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ÍNDICE Unidad I: “SISTEMAS CAD-CAM-CAE” 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

8. 9. 10.

11. 12.

Introducción ................................................................................................. 1 Sistemas CAD/CAM ........................................................................................ 2 2.1. Sistemas CAD ..................................................................................... 3 2.2. Sistemas CAM ..................................................................................... 4 Sistemas CAE ................................................................................................ 5 Aplicaciones .................................................................................................. 7 Perspectivas de futuro ................................................................................... 8 Empresas especializadas ................................................................................ 9 Aplicaciones independientes CAD CAM CAE ...................................................... 9 7.1. CAD ................................................................................................... 9 7.2. CAE ................................................................................................... 9 7.3. CAM................................................................................................. 10 Introducción ............................................................................................... 11 Proceso de desarrollo de un producto............................................................ 12 Visión general de los sistemas CAD/CAM/CAE y "Rapid Prototyping" ................ 14 10.1. Sistemas CAD ................................................................................... 15 10.2. Sistemas CAM ................................................................................... 19 10.3. Sistemas cae .................................................................................... 22 10.4. Fabricación rápida de prototipos o "Rapid Prototyping" ........................ 25 Manufactura integrada por computadora (CIM) .............................................. 29 Conclusiones ............................................................................................... 31

Unidad II: MODELADO DE CHAPA METÁLICA” 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.

Introducción ............................................................................................... 33 Trabajo en chapa metálica ........................................................................... 33 Modelado de chapa metálica empleando CAD 3d ............................................ 34 Ejemplo guiado de modelado de chapa metálica empleando CAD 3d ................ 35 Construir una pestaña por contorno .............................................................. 36 Construir una cara ....................................................................................... 41 Construir una pestaña .................................................................................. 46 Colocar y editar una cota ............................................................................. 58 Construir un agujero .................................................................................... 62 Hacer simetría y copiar la pestaña y el agujero .............................................. 64 Desarrollar un doblado ................................................................................. 67 Construir un vaciado .................................................................................... 69 Redoblar el doblado desarrollado .................................................................. 74 Achaflanar las esquinas agudas de la pieza .................................................... 75 Editar el grosor del material y el radio de doblado .......................................... 77

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Unidad III: MODELAMIENTO DE ESTRUCTURAS METÁLICAS” 1.

Modelamiento de estructuras metálicas .......................................................... 79 1.1. Tipos de dibujos estructurales ............................................................ 80 1.1.1. Dibujos de diseño ............................................................... 80 1.1.2. Trazos ............................................................................... 80 1.1.3. Dibujos de detalle ............................................................... 80 1.2. Notas sobre modelamiento de estructuras en Solidedge ....................... 82

Unidad IV: “MODELADO DE INSTALACIONES DE TUBERÍAS” 1.

Ejemplo guiado de modelado de sistemas de tuberías empleando CAD 3D ........ 92

Unidad V: “PRINCIPIOS DE FABRICACIÓN EMPLEANDO MÁQUINAS DE CONTROL NUMÉRICO COMPUTARIZADO” 1. 2. 3. 4.

5.

6.

Introducción .............................................................................................. 111 Introducción al CAD/CAM............................................................................ 112 Introducción al control numérico computarizado ........................................... 113 Control numérico en la ingeniería ................................................................ 116 4.1. Definición general ........................................................................... 116 4.2. Ámbito de aplicación del control numérico ......................................... 116 4.3. Ventajas del control numérico .......................................................... 116 4.4. Clasificación de los sistemas de control numérico ............................... 117 4.5. Arquitectura general de un control numérico ..................................... 118 Programación CNC ..................................................................................... 122 5.1. Construcción de un programa ........................................................... 122 5.2. Formato de programa ...................................................................... 122 5.3. Numeración de programas ............................................................... 123 5.4. Bloques del programa ...................................................................... 123 5.5. Formas de desplazamiento ............................................................... 125 5.6. Ciclos fijos de mecanizado................................................................ 138 Programación CNC fresadora ...................................................................... 148 6.1. Funciones preparatorias ................................................................... 148

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UNIDAD I

SISTEMAS CAD-CAM-CAE

1.

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

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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. 2.

SISTEMAS CAD/CAM Ambas siglas provienen de su denominación en inglés. Para diseñar usaremos el C.A.D. (Computer Arded Design), mientras que para la fabricación se emplea el C.A.M. (Computer Aided Manufacturing). El diseño y fabricación con ayuda de computador, comúnmente llamado CAD/CAM, es una tecnología que podría descomponerse en numerosas disciplinas pero que normalmente, abarca el diseño gráfico, el manejo de bases de datos para el diseño y la fabricación, control numérico de máquinas herramientas, robótica y visión computarizada. Históricamente los CAD comenzaron como una ingeniería tecnológica computarizada, mientras los CAM eran una tecnología semiautomática para el control de máquinas de forma numérica. Pero estas dos disciplinas se han ido mezclando gradualmente hasta conseguir una tecnología suma de las dos, de tal forma que los sistemas CAD/CAM son considerados, hoy día, como una disciplina única identificable. La evolución del CAD/CAM es como sigue: SISTEMAS PIS. (Sistema de información de Imágenes) Un sistema de este tipo es una forma especial de sistema de información que permite la manipulación, almacenamiento, recuperación y análisis de datos de imágenes. La lista de nuevas aplicaciones dentro del procesamiento digital de imágenes ha crecido al incluir CAD interactivo, procesamiento de datos geográficos, sensores remotos para estudiar los recursos de la tierra, procesamiento de datos relativos a economía agrícola, aplicaciones a la cartografía y a la realización de mapas. ANALISIS DE IMAGENES VARIABLES EN EL TIEMPO. (Sistemas CATVI) Los CATVI comprenden métodos y técnicas de procesamiento de imágenes variables en el tiempo, con el fin de encontrar diferencias entre las secuencias de una escena, transmitida por un sensor de visión y almacenadas en un computador, y que son causados por el movimiento de objetos o del sensor. SISTEMAS FMS. (Sistema de Fabricación Flexible) La arquitectura de la red de ordenadores en un FMS es jerárquica con tres niveles de operación. Un computador, maestro o principal, ejerce el control del

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sistema de computadores, el segundo nivel de computadores subordinados al principal se denomina Módulo de Control Numérico, el cual supervisa las operaciones de la máquina−herramienta. El nivel más bajo de control por ordenador es el sistema de Control Numérico Computarizado el cual está directamente relacionado con la máquina−herramienta. SISTEMAS AM. (Fabricación Autónoma). Los Sistemas AM están relacionados con las metodologías de tomas de decisión necesarias para la planificación y el control. Los AM pueden descomponerse en dos niveles, la Fábrica y la Célula de fabricación. SISTEMAS ISIS. (Sistema de Inteligencia Artificial) Es un sistema de Inteligencia Artificial capaz de solucionar el problema de cómo construir de forma precisa en el tiempo adecuado, los inventarios reales y manejarlos en el ambiente de una empresa. CELULAS TRANSPORTABLES Es un sistema diseñado para usar una gran variedad de máquinas (cada una de las cuales se comunica con el sistema en diferentes lenguajes), coordinarlas y operar con ellas sin fallos. 2.1.

SISTEMAS CAD 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 metal mecánico, 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.

Figura 1

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. No obstante, al no ser posible detectar todos los defectos, en muchos casos es aconsejable fabricar un modelo real de la pieza a fin de poder analizar mejor el resultado obtenido, sobre todo en aquellos casos en que a partir de las superficies creadas en el CAD se diseña el molde. Para fabricar dichos modelos se utilizan tecnologías de fabricación rápida de prototipos. Además de la verificación de las superficies, un programa CAD avanzado permite trazar superficies paralelas a las creadas, por ejemplo generando la piel interna de la pieza a partir de la piel externa en el caso de piezas con un espesor uniforme conocido y debe tener los elementos necesarios para conseguir realizar sobre el modelo CAD todas las actividades de ingeniería de diseño necesarias (nerviado, fijaciones, centradores, elementos rigidizadores). 2.2.

SISTEMAS CAM 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. A partir de la información de la geometría de la pieza, del tipo de operación deseada, de la herramienta escogida y de las condiciones de corte definidas, el sistema

calcula

las

trayectorias 4

de

la

Figura 2

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herramienta para conseguir el mecanizado correcto, y a través de un postprocesado genera los correspondientes programas de CN con la codificación especifica del CNC donde se ejecutarán. En general, la información geométrica de la pieza proviene de un sistema CAD, que puede estar o no integrado con el sistema CAM. Si no está integrado, dicha información geométrica se pasa a través de un formato común de intercambio gráfico. Como alternativa, 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. Algunos sistemas CAM permiten introducir la información geométrica de la pieza partiendo de una nube de puntos correspondientes a la superficie de la pieza, obtenidos mediante un proceso de digitalizado previo. La calidad de las superficies mecanizadas depende de la densidad de puntos digitalizados. Si bien este método acorta el tiempo necesario para fabricar el prototipo, en principio no permite el rediseño de la pieza inicial. Figura 3

La utilización más inmediata del CAM en un proceso de ingeniería inversa es para obtener prototipos, los cuales se utilizan básicamente para verificar la bondad de las superficies creadas cuando éstas son críticas. 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. 3.

SISTEMAS CAE 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. Figura 4

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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.

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 Se obtiene un producto económico, de óptima calidad y en el menor tiempo posible: Productos más competitivos. 4.

APLICACIONES Las principales aplicaciones del CAD/CAM se dan en dos campos de acción: el mecánico y el electrónico, dominando el primero con un 58 % del mercado, mientras que el diseño electrónico alcanza sólo el 19 %, según datos referidos a 1988. Esto es debido a que el nivel tecnológico al que se ha llegado exige un gran conocimiento del mismo a la hora de diseñar programas. Aparte del diseño mecánico de piezas y/o máquinas donde el peso de la industria del automóvil y bienes de equipo es notable, otros sectores industriales utilizan la tecnología CAD. Se usa para el diseño electrónico de circuitos (CAD 2D), arquitectura e ingeniería civil, ingeniería industrial (edificios y plantas industriales, urbanismo), patronaje en la industria textil (CAD 2D), y muchos otros como artes gráficas y animación. ¿Qué nos permiten hacer?  Desarrollo de Productos y Empaques. Elaboración de prototipos y funcionales.           

modelos computacionales fotorrealísticos y

Determinar la viabilidad mecánica de los diseños y/o cumplimiento de norma. 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. Optimizar los moldes y procesos de fundición y/o inyección (Inyectabilidad, Tiempos de inyección, Líneas de Flujo, Flujo vs. tiempo, Temperatura durante el llenado, Trampas de aire, Frente de presión, Análisis de Solidificación, Esfuerzos Residuales). Simulación de Fundición e Inyección de Metales (Predicción de Estructuras y Propiedades Metalúrgicas, Tratamiento Térmico). Simulación de Inyección de Plástico.

(*) Ingeniería Inversa: modelización en CAD de un objeto real, a partir de la digitalización por máquina tridimensional de medida. Se trata de tareas en las que otra tecnología, el CAM, tiene también su papel: posteriormente a la modelización CAD del objeto real mediante superficies (alterando el diseño según se desee), se pasa a fabricar con técnicas CAM el molde que permitirá la fabricación a gran escala del objeto. Es frecuente que, previamente a la fabricación del molde y usando también tecnología CAM o de Rapad Prototyping,

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se produzca directamente el objeto a partir de su modelización CAD, como si se tratara de una impresión 3D. 5.

PERSPECTIVAS DE FUTURO 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. La falta de sistemas de diseño va asociada a rediseños que se realizan sobre la marcha, con la consiguiente pérdida de tiempo y dinero. El factor tiempo también repercute de forma prioritaria en el desarrollo de prototipos. 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. Como tendencia de futuro, se confirmará la desaparición de la ya tenue frontera entre el mundo de los PC's y el de las Estaciones de Trabajo CAD. 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. Hasta el presente, las tecnologías de Rapid Prototyping, aunque consolidadas, no se han utilizado intensivamente dado su elevado coste. 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. Pero lo que actualmente es casi una yuxtaposición de módulos CAD, CAE y CAM, en el futuro será una unidad total: en etapas tempranas del diseño se podrá verificar su funcionalidad y fabricabilidad, contando además con tecnologías de Rapid Protyping de los utillajes de fabricación (Rapid Tooling). La competencia es cada día mayor y el tiempo de lanzamiento del producto es primordial a la hora de conseguir mayores beneficios. Por último, podemos citar la ausencia, prácticamente total, de formación con herramientas CAE de los estudiantes de ingeniería. Uno de los éxitos educacionales consistirá en preparar a estos estudiantes en el entorno industrial que le espera donde los sistemas integrados CAE están convirtiéndose en estándares. 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.

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6.

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EMPRESAS ESPECIALIZADAS Se citan a continuación las principales empresas desarrolladoras de software CAD, junto con el producto CAD que crean:          

7.

UGS : Unigraphics NX, software CAD-CAM-CAE Dassault Systems CATIA Parametrics Technology C. Pro/Engineer SDRC IDEAS Master Series Silicon Graphics ALIAS WAVEFRONT ComputerVision CADD 5 Hewlett Packard PE−ME10, PE−SolidModeler Intergraph EMS Matra Datadivision Euclid Autodesk AUTOCAD

APLICACIONES INDEPENDIENTES CAD CAM CAE 7.1.

CAD El concepto de “Diseño Asistido por Computadora” (CAD – Computer Aided Design) representa el conjunto de aplicaciones informáticas que permiten a un diseñador “definir” el producto a fabricar. A continuación se enumeran algunas de las características de las aplicaciones CAD que permiten especificar y formalizar la representación inequívoca de una pieza o sistema:  Modelado geométrico 3D: descripción analítica de la volumetría, contorno y dimensiones del objeto o sistema, incluyendo relaciones geométricas e incluso algebraicas entre los distintos componentes.  Proyecciones bidimensionales del objeto o sistema: obtención de vistas, secciones, perspectivas, detalles, etc. automáticamente.  Base de datos de propiedades: materiales, tolerancias dimensionales, terminaciones superficiales, tratamientos térmicos, etc.

7.2.

CAE 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 ellas se presentan como módulos o extensiones de aplicaciones CAD, que incorporan:  Análisis cinemático  Análisis por el método de elementos finitos (FEM – Finite Elements Method)  De simulación de programas CNC (Computered Numeric Control)

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 De exportación de ficheros “Stl” (Estereolitografía) para máquinas de prototipado rápido. Seguidamente se mencionan algunas de las principales aplicaciones CAE:  Cálculo de propiedades físicas: volumen, masa, centro de gravedad, momentos de inercia, etc.  Análisis tensional y cálculo mecánico y estructural: lineal y no lineal.  Análisis de vibraciones.  Simulación del proceso de inyección de un molde: análisis dinámico y térmico del fluido inyectado (inyección virtual)  Simulación de procesos de fabricación: mecanizado, conformado de chapas metálicas, soldaduras, análisis de fijaciones (fabricación virtual)  Simulación gráfica del funcionamiento del sistema: Cálculo de interferencias, estudios aerodinámicos, acústicos, ergonómicos, etc. (prototipado virtual) La reducción del tiempo y del costo, el descubrimiento de fallas en el diseño lo antes posible, y la mejora de la calidad y cualidades del producto son objetivos muy importantes en el desarrollo del mismo dentro de un ambiente de competitividad industrial. 7.3.

CAM El término “Fabricación Asistida por Computadora” (CAM – Computer Aided Manufacturing) agrupa las aplicaciones encargadas de traducir las especificaciones de diseño a especificaciones de producción. Entre las posibilidades de aplicación CAM encontramos:  Generación de programas de Control Numérico.  Simulación de estrategias y trayectorias de herramientas para mecanizado del producto diseñado (partiendo de un modelo CAD).  Programación de soldaduras y ensamblajes robotizados.  Inspección asistida por computadora. (CAI – Computer Aided Inspection).  Ensayo asistido por computadora. (CAT – Computer Aided Testing) La integración de las diversas técnicas de CAD/CAM/CAE

Artículo publicado por: Alexandre Samper Director del Area Tecnológica Centro Tecnológico de Ascamm El conjunto de técnicas de diseño asistido por ordenador ha experimentado un notable progreso en los últimos años, hasta el punto de que pueden considerarse suficientemente maduras y aplicarse de forma rentable a lo largo de todo el proceso de diseño y fabricación de un producto. De hecho, cuando las

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técnicas de diseño asistido por ordenador se contemplan de forma global e integrada el proceso se vuelve verdaderamente efectivo. El presente artículo introduce las diversas técnicas existentes y se basa en un esquema de desarrollo completo de un producto, desde la idea inicial hasta la disponibilidad rápida de un prototipo físico. 8.

INTRODUCCIÓN Hasta hace muy poco, las empresas se preguntaban: ¿CAD si o CAD no?, ahora la pregunta es: Qué sistema de CAD? Hoy en día, prácticamente ninguna compañía que diseñe y desarrolle algún tipo de producto cuestiona la aplicación del CAD, y aunque es evidente que existen muchas formas de enfocar estos temas y cada empresa lo hará del modo que considere más oportuno, la experiencia en la aplicación del CAD demuestra que su utilización aislada aporta únicamente beneficios parciales a la empresa en su conjunto. En definitiva, en muchas ocasiones la simple aplicación del CAD no es suficiente para incrementar la calidad, reducir los plazos de desarrollo y acelerar la salida al mercado de un producto. El conjunto de técnicas asistidas por ordenador (CAD, CAM, CAE, CAQ, CAPP, "rapid prototyping", etc.) han experimentado una gran evolución en estos últimos años, y pueden ser consideradas suficientemente maduras como para aplicarse de forma rentable en prácticamente todo el proceso de diseño y fabricación de un producto. Es bajo una perspectiva global de la aplicación integrada de todas estas técnicas donde puede considerarse realmente efectiva la utilización del CAD. El modelo o diseño realizado mediante CAD es, en general, el punto de partida para la aplicación del resto de técnicas asistidas. La calidad de este modelo CAD condiciona pues la calidad de los resultados que puedan obtenerse posteriormente del CAE, CAM, "rapid prototyping", etc. Este aspecto es de gran importancia para obtener el éxito esperado de la utilización de estos sistemas y merece mucha más atención de la que se le concede normalmente. Este hecho, unido a la aún insuficiente capacidad de comunicación entre los distintos sistemas y al posible desconocimiento de las posibilidades reales de los mismos, provoca en muchas ocasiones la desazón y decepción de lo que se obtiene de ellos. Con este artículo, deseamos dar a conocer nuestra experiencia como usuarios de este tipo de sistemas, aplicados en el campo de la pieza de plástico, y mostrar nuestro convencimiento en la conveniencia de su utilización actual y futura como herramientas imprescindibles para desarrollar y fabricar productos de forma competitiva.

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La estructura del artículo se basará en un esquema de desarrollo de productos, desde la idea inicial hasta el inicio de la producción, utilizando un caso práctico como ejemplo de la aplicación de las distintas tecnologías. 9.

PROCESO DE DESARROLLO DE UN PRODUCTO El esquema propuesto puede variar según el tipo de empresa y producto, aunque se estima que, en general, el siguiente puede ser suficientemente representativo de productos que integren piezas de plástico. Esquema de desarrollo de un producto Necesidad Documentación Hipótesis de partida

Prototipos “conceptuales”

Pre estudio Selección solución definitiva Desarrollo solución definitivo Prototipos

Análisis Prototipos

Modificación

Proyecto definitivo Utillajes y líneas producción

Serie piloto

Análisis serie piloto

Modificación

Serie cero

Análisis serie piloto

Modificación

Producción

Figura 5 Este diagrama contempla las fases más relevantes y el sentido del flujo de información que se va generando.

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En primer lugar aparece la NECESIDAD (1) de desarrollar un nuevo producto. Esta necesidad puede venir dada por imperativos de mercado, en el caso de desarrollar producto propio, o por petición de un cliente determinado si se es proveedor de piezas o sistemas. En base a esta necesidad se lleva a cabo una primera fase de DOCUMENTACIÓN (2) respecto a experiencias anteriores, análisis de la competencia, ideas de cara al futuro, etc., que servirá para determinar las líneas generales que definirán el producto. Seguidamente se determinan unas HIPÓTESIS DE PARTIDA (3) que permitirán comprobar la viabilidad del proyecto. Estas hipótesis suelen ser, entre otras, las siguientes:        

Coste del producto. Producción prevista. Calidad. Límites del problema a resolver. Normativa a cumplir. Seguridad. Sistema de montaje. Fecha aproximada de inicio de producción.

Una vez tomada la decisión de desarrollar el producto, se efectúan los PREESTUDIOS (4) de diversas soluciones respetando las determinaciones anteriores. Estos pre estudios consisten básicamente en la elaboración de:    

Croquis, diseño formal. Cálculos previos. Primeros prototipos "conceptuales". Análisis de cada solución.

Del resultado de estos pre estudios pueden derivarse conclusiones que afecten a las hipótesis de partida, pero de ellos saldrá la SOLUCIÓN DEFINITIVA. Posteriormente viene el DESARROLLO DE LA SOLUCION DEFINITIVA (5), lo cual dará lugar al inicio del diseño completo del producto.    

Cálculos y simulaciones. Planos de detalle y de conjunto. Prototipos. Estudio de los sistemas de fabricación.

Efectuando un análisis de la solución definitiva con criticismo constructivo. Una vez construidos los PROTOTIPOS (6), hay que llevar a cabo un análisis de los mismos, tanto desde el punto de vista funcional como estético. Los resultados de estos análisis pueden generar modificaciones sobre el diseño, sobre el cual, una vez modificado, se construirá un nuevo prototipo el cual se ensayará nuevamente, repitiendo este ciclo hasta obtener el diseño óptimo.

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Durante esta fase ya participan los distintos departamentos de la empresa así como los proveedores de los distintos UTILLAJES Y LINEAS DE PRODUCCION (8). Empezando de este modo a proyectar y construir, por ejemplo, los moldes para la inyección de las piezas de plástico. Llegado este punto, mencionar que la aplicación de la ingeniería concurrente exigirá cada día más la participación, entre otros, de los fabricantes de moldes y matrices, ya en las primeras fases del desarrollo de un producto. Los objetivos principales serán reducir el tiempo de desarrollo y puesta en producción, diseñar un producto "fabricable" y evitar cambios cuando el producto está en fase de producción. Obtenido el diseño definitivo, se pasa a una EDICION DEL PROYECTO DEFINITIVO (7), consistente en la generación de la colección de planos relativos al proyecto, elaboración de las listas de materiales, creación de estructuras, etc. De forma casi paralela a la fase anterior, se lleva a cabo una SERIE PILOTO (9), con la cual se comprueba el buen funcionamiento de los utillajes y medios de producción fabricados por Ingeniería de Producción, a través de un análisis de dicha serie. Una vez se dispone de los utillajes definitivos, se elabora una SERIE CERO (10) cuyo objeto es simular la fabricación en serie del producto en las condiciones que posteriormente será fabricado. Los productos obtenidos de esta serie, son sometidos a un análisis y aprobación por parte de Control de Calidad, pudiéndose generar modificaciones que afectarán al modelo definitivo. Asimismo, esta serie sirve para homologar el proceso de producción. Tan pronto Control de Calidad homologa el producto, éste se encuentra dispuesto para entrar en PRODUCCION (11). 10. VISIÓN GENERAL DE PROTOTYPING"

LOS SISTEMAS CAD/CAM/CAE

Y "RAPID

Existe una oferta muy amplia en el mercado de las tecnologías asistidas por ordenador. Algunas de estas tecnologías, como el CAD o el CAM, son conocidas y aplicadas cada vez por más empresas. No obstante, existe una evolución constante y muy rápida de las mismas que, conjuntamente con la aparición de algunas de nuevas, hace que sea difícil mantenerse al día tanto en su conocimiento como en su aplicación. Algunos ejemplos de ello son los nuevos sistemas de CAD basados en "sólidos", la generación de geometría paramétrica y variacional, las nuevas técnicas de "rapid prototyping", etc.

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10.1. SISTEMAS CAD El diseño asistido por ordenador empezó aplicándose ya en los años 60 fundamentalmente como sistema sustitutorio de los tableros de dibujo, permitiendo ganancias de tiempo en la generación de planos. Progresivamente ha ido ampliando su campo funcional de aplicación y sus prestaciones, hasta convertirse en lo que es hoy en día, una potente herramienta que permite diseñar objetos en un ordenador como si de cuerpos reales se tratase. El CAD puede aplicarse a prácticamente todas las áreas de actividad: electrónica, arquitectura, química, geología, textil, ingeniería civil, etc., aunque aquí se centrará la atención en el CAD mecánico. Una primera clasificación de estos sistemas puede realizarse en base a la capacidad de representación de un objeto en el espacio:  CAD 2D: sustitutivo básicamente del tablero representación de los objetos es bidimensional.

de

dibujo,

la

 CAD 3D: parte de un concepto del objeto en tres dimensiones. Según el nivel de representación pueden distinguirse en:  Modelado en jaula de alambre ("wire frame")  Modelado en superficies.  Modelado sólido.

Figura 6

En los sistemas de CAD 2D, la información geométrica de que dispone el ordenador es bidimensional, es decir, está contenida en un plano. Las vistas son generadas de forma independiente y no existe asociatividad entre las mismas. No obstante, a pesar de las limitaciones de estos sistemas en cuanto a diseño, su ámbito de aplicación es muy amplio: realización de distribuciones en planta, diseño de circuitos eléctricos, electrónicos, hidráulicos y neumáticos, diseño y proyecto de líneas de montaje, proyecto de moldes y matrices, generación rápida de planos para piezas sencillas, etc...

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Los sistemas CAD 3D posibilitan la definición de los objetos de forma espacial, es decir, en tres dimensiones (x,y,z). Según sea el tipo de representación, se obtendrá más o menos información del sistema y podrán efectuarse operaciones más o menos complejas. Así, para un modelo CAD en "wire frame", el ordenador dispone de las coordenadas -x,y,z- de los vértices del objeto, así como información de los elementos geométricos que unen dichos vértices. Es evidente que con estos datos no se dispone de información sobre las caras o superficies del objeto. El modelado en jaula de alambre ha dejado de existir como tal para pasar a formar parte de los modeladores de superficies, sirviendo en muchas ocasiones como estructura de base para la generación de las mismas. Los modelos CAD en superficies incorporan la información de los "wire frame" y, como su nombre indica, de las superficies del objeto diseñado. Este tipo de sistemas CAD son los más usados actualmente cuando se requiere modelado tridimensional de piezas complejas. Los modelos CAD de superficies, cuando estos han sido generados correctamente, sirven como base de partida para la aplicación del CAM, CAE, "rapid prototyping", generación de planos, etc.

Figura 7 Aspecto de una pieza modelada con superficies.

Mediante un modelo de superficies es posible representar un objeto sombreándolo, dándole así una apariencia realística, al mismo tiempo que oculta líneas no vistas y permite una mejor comprensión del mismo.

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Figura 8 Modelo de superficies sombreado. (Cortesía de Arto Ibérica, S.A).

El modelado de sólidos permite definir íntegramente cualquier objeto en un ordenador. El sistema dispone de la información del modelo de superficies y además distingue el interior del exterior de la pieza. Ello permite realizar operaciones como generación de secciones de todo tipo, "montaje" de piezas en conjuntos para análisis de interferencias, campos de trabajo y movimiento, representación explosionada para esquemas de montaje, etc., así como obtención de información como volumen, centro de gravedad, momentos de inercia, etc. Procedimiento convencional Diseño de la pieza (en tablero de dibujo) Constitución de un modelo (en madera, resina, etc.) Copiado para fresado de desbaste (en fresadora copiadora) Copiado para fresado de electrodos (en fresadora copiadora)

Electroerosionado (en máquina EDM)

Ajuste y acabado (manual) Molde acabado

Figura 9

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Procedimiento CAD/CAM Diseño de la pieza (mediante CAD) Generación programas CNC (mediante CAM)

Fresado de desbaste (en fresadora CNC) Fresado de electrodos (en fresadora CNC)

Electroerosionado (en máquina EDM)

Ajuste y acabado (manual) Molde acabado

Figura 10

Existen diversas técnicas para generar un modelo sólido en CAD: mediante operaciones booleanas (unión, diferencia, intersección) de formas "primitivas" (cilindros, cubos, esferas, etc.), mediante la representación de fronteras ("B-REP"), etc., pero lo realmente interesante es la evolución hacia el modelado paramétrico y orientado a objetos ("feature oriented modelling"), lo cual permite generar geometría variable en función de una serie de parámetros y relaciones entre distintas dimensiones del objeto, permitiendo crear la pieza de forma intuitiva, utilizando operaciones y elementos comúnmente empleados en el lenguaje entre personas: rosca, taladro, corte, chaflán, redondeado, etc. Por ejemplo, en los sistemas convencionales de modelado sólido, realizar un agujero en una pieza significaba trazar un círculo, generar el cilindro correspondiente a este círculo con una longitud determinada, situar y orientar dicho cilindro y realizar una operación de sustracción entre dos sólidos. Con un sistema orientado a objetos, el ordenador "entiende" qué es un agujero, con lo cual únicamente solicitará el diámetro y situación del centro del mismo. En el proceso de diseño y fabricación de piezas de plástico, el CAD puede ser aplicado en prácticamente todas las fases.

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10.2. SISTEMAS CAM Los sistemas de fabricación asistida por ordenador tienen por objetivo, básicamente, proporcionar una serie de herramientas que permitan fabricar la pieza diseñada. Actualmente, el CAM se conoce fundamentalmente como sistema de programación "off-line" de máquinas CNC, y sobre ello se centrará nuestra atención. Sin embargo, debe precisarse que el CAM es un concepto mucho más amplio, que incluye la programación de robots, de máquinas de medir por coordenadas (CMM), simulación de procesos de fabricación, anidado de piezas de chapa para la programación de la máquina, planificación de procesos, etc. La primera y más importante aplicación del CAM es la programación "offline" de máquinas CNC, o sea, la generación de programas fuera de las mismas. Ello permite realizar los programas sin interrumpir la máquina, además de poder simular la ejecución de los mismos en el ordenador, evitando así posibles errores y colisiones, aumentando el rendimiento de la máquina y la calidad de las piezas mecanizadas. Los sistemas CAM pueden utilizarse para diferentes tecnologías que, normalmente, están disponibles por módulos: fresado, torneado, electro erosionado, punzonado, corte por láser, oxicorte, etc. Una de las aplicaciones más extendidas es la programación de operaciones de fresado. Ello es especialmente interesante cuando la pieza a mecanizar es compleja, es decir, que no permita ser programada "manualmente". En este caso, el procedimiento convencional para mecanizar, por ejemplo un molde para inyección, es el siguiente: En el caso de utilizar el CAD/CAM, el proceso sería el siguiente: Este procedimiento es aplicable para cualquier nivel de complejidad, aunque es especialmente indicado para fresado en 3, 4 y 5 ejes. En el caso de utilizar sistemas CAD/CAM, para el ejemplo descrito, evita la construcción de modelos o masters de la pieza. Por otro lado se garantiza la fidelidad de la pieza mecanizada con respecto al modelo CAD. En el caso de modificarse el diseño de la pieza, mediante el proceso convencional será necesario generar una nueva maqueta, mientras que con ayuda del CAD/CAM es posible realizar la mayor parte de la información existente, ofreciendo sin duda una mayor flexibilidad.

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Figura 11 Representación gráfica de las trayectorias de mecanizado obtenidas mediante CAM. (Arto Ibérica)

Figura 12 Maqueta en resina para aprobación de estilo, obtenida tras la aplicación de los programas de mecanizado generados mediante CAM (Arco Ibérica)

Durante el proceso de desarrollo de un producto, es muy frecuente que se fabriquen maquetas o prototipos para la aprobación de estilo (4). Si estas maquetas son fabricadas mediante CAM en base a un modelo CAD, la pieza final será idéntica a la maqueta aprobada. En este caso el modelo CAD es utilizado para generar las trayectorias de herramienta que constituirán el programa CNC (ver Fig.11), obteniéndose, una vez mecanizada, una pieza idéntica al modelo diseñado mediante CAD (ver Fig. 12). Fig.11Representación gráfica de las trayectorias de mecanizado obtenidas mediante CAM. (Cortesía de Arto Ibérica, S.A).

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Fig.12 Maqueta en resina para aprobación de estilo, obtenida tras la aplicación de los programas de mecanizado generados mediante CAM. (Cortesía de Arto Ibérica, S.A). El proceso de programación de máquinas CNC que se sigue mediante la aplicación del CAM es el siguiente: Existen, además de los potentes sistemas CAM desarrollados para trabajos muy complejos, los denominados WOP ("Workshop Oriented Programming") o programación orientada a taller. Son sistemas de fácil utilización, con una funcionalidad CAD limitada, que funcionan sobre ordenadores personales y que están pensados para ser usados en el taller por los propios operarios de las máquinas. Programa CNC Modelo CAD

Generación de geometría auxiliar

Definición de parámetros tecnológicos

Generación de trayectorias

Simulación

Programa objeto (CLDATA)

Post procesado

Programa CNC

Figura 13

Los objetivos principales de estos sistemas son descentralizar la programación de aquellas piezas de baja dificultad, liberando así los recursos más costosos para piezas de mayor complejidad, y aprovechar el "know-how" de los operadores de las máquinas. El proceso de programación mediante WOP es muy similar al descrito para el CAM, con excepción del programa objeto que, en vez de ser CLDATA, es un lenguaje interno propio de cada sistema.

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Estos sistemas vienen utilizándose desde hace algunos años, aunque el concepto WOP es relativamente nuevo en España. 10.3. SISTEMAS CAE A lo largo del ciclo de desarrollo de un producto se repite con frecuencia el ciclo prueba-error, representado a continuación, con tal de validar un diseño determinado, dándose tantas más veces cuanto más complejo es el diseño. Sistemas CAE

Figura 14

Esta fase del proceso de desarrollo es muy importante por el coste de las operaciones que intervienen y el tiempo dedicado a ellas: la construcción de prototipos, realización de los ensayos y análisis funcionales, etc. Los sistemas de ingeniería asistida por ordenador son un conjunto de paquetes que utilizan la técnica de modelado y análisis por elementos finitos (FEM/FEA). Esta técnica nació a principios de los años 50 como una necesidad de la industria aeronáutica y es anterior a la aparición del CAD/CAM. Los sistemas CAE posibilitan la simulación del comportamiento de una pieza, mecanismo o producto ante un fenómeno determinado sin necesidad de disponer físicamente de esta pieza, mecanismo o producto. El ámbito de aplicación de estos sistemas es muy amplio, siendo algunos de los principales los siguientes:     

Cálculo estructural lineal y no lineal. Transferencia de calor, en régimen estacionario y transitorio. Cinemática y dinámica de mecanismos. Electromagnetismo. Análisis geológicos.

En general, el proceso utilizado en un sistema CAE (FEM/FEA) es el siguiente:

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Sistemas CAE Modelo CAD (directo o mediante interface

Mallado del modelo

Asignación de condiciones de contorno (material, presiones, temperaturas,…)

Fichero neutro

Cálculo

Fichero neutro

Presentación de resultados

Figura 15

Dado el contexto de este artículo, se tratará únicamente sobre la simulación del proceso de moldeo por inyección de plástico. Como en el caso de CAM, es fundamental disponer de un modelo CAD sobre el que realizar el mallado (discretización de la pieza en elementos finitos). En la Fig. 16 puede observarse el modelo CAD que será utilizado para generar el mallado representado en la Fig. 17. Este último modelo será el utilizado para la realización de los distintos cálculos durante la simulación. El sistema va almacenando los resultados de los cálculos en un fichero neutro, el cual es prácticamente imposible de interpretar. Debido a ello, ha sido necesario desarrollar una operación de postproceso que permita presentar los resultados de forma clara y comprensible. Esta presentación suele realizarse en forma de gráficos, tablas e imágenes coloreadas. En la Fig. 18 puede verse el resultado obtenido tras el cálculo de los tiempos de llenado del molde.

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Figura 16 Modelo CAD sombreado. (Cortesía de Arto Ibérica, S.A)

Figura 17 Modelo mallado preparado para el cálculo. (Cortesía de Arto Ibérica, S.A)

Figura 18 Presentación de resultados mediante código de colores. Representación de los tiempos de llenado. (Cortesía de Arto Ibérica, S.A)

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La simulación del proceso de moldeo por inyección de plásticos, es una herramienta de gran utilidad en varias fases del proceso de diseño y fabricación de piezas de plástico, como por ejemplo: Diseño de la pieza: ayuda a diseñar una pieza que sea fabricable. Mediante la simulación podrá detectarse ésta ofrecerá algún tipo de problema durante la transformación, como por ejemplo rechupes, deformaciones, contracciones indeseadas, etc. Diseño del molde: apoya efectivamente en el momento de determinar los puntos óptimos de inyección, diseño de los circuitos de refrigeración, diseño de coladas, etc. Podrá preverse asimismo donde se producirán líneas de unión, atrapamientos de aire y desequilibrio en las coladas en caso de moldes multicavidad. Proceso de transformación (producción): la simulación del proceso de inyección permitirá determinar tiempos de ciclo, presiones y temperaturas, tamaño de la máquina, etc., permitiendo optimizar el ciclo y las condiciones de inyección. Si bien es cierto que estos sistemas ofrecen divergencias entre los resultados obtenidos y la realidad, también lo es que, en el campo de la pieza de plástico, el comportamiento ante un fenómeno físico determinado de un prototipo y el de una pieza inyectada puede ser bastante distinto. El CAE posibilita además la evaluación de un número más amplio de alternativas, tanto en relación a los a materiales como a posibles configuraciones y diseños del producto en desarrollo. 10.4. FABRICACIÓN PROTOTYPING"

RÁPIDA

DE

PROTOTIPOS

O

"RAPID

En los últimos años ha aparecido y evolucionado muy rápidamente una tecnología que, basada en un modelo CAD 3D en superficies o sólidos, permite obtener en cuestión de pocas horas una pieza física idéntica al modelo CAD. Esta novedosa tecnología es el proceso de fabricación por aporte de material (MIM - "Material Incress Manufacturing"). La idea fundamental es construir un objeto añadiendo material en vez de eliminarlo como en el caso del mecanizado. Este concepto ha servido para desarrollar diversas técnicas. Entre éstas, las que han conseguido evolucionar más rápidamente, son las que basan su principio de funcionamiento en la generación de un cuerpo tridimensional a partir de la superposición de multitud de secciones transversales de un espesor determinado y adheridas entre sí. El hecho de que mediante estas técnicas sea posible disponer de un modelo físico en pocas horas, hace que parezca realmente interesante aplicarlas durante el proceso de desarrollo de un producto. Y realmente lo

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es si se tiene en consideración que cada técnica puede ser apta para un propósito concreto y debe ser usada en consecuencia. A continuación se expone una posible clasificación de los sistemas actuales. 1.

Según como se construya la pieza.

 En capas sucesivas (2D).  Directamente en el espacio (3D). 2.

Según como se "solidifique" el material.

 Materiales líquidos.  En los que líquidos polímeros se solidifican por el impacto de un haz luminoso.  En los que el material es fundido, depuesto y solidificado de nuevo.  En el que el material es fundido y proyectado, solidificándose poco después de impactar.  Materiales sólidos.  Las láminas de material son unidas mediante pegado.  Las capas se unen por fotopolimerización de placas de plástico semipolimerizado.  Materiales en forma de polvo.  Solidificación de los granos mediante fusión.  Unión de los granos mediante cola. Sin que ello pretenda ser discriminatorio, a continuación de describirá de forma muy sucinta algunos de los sistemas más conocidos y extendidos a nivel norteamericano y europeo. Denominación: Stereolithography (Estereolitografía). Fabricante: 3D-Systems, (USA). Materiales: Resinas (Ciba-Geigy). Descripción del proceso: La pieza es construida sobre una plataforma horizontal sumergida en una resina líquida. La solidificación se produce punto por punto, por fotopolimerización resultante de la incidencia de un rayo láser sobre la superficie, el cual la recorre "dibujando" una serie de celdillas que conforman la sección 2D correspondiente al corte realizado en el modelo CAD 3D a esta altura. Con tal de reducir el tiempo de construcción, las secciones de la pieza son solo parcialmente solidificadas, excepto la cara inferior y superior que deben serlo totalmente con tal de contener el líquido no polimerizado. La solidificación de este líquido se realiza después de que todas las capas estén formadas, en una operación de post-curado en un horno. Denominación: Selective Laser Sintering (SLS). Fabricante: DTM, (USA).

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Materiales: Cera de fundición, policarbonato, poliamida, poliamida fina, PVC, ABS. En desarrollo: cerámica y metales. Descripción del proceso: El principio general de funcionamiento consiste en un haz láser que recorre una superficie de material en forma de polvo, solidificando sucesivamente diferentes capas de material. El material en polvo es precalentado a una temperatura ligeramente inferior a la de fusión. La solidificación se produce mediante la incidencia puntual de un haz láser, que provoca un calentamiento superior al de la temperatura de sinterización. Los granos de polvo que no son sobrecalentados permanecen sin adherirse, de forma que actúan como soporte de capas sucesivas y posibles partes colgantes de la pieza. El polvo sobrante, no solidificado, es retirado posteriormente al terminar el proceso de fabricación. Denominación: Solid Ground Curing (SGC). Fabricante: Cubital, (Israel). Materiales: Resina (Solimer G-5601). Descripción del proceso: El principio de construcción se basa en la solidificación de una resina fotopolimerizable mediante la incidencia de un haz UV. El punto de partida de este proceso es un modelo CAD 3D. Este modelo es introducido en el ordenador de la máquina, el cual es "cortado" en secciones de un espesor determinado, normalmente 0.1 mm. Cada "corte" representa una sección bidimensional que será utilizada como negativo para generar una máscara sobre una lámina de cristal. Paralelamente, se ha depositado en la cubeta una fina capa de resina. El cristal es emplazado sobre la cubeta; un haz de luz UV provoca la solidificación de la resina en aquellas zonas que la máscara sobre el cristal ha dejado al descubierto. Seguidamente la resina sobrante es aspirada. Los espacios huecos dejados por la resina aspirada, son rellenados con cera, la cual es solidificada; obteniendo de este modo un cuerpo sólido. A continuación se sucede una operación de fresado que, eliminando un mínimo de material, deja la superficie plana y al espesor deseado. En este punto se repite de nuevo el ciclo descrito hasta completar la pieza. La cera es retirada posteriormente de las oquedades de la pieza mediante fusión o lavado. Denominación: Laminated Object Manufacturing (LOM). Fabricante: Helisys, (USA). Materiales: Papel y poliéster especiales para LOM. Descripción del proceso: El proceso está basado en la adhesión de láminas de papel una sobre otra, las cuales son recortadas individualmente y a la profundidad precisa mediante un rayo láser. El recortado se realiza siguiendo las trayectorias

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formadas por la secciones sucesivas obtenidas, como en todos los casos anteriores, de un modelo CAD 3D. El papel, caso más habitual, es autoadhesivo, siendo su alimentación por rollo. La capa de papel es pegada a la anterior con la ayuda de un rodillo calentado a una temperatura predeterminada. Seguidamente un láser que se desplaza en X,Y, recorta el papel de acuerdo con la sección correspondiente. El papel sobrante es recortado en cuadrículas de forma que permita su posterior eliminación. Esta secuencia se repite hasta finalizar la construcción. Modelo CAD 3D

Modelo CAD (superficies completamente cerradas o sólido)

Generación del modelo STL (estación de trabajo CAD)

Preparación de la geometría y seccionado (en ordenador de la máquina de RP)

Construcción de la pieza capa a capa (máquina de RP)

Pieza

Figura 19

Las máquinas necesarias para llevar a cabo estos procesos son de un elevado coste. Ello sumado a la relativamente baja demanda de este tipo de prototipos, hace que las empresas que disponen de este tipo de máquinas sean ingenierías o empresas de servicios especializados. En España existen actualmente tres empresas que disponen de máquinas de estereolitografía -2- y sinterizado por láser -1-. La secuencia general seguida en estos procesos es la siguiente: En este proceso es importante la calidad del modelo CAD, de no tratarse de un modelo sólido, debe procurarse que las superficies estén completamente cerradas y correctamente recortadas. La generación del fichero STL consiste en triangular el modelo CAD en base a unas tolerancias que pueden fijarse libremente. Este fichero es la forma de

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poder transferir el modelo CAD a la máquina de R.P. En la Fig.8 puede observarse el aspecto que ofrece un modelo CAD triangulizado.

Figura 20 Representación gráfica del fichero STL. (Cortesía de Arto Ibérica, S.A)

En la Fig. 21 puede verse la pieza obtenida, en este caso, mediante estereolitografía. La función de este prototipo era doble: validar el diseño y verificar el montaje con las otras piezas del conjunto, fabricadas también mediante R.P.

Figura 21Prototipo en estereolitografía. (Cortesía de Arto Ibérica, S.A)

11. MANUFACTURA INTEGRADA POR COMPUTADORA (CIM) La Fabricación Integrada por Computadora (CIM) aprovecha plenamente el potencial de esta tecnología al combinar una amplia gama de actividades asistidas por ordenador, que pueden incluir el control de existencias, el cálculo de costes de materiales y el control total de cada proceso de producción. Esto ofrece una mayor flexibilidad al fabricante, permitiendo a la empresa responder con mayor agilidad a las demandas del mercado y al desarrollo de nuevos productos. La futura evolución incluirá la integración aún mayor de sistemas de realidad virtual, que permitirá a los diseñadores interactuar con los prototipos virtuales de los productos mediante la computadora, en lugar de tener que construir costosos 29

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modelos o simuladores para comprobar su viabilidad. También el área de prototipos rápidos es una evolución de las técnicas de CAD/CAM, en la que las imágenes informatizadas tridimensionales se convierten en modelos reales empleando equipos de fabricación especializado, como por ejemplo un sistema de estereolitografía. ESQUEMA FUNCIONAL DE UN CIM

CIM PP&C Planeación y Control de Producción

CAD/CAM Diseño y Manufactura Asistido por Computadora

Planeación de recursos

CAD Diseño Asistido por

Computadora CAP Planeación de procesos

Asistida por PC CAM Manufactura Asistida por Computadora (Incluye ensamblado)

de manufactura Planeación de requerimientos

CAQ

de materiales

Control de Calidad Asistido por

Planeación de Lotes y Tiempos

Computado ra

Liberación de órdenes Control de manufactura

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NIVELES JERÁRQUICOS EN UN CIM

Figura 22

12. CONCLUSIONES En estos últimos años las tecnologías asistidas por ordenador han experimentado una gran evolución. El desarrollo de hardware más potente en cuanto a potencia de cálculo y tratamiento de gráficos, la aparición de una nueva generación de modeladores de sólidos, la evolución de los interfaces de usuario y las nuevas tecnologías de "rapid prototyping", van a facilitar que estas tecnologías se utilicen cada día más de forma integrada, y se conviertan en herramientas convencionales en el proceso de diseño y fabricación de piezas de plástico. Por otro lado, esta integración ideal no resulta fácil de llevar a cabo, debido fundamentalmente a la todavía deficiente capacidad de comunicación entre sistemas distintos. Todavía existen problemas a la hora de intercambiar información entre diferentes sistemas, especialmente cuando se trata de modelos complejos en CAD. La evolución de los interfaces (IGES, VDA, STEP, SET, etc.) ha sido notable aunque insuficiente, y es de esperar que los fabricantes de los sistemas CAD/CAM/CAE realicen un esfuerzo especial en desarrollarlos y adaptarlos a las necesidades actuales de los usuarios.

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Por otro lado, actualmente estos fabricantes están desarrollando un conjunto de especificaciones gráficas comunes, compatibles a nivel binario, que han de permitir una total transparencia e intercambiabilidad de modelos CAD entre distintos sistemas, sin necesidad de recurrir a los interfaces actuales. Otro aspecto realmente importante es la calidad del modelo generado en CAD. Si bien los sistemas CAD todavía exigen una inversión elevada en tiempo a la hora de acabar perfectamente un modelo -superficies bien cerradas y "trimadas", ausencia de elementos duplicados, etc.-, en la mayoría de los casos es despreciable frente al tiempo que debe invertirse posteriormente en la "reparación" de estos modelos para fases posteriores como CAM, CAE, R.P., etc. Es de esperar que a medida que los modeladores de sólidos vayan evolucionando, este problema existente con los modeladores de superficies que totalmente resuelto. Por último, es recomendable a recurrir, aunque sea de forma puntual, a asesores externos especializados en la materia cuando se trate de seleccionar, implantar y explotar este tipo de sistemas, así como para optimizar el uso de los mismos.

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