que la etapa del CAE es donde se aplica la ingeniería más dura en el ciclo de desarrollo del producto.

Por último, la etapa de evaluación, es la responsable de generar prototipos rápidos con el objetivo de tener el producto físicamente y continuar con la evaluación del producto antes de su fabricación, para la generación de los prototipos rápidos se utilizan las impresoras en 3D que brindan la posibilidad de tener una pieza en poco tiempo.

¿Te gustaría trabajar como ingeniero de desarrollo de nuevos productos? ¿Sí?, ¿no?, ¿por qué?

Checkpoint


Asegúrate de poder:

Identificar cuáles son las etapas de un ciclo de desarrollo de un producto

  • Conocer para qué sirven los sistemas QFD
  • Comprender qué es el DFMA
  • Identificar cuáles son las etapas del CAE

Referencias