Victor Manuel Montaño Aguilar

DISEÑO E INGENIERIA ASISTIDO POR COMUTADORA

Introducción

CAD (Computer Aided Design): Diseño asistido por computador.

CAE (Computer Aided Engineering): Ingeniería asistida por computador.

CAM (Computer Aided Manufacturing): Manufactura asistida por computador.

CIM (Computer Integrated Manufacturing) Manufactura integrada por computador.

El diseño es una actividad que se proyecta hacia la solución de problemas planteados por el ser humano en su adaptación al medio que lo rodea, para la satisfacción de sus necesidades, para lo cual utiliza recursos como la tecnología CAD/CAE/CAM. Estas tecnologías se vienen aplicando a través de los métodos de la ingeniería concurrente. La técnica más desarrollada en la ingeniería asistida por computador (CAE), es la aplicación de los análisis por elementos finitos (FEA), que con la mejora de los equipos de cómputo se ha convertido en técnicas accesibles para todos los usuarios. Estas técnicas son usadas industrialmente desde el diseño hasta la fabricación consiguiendo optimizar costos, calidad, tiempo, seguridad, etc.

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CAD

La aplicación del software CAD en la ingeniería abarca la elaboración de cuadros sinópticos, diagramas de diversos tipos, gráficos estadísticos, representación normalizada de piezas para su diseño y fabricación, representación tridimensional de modelos dinámicos en multimedia, análisis con elementos finitos, aplicaciones en realidad virtual, robótica, etc.

Los software CAD pueden ser usados de dos maneras generales, a través de lenguajes de programación y paquetes aplicativos. El desarrollo a raves de lenguajes de programación abiertos implica un amplio dominio, conocimiento de las tecnologías de exhibición, manejo del análisis matemático geométrico y vectorial (software abiertos más usados: Java y Visual Basic); en cambio el uso de paquetes aplicativos debido a su amplio desarrollo acelerado, su especialización en los diferentes campos de aplicación, su diseño de arquitectura abierta y su facilidad de uso han permitido su rápida aceptación y adaptación.

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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.

Estos son algunos ejemplos de aplicaciones de Software tipo CAD:

NX

Solid Edge

Parasolid

D-Cubed Components.

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CAMComúnmente se refiere al uso de aplicaciones de software computacional de control numérico (NC) para crear instrucciones detalladas (G-code) que conducen las máquinas de herramientas para manufactura de partes controladas numéricamente por computadora (CNC). Los fabricantes de diferentes industrias dependen de las capacidades de CAM para producir partes de alta calidad.

Una definición más amplia de CAM puede incluir el uso de aplicaciones computacionales para definir planes de manufactura para el diseño de herramientas, diseño asistido por computadora (CAD) para la preparación de modelos, programación NC, programación de la inspección de la máquina de medición (CMM), simulación de máquinas de herramientas o post-procesamiento. El plan es entonces ejecutado en un ambiente de producción, como control numérico directo (DNC), administración de herramientas, maquinado CNC, o ejecución de CCM.

Un plan de manufactura correctamente definido que genera los resultados de producción esperados.

Los sistemas CAM pueden maximizar la utilización de la amplia gama de equipamiento de producción, incluyendo alta velocidad, 5 ejes, máquinas multifuncionales y de torneado, maquinado de descarga eléctrica (EDM), y inspección de equipo CMM.

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Los sistemas CAM pueden ayudar a la creación, verificación y optimización de programas NC para una productividad óptima de maquinado, así como automatizar la creación de documentación de producción.

Los sistemas CAM avanzados, integrados con la administración del ciclo de vida del producto (PLM) proveen planeación de manufactura y personal de producción con datos y administración de procesos para asegurar el uso correcto de datos y recursos estándar.

Los sistemas CAM y PLM pueden integrarse con sistemas DNC para entrega y administración de archivos a máquinas de CNC en el piso de producción.

NX CAM y CAM Express

NX Tooling and Fixture Desing

Parasolid

D-Cubed Components

CAEIngeniería asistida por computadora (CAE) 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.

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

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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.

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.

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.

Algunos software CAE

- NX Nastran

- Fema

- Solid Edge Simulation

- Parasolid

- D-Cubed Components

CIMManufactura Integrada por Computador (CIM), que consiste en emplear sistemas de información computarizada y filosofías administrativas para integrar totalmente las actividades relacionadas con la producción, desde las necesidades del cliente, diseño del producto, del proceso, la producción hasta el apoyo postventa.

Este no se limita a la automatización integrada del sistema productivo sino que pretende lograr la total integración de la unidad de negocios.

Un sistema CIM tendrá elementos integrados a través de una base de datos por computadora.

Diseño asistido por computadora CAD Manufactura asistida por computadora CAM Robótica Planeación de recursos de fabricación MRP II Tecnología de grupos Group Tecnology

Estos elementos resultan básicos para el diseño y manufactura del producto. Los sistemas de control están aislados funcionalmente y se comunican mediante interfas estándar. Los equipos han de estar dotados de sensores que permitan la respuesta ante los datos de rendimiento, y se debe de implementar un entorno informático distribuido.

Los aspectos mas importantes en la implementación de CIM

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Coherencia con la estrategia corporativa.

Integración previa de las operaciones y bases de datos.

Simplificación y eficiencia del sistema manual.

Adquisición de los soportes técnicos suficientes

Orden de implementación

Conceptos básicos de modeladoUn modelo es una representación simplificada de una determinada realidad. Esa realidad representada en la modelo, a menudo denominada “sistema en estudio” (SuS, System under Study), puede ser cualquier tipo de sistema: no sólo un sistema software, sino también un sistema humano, un sistema mecánico, o un sistema mixto con elementos humanos, mecánicos y software. Un modelo es una abstracción, es decir, una simplificación utilizada para comprender mejor la realidad que representa (Booch et al, 1999). Un modelo simplifica la realidad, suprimiendo detalles irrelevantes y reteniendo los aspectos esenciales, de modo que la esencia del sistema sea mejor conocida y podamos hacer frente a su complejidad.

Conceptos básicos del modelo orientado a objetos. Modelo orientado a objetos. El modelo orientado a objetos sirve para desarrollar sistemas de software con un alto grado de complejidad. Este modelo es tan importante que se creó el OMG (Object Management Group, Grupo de Administración de Objetos, una agrupación no lucrativa) para establecer las normas que rigen el desarrollo de software orientado a objetos. Los objetos, concretos y abstractos, están a nuestro alrededor, forman nuestro entorno. Podemos distinguir cada objeto en base a sus características y comportamientos. Por ejemplo, en el aula observamos los objetos:

• Alumno

• Profesor

• Mesa

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• Silla

• Mesa

•Banco

• Pizarrón

Abstracción. La abstracción es una de las principales herramientas con que combatimos la complejidad. Una abstracción denota las características esenciales de un objeto y proporciona límites conceptuales definidos respecto a la perspectiva del observador. En el modelo de objetos se persigue construir abstracciones que imiten directamente el vocabulario de un determinado dominio de problema, por lo que el problema central del diseño orientado a objetos es tomar la decisión acerca del conjunto adecuado de abstracciones para ese dominio.

Conceptos básicos de elemento finitoEl método de los elementos finitos, es un procedimiento basado en técnicas computacionales, que puede ser usado para analizar estructuras y diferentes sistemas continuos. Es un método numérico versátil, y que es ampliamente aplicado para resolver problemas que cubren casi todo el espectro de análisis ingenieriles. Sus aplicaciones comunes, incluyen el comportamiento de sistemas estáticos, dinámicos y térmicos. Los avances en el hardware, han facilitado y aumentado la eficiencia del software de elementos finitos, para la solución de sistemas complejos de ingeniería sobre computadores personales. Los resultados obtenidos con el análisis de elementos finitos, son raramente exactos. Sin embargo, una solución adecuada puede ser obtenida, si se usa un modelo apropiado de elementos finitos.

Pasos para el Análisis de Elementos Finitos:

1. Discretización o modelado de la estructura: La estructura es dividida en una cantidad finita de elementos, con ayuda de un preprocesador. Este paso es uno de los más cruciales para obtener una solución exacta del problema, de esta forma, determinar el tamaño o la cantidad de elementos en cierta área o volumen del elemento a analizar representa una ventaja del método, pero a la vez implica que el usuario debe estar muy conciente de esto para no generar cálculos innecesarios o soluciones erróneas.

2. Definir las propiedades del elemento: En este paso el usuario debe definir las propiedades del elemento.

3. Ensamblar las matrices de rigidez de los elementos: La matriz de rigidez de un elemento, consiste de coeficientes los cuales pueden ser derivados del equilibrio, residuos ponderados o métodos de energía. La matriz de rigidez del elemento se refiere a los desplazamientos nodales al ser aplicadas fuerzas en los nodos (K*F = U). El ensamble de las matrices de rigidez, implica la aplicación de equilibrio para toda la estructura.

4. Aplicación de las cargas: Fuerzas externas concentradas o fuerzas uniformes y momentos son especificados en este paso.

5. Definir las condiciones de frontera: Las condiciones de apoyo deben ser dadas, por ejemplo, si el desplazamiento de ciertos nodos es conocido. Usando los elementos de la frontera se pueden determinar las reacciones en los mismos.

6. Solucionar el sistema de ecuaciones algebraicas lineales: La secuencial aplicación de los pasos descritos, conduce a un sistema

de ecuaciones algebraicas simultáneas, donde los desplazamientos nodales son desconocidos.

7. Calcular los esfuerzos: El usuario puede entonces calcular los esfuerzos, reacciones, deformaciones u otra información relevante. El post-procesador ayuda a visualizar la salida en forma gráfica.