Unidad 1 Introduccion al diseno asistido por computadora 1.1 1.2.
Introduccion
Conceptos fundamentales sobre CAD/CAM/CAE/CIM
1.3 Software y hardware
¿Qué es CAD, CAM, CIM, CAE? DISEÑO E INGENIERIA ASISTIDOS PORCOMPUTADORA CAD CAM CIM CAE. El diseño asistido por computadora co mputadora u orde ordena nado dor, más conocido por sus siglas inglesas CAD (computer-aided design)diseño asistido por computadora, es el uso de un amplio rango de herramientas computacionales que asisten a ingenieros, arquitectos y a otros profesionales del diseño en sus respectivas actividades. El CAD es también utilizado en el marco de procesos de administración del ciclo de vida de productos. -Ejemplo de una pieza desarrollada en CAD:
La fabricación asistida por computadora, también conocida por las siglas en inglés CAM (Comput (Computer er Aide Aidedd Man Manuf ufac actu turiring ng)) fabrica fab ricación ción asisti asi stida da por computad comp utadora ora,, implica el uso de computadores y tecnología de cómputo para ayudar en todas las fases de la manufactura de un producto, incluyendo la planificación del proceso y la producción, mecanizado, calendarización, administración y control de calidad, con una intervención del operario mínima. Debido a sus ventajas, se suele combinar el diseño y la fabricación asistidos por computadora en los sistemas CAD/CAM . Esta combinación permite la transferencia de información desde la etapa de diseño a la etapa de planificación para la fabricación de un producto, sin necesidad de volver a capturar manualmente los datos geométricos de la pieza.Ejemplo de una pieza desarrollada en CAM:
La manufactura integrada por computador (CIM) Es un concepto acuñado a principios de los ´70. Estarse propone utilizar el poder de análisis, cálculo y procesamiento de las computadoras al servicio de la producción de bienes de mercado. CIM cubre varios aspectos de la industria, que van desde el diseño, la ingeniería, la manufactura hasta la logística, el almacenamiento y la distribución de los productos. El objetivo de esta tecnología es incrementar la capacidad de manufacturar piezas, productos terminados o semielaborados usando el mismo grupo de máquinas. Para ello se requiere que las herramientas utilizadas sean flexibles y capaces de modificar su programación adaptándose a los nuevos requerimientos del mercado.-Ejemplo de una pieza desarrollada en CIM:
Ingeniería asistida por computadora o por ordenador (CAE, del inglés Computer Aided Engineering) es el conjunto de programas informáticos que permiten analizar y simular los diseños de ingeniería realizados con el ordenador, o creados de otro modo e introducidos en el ordenador, para valorar sus características, propiedades, viabilidad y rentabilidad. Su finalidad es optimizar su desarrollo y consecuentes costos de fabricación y reducir al máximo las pruebas para la obtención del producto deseado.-Ejemplo de una pieza desarrollada en CAE:
Diseño asistido por computadora
Pieza desarrollada en CAD. El diseño asistido por computadora, más conocido por sus siglas inglesas CAD (computer-aided design ), es el uso de un amplio rango de herramientas computacionales que asisten a ingenieros, arquitectos y a otros profesionales del diseño en sus respectivas actividades. El CAD es también utilizado en el marco de procesos de administración del ciclo de vida de productos (en inglés product lifecycle management ). También se puede llegar a encontrar denotado con las siglas CADD (computer- aided design and drafting ), que significan «dibujo y diseño asistido por computadora». Estas herramientas se pueden dividir básicamente en programas de dibujo en dos dimensiones (2D) y modeladores en tres dimensiones (3D). Las herramientas de dibujo en 2D se basan en entidades geométricas vectoriales como puntos, líneas, arcos y polígonos, con las que se puede operar a través de una interfaz gráfica. Los modeladores en 3D añaden superficies y sólidos. El usuario puede asociar a cada entidad una serie de propiedades como color, usuario, capa, estilo de línea, nombre, definición geométrica, etc., que permiten manejar la información de forma lógica. Además pueden asociarse a las entidades o conjuntos de éstas otro tipo de propiedades como material, etc., que permiten enlazar el CAD a los sistemas de gestión y producción. De los modelos pueden obtenerse planos con cotas y anotaciones para generar la documentación técnica específica de cada proyecto. Los modeladores en 3D pueden, además, producir pre visualizaciones foto realistas del producto, aunque a menudo se prefiere exportar los modelos a programas especializados en visualización y animación, como Autodesk Maya, Bentley MicroStation, Softimage XSI o Autodesk 3ds Max y la alternativa libre y gratuita Blender, capaz de modelar, animar y realizar videojuegos.
Elementos de los sistemas CAD
Dibujo realizado con software CAD. El proceso de diseño en CAD consiste en cuatro etapas.
Modelado geométrico. Se describe como forma matemática o analítica a un objeto físico, el diseñador construye su modelo geométrico emitiendo comandos que crean o perfeccionan líneas, superficies, cuerpos, dimensiones y texto; que dan a origen a una representación exacta y completa en dos o tres dimensiones. El representado en línea abarca todas las aristas del modelo que se pueden considerar como líneas llenas dando como resultado una imagen ambigua ya que algunas veces las formas son complicadas y para facilitarlo se pueden usar los colores para distinguir las líneas de las piezas y tener una mejor visualización. Sus estructuras se representan en 2, 2 ½ y dimensiones. Cuando hablamos de 2 ½ se utiliza la transformación de la extrusión (sweept), moviendo el objeto de 2-D a lo largo del eje z.1 Análisis y optimización del diseño. Después de haber determinado las propiedades geométricas, se somete a un análisis ingenieril donde podemos analizar las propiedades físicas del modelo (esfuerzos, deformaciones, deflexiones, vibraciones). Se disponen de sistemas de calendarización, con la capacidad de recrear con exactitud y rapidez esos datos.1 Revisión y evaluación del diseño. En esta etapa importante se comprueba si existe alguna interferencia entre los diversos componentes, en útil para evitar problemas en el ensamble y el uso de la pieza. Para esto existen programas de animación o simulaciones dinámicas para el cálculo de sus tolerancias y ver que requerimientos son necesarios para su manufactura.1 Documentación y dibujo (drafting). Por último, en esta etapa se realizan planos de detalle y de trabajo. Esto se puede producir en dibujos diferentes vistas de la pieza, manejando escalas en los dibujos y efectúa transformaciones para presentar diversas perspectivas de la pieza.
3 El diseño asistido por computadora, abreviado DAO pero más conocido por las siglas inglesas CAD (Computer Aided Design), es el uso de un amplio rango de herramientas computacionales
que asisten a Ingenieros, Arquitectos y a otros profesionales del diseño en sus actividades. Es además la herramienta principal para la creación de entidades geométricas enmarcados dentro de procesos de Administración del Ciclo de Vida de Productos (Product Lifecycle Management), y que involucra software y algunas veces Hardware especiales. Los paquetes actuales varían desde aplicaciones basadas en vectores y sistemas de dibujo en 2 dimensiones (2D) hasta modeladores en 3 dimensiones (3D) a través del uso de modeladores de sólidos y superficies paramétricas. Se trata básicamente de una base de datos de entidades geométricas (puntos, líneas, arcos, etc.) con la que se puede operar a través de una interfaz gráfica. Permite diseñar en dos o tres dimensiones mediante geometría alámbrica, esto es, puntos, líneas, arcos, splines; superficies y sólidos para obtener un modelo numérico de un objeto o conjunto de ellos. La base de datos asocia a cada entidad una serie de propiedades como color, capa, estilo de línea, nombre, definición geométrica, etc., que permiten manejar la información de forma lógica. Además pueden asociarse a las entidades o conjuntos de estas, otro tipo de propiedades como el coste, material, etc., que permiten enlazar el CAD a los sistemas de gestión y producción.
CAE son las siglas en inglés de Computer Aided Engineering , en español «ingeniería asistida por ordenador o computadora». Se denomina así al conjunto de programas informáticos que analizan los diseños de ingeniería realizados con el ordenador, o creados de otro modo e introducidos en el ordenador, para valorar sus características, propiedades, viabilidad y rentabilidad. Su finalidad es optimizar su desarrollo y consecuentes costos de fabricación y reducir al máximo las pruebas para la obtención del producto deseado. La fabricación asistida por computadora , también conocida por las siglas en inglés CAM (Computer Aided Manufacturing), hace referencia al uso de un extenso abanico de herramientas basadas en los ordenadores. Los datos creados con el CAD, se mandan a la máquina para realizar el trabajo, con una intervención del operador mínima. Algunos ejemplos de CAM son: el fresado programado por control numérico, la realización de agujeros en circuitos automáticamente por un robot, soldadura automática de componentes SMD en una planta de montaje. CAM (Computer Aided Manufacturing o Manufactura asistida por computadora): La manufactura asistida por computadora (CAM, de computer aided manufacturing), implica el uso de computadores y tecnología de cómputo para ayudar en todas las fases de la manufactura de un producto, incluyendo la planeación del proceso y la producción, maquinado, calendarización, administración y control de calidad. El sistema CAM abarca muchas de las tecnologías. Debido a sus ventajas, se suelen combinar el diseño y la manufactura asistidos por computadora en los sistemas CAD/CAM. Esta combinación permite la transferencia de información dentro de la etapa de diseño a la etapa de planeacion para la manufactura de un producto, sin necesidad de volver a capturar en forma manual los datos sobre la geometría de la pieza. Una función de CAD/CAM importante en operaciones de maquinado, es la posibilidad de describir la trayectoria de la herramienta para diversas operaciones, como por
ejemplo torneado, fresado y taladrado con control numérico. Las instrucciones o programas se generan en computadora, y pueden modificar el progra-mador para optimizar la trayectoria de las herramientas. El ingeniero o el técnico pueden entonces mostrar y comprobar visualmente si la trayectoria tiene posibles colisiones con prensas, soportes u otros objetos. En cualquier momento es posible modificar la trayectoria de la herramienta, para tener en cuenta otras formas de piezas que se vayan a maquinar. El surgimiento del CAD/CAM ha tenido un gran impacto en la manufactura al normalizar el desarrollo de los productos y reducir los esfuerzos en el diseño, pruebas y trabajo con prototipos. Algunas aplicaciones características del CAD/CAM son las siguientes: • Calendarización para control numérico, control numérico computarizado y robots industriales • Diseño de dados y moldes para fundición en los que, por ejemplo, se preprograma tolerancias de contracción • Dados para operaciones de trabajo de metales, por ejemplo, dados complicados para formado de láminas, y dados progresivos para estampado • Diseño de herramientas y electrodos. Control de calidad e inspección; por ejemplo, máquinas de medición por coordenadas programadas en una estación de trabajo CAD/CAM. • Planeacíón y Calendarización de proceso. Diseño.-Utilizado habitualmente en el contexto de las artes aplicadas, ingeniería, arquitectura y otras disciplinas creativas, diseño es considerado tanto sustantivo como verbo. Se dice que el diseño es un proceso creativo. El diseño mecánico se puede dividir en tres etapas principales las cuales son diseño conceptual, preeliminar y critico o de detalle. En la etapa de diseño conceptual, se trata de definir el problema que se tiene, el cual nace de alguna necesidad. El siguiente paso es desarrollar todas las especificaciones así como los requerimientos del problema. Una vez que se tiene todo esto, empieza la generación de conceptos o configuraciones de solución. Se trata de tener mas de una alternativa de solución para posteriormente evaluar cada una de estas, mediante modelos matemáticos, elementos finitos, prototipos y modelos a escala. Después de la evaluación viene la comparación entre las diferentes alternativas que se propusieron, es importante comparar bajo las mismas condiciones. Pueden construirse matrices de decisión, con índices y parámetros adecuados. Una parte importante en esta etapa es la relación que el diseñador tiene con el cliente, ya que, este puede dar preferencia a ciertas características en el diseño. El último paso en esta etapa es la configuración con el mejor diseño. Diseño preliminar: En esta etapa la configuración resultante se somete a un estudio detallado de factibilidad. Diseño critico o de detalle: Esta es la ultima etapa de diseño, aquí se realizan planos de manufactura, estudio de tolerancias, se verifica que todo ensamble a la perfección.
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INTRODUCCIÓN Para poder entender los conceptos que se desarrollarán en la presente publicación es necesario conocer las siguientes siglas: CAD (Computer Aided Design ): Diseño asistido por computador. Cad (Computer aided drafting ): Dibujo asistido por computador. CADD (Computer Aided Design and Drafting ): Diseño y dibujo asistido por computadora. CAE (Computer Aided Engineering ): Ingeniería asistida por computador. CAM (Computer Aided Manufacturing ): Manufactura asistida por computador. CIM (Computer Integrated Manufacturing ) Manufactura integrada por computador. FEA (Finite Element Analysis ): Análisis por elementos finitos. En publicación anterior de esta revista (Vol. 8, Nro. 1, 2005), se desarrolló el artículo sobre el Dibujo Asistido por Computador, el presente artículo es una continuación. El avance vertiginoso del software y hardware, en estos últimos años ha modificado la forma de entender el concepto de CAD, actualmente se entiende como la integración del diseño y del análisis (Cad unida al CAE). La técnica CAE necesita de una gran potencia de cálculo de los computadores, lo cual implica una memoria RAM considerable, velocidad de proceso y una calidad de exhibición de los resultados; estas características se vienen consiguiendo con los nuevos computadores a precios aceptables para nuestro medio. Esto ha permitido que los profesionales relacionados a estas tecnologías mejoren su productividad, calidad y oportunidad, de manera que puedan dedicar un mayor tiempo en la mejora de los diseños. Desde que en 1963 Ivan Sutherland del MIT (Massachussets Institute of Technology ) publicó su tesis doctoral sobre graficas interactivas por computadora definiendo la topología del objeto (sistema Sketchpad - SUTH63) la tecnología CAD se ha desarrollado con la limitante del tiempo de proceso. Una de las herramientas de análisis más estudiado y aplicado son los cálculos con elementos finitos que permiten predecir con gran precisión y simplicidad los esfuerzos y deformaciones que soportará internamente una pieza o conjunto de piezas al ser sometidas a un sistema de cargas. 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. R e c e p c i ó n : Mayo d e 2 0 0 6 / A c e p t a c i ó n : Junio d e 2 0 0 6 (1) Ingeniero Industrial. Profesor del Departamento de Diseño y Tecnología Industrial, UNMSM.
RESUMEN 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. Palabras Clave: Diseño asistido por computador, CAD, CAE. DISEÑO Y TECNOLOGÍA Los software CAD pueden ser usados de dos maneras generales, a través de lenguajes de programación y de paquetes aplicativos. El desarrollo a través 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 adopción. El CAD es una técnica de análisis, una manera de crear un modelo del comportamiento de un producto aun antes de que se haya construido. Los dibujos en papel pueden no ser necesarios en la fase del diseño. Las características generales que deben tener el software CAD/CAE son: • Simulaciones dinámicas con características especiales de visualización de procesos y resultados (representaciones foto realistas, tabulaciones, diagramas, giros, sonido, etc.). • Capacidad del softwar e de generar soluciones óptimas según los tipos de aplicación. • Desarrollo de sistemas virtuales dentro de un entorno, permitiendo en muchos casos eliminar los prototipos físicos. • Ingenier ía concurrente on-line (trabajo multidisciplinario vía red, con niveles de acceso y con geoprocesamiento referenciado). • Arquitectura abier ta del software (posibilidad de personalizar y generar programas complementarios - “glue functions”). • Ingeniería inversa (obtener un modelo CAD a partir del escaneado tridimensional de una pieza real). • Intercambio estandarizado de formatos de archivos para el trabajo multiplataforma (run anywhere). • Pantalla de trabajo (workspace) compartidos con diferentes aplicaciones y programas adicionales (plug-ins). La incorporación de la computada es en la producción el elemento puente que está permitiendo lograr la automatización integral de los procesos industriales así como una integración tecnológica de sus áreas. Es así que los software profesionales están tendiendo a integrase bajo un gran sistema CAD/ CAM/CAE que ha puesto de relieve la importancia de automatizar informáticamente cualquier proceso industrial desde el diseño hasta la
fabricación. Esta informatización incidirá de forma directa sobre el proceso de varias formas: • Reducción de tiempos (time to market) y mayor sencillez en la etapa de
diseño.
• Seguridad de un correcto funcionamiento debido a un simulado del prototipo. • Fácil integración en una cadena de fabricación y mejora en la gestión del
proyecto.
• Obtención de un producto económico, de óptima calidad y menor tiempo.
El avance de la ingeniería se viene dando fundamentalmente por los nuevos y/o mejora de los materiales, equipos y herramientas de trabajo, descubrimiento y aplicación de nuevos conceptos. Estos avances han sido favorecidos por el desarrollo de las tecnologías CAD.
PROCESO DE DISEÑO DE INGENIERÍA El diseño en ingeniería es el proceso de concebir ideas en el desarrollo de la solución de un problema tecnológico, para lo cual usa conocimientos, recursos y productos existentes para satisfacer una necesidad o resolver un problema. El diseño puede dividirse en dos grandes categorías: diseño de productos y diseño de sistemas o procesos. A medida que se desarrolla el diseño de un producto o proceso, el equipo de diseño aplica principios de ingeniería, toma en cuenta las restricciones de presupuesto, funcionalidad, legales, psicológicos y sociales para lo cual requiere información de áreas como las necesidades del cliente, materiales, capital, energía, requerimientos de tiempo, habilidades humanas, etc. Las gráficas son importantes en el proceso de diseño, se utiliza para visualizar soluciones posibles y documentar las ideas, incluyen el dibujo de las piezas, curvaturas, descripciones de color, información con respecto al logotipo, colocación de ilustraciones e instrucciones de fabricación, etc. El diseño de un objeto debe realizarse respetando normas nacionales e internacionales como: ANSI (American Nacional Standards Institute), ASME (American Society of Mechanical Engineers, ISO (Internacional Standards Organization), STEP (Standard for the Exchange of Product Data), HTML (Hyper Text Markup Laguage), etc. La figura 1 se presenta el proceso lineal general seguido en un proceso de diseño en ingeniería, en las diversas etapas existirá retroalimentaciones. El refinamiento del diseño es la etapa en que se comienza a trabajar con los sistemas CAD, está formada por tres áreas que se muestran en la figura 2. El modelado es el proceso de representación de ideas abstractas, palabras y formas a través del empleo ordenado de texto e imágenes simplificadas con el objeto de generar un prototipo digital y comunicar, Ind. data 9(1), 2006 9 DISEÑO Y TECNOLOGÍA Diseño asistido por computador >>> documentar, analizar y visualizar el proceso de diseño. Los tipos de modelo más representativos se presentan en el cuadro 1. Los modelos tridimensionales paramétricos creados en un sistema de CAD son: • Modelo de alambre “wireframe” (información
geométrica de entrada, usada para la representación de los vértices y aristas). • De superficie (visualización y trabajos superficiales, usados en control numérico). • Sólidos (análisis de ingenie ría, se le asignan propiedades, son usados en el análisis con elementos finitos). El modelo debe representar lo mejor posible la realidad, y luego aplicar métodos matemáticos para darle la forma y disposición adecuada para poder obtener resultados numéricos. El diseñador debe determinar si el modelo de computadora satisface o no el criterio de diseño, y debe ser capaz de leer el dibujo, comprender su forma, tamaño e información relativa a su fabricación. LA INGENIERÍA CONCURRENTE La complejidad y constante evolución de la ingeniería ha hecho necesario que las responsabilidades profesionales sean realizadas por gente altamente calificada, con entrenamiento especializado y con diferente formación profesional. El trabajo en equipo no lineal que une los elementos de entrada de proceso y de salida necesarios para elaborar un producto se llama ingeniería concurrente. Los ingenieros y técnicos deben ser capaces de trabajar en equipo así como diseñar, analizar y comunicarse mediante sistemas CAD. Las gráficas por computadora reúnen a muchos individuos con diferentes necesidades y habilidades visuales; con lo cual se permite que grupos diversos se comuniquen con mayor rapidez y eficiencia. Dentro del mundo CAD el proceso que permite diseñar un proyecto y compartir toda la información necesaria entre varios componentes de una organización (interna y externa) no importando donde éstos se encuentren es llamado Enterprise Engineering Modeling (EEM - modelado de ingeniería a nivel empresa). La documentación es el proceso empleado formalmente para registrar y comunicar la solución final de diseño, para ello se puede utilizar una variedad de tipos de dibujos. En el modelo de ingeniería concurrente la información de la base de datos CAD es compartida por muchas áreas de una empresa en especial de aquellas que directamente manipulan dicha información. INGENIERÍA ASISTIDA POR COMPUTADOR (CAE) CAE simula bajo condiciones aparentemente reales el efecto de variables sobre el elemento diseñado, Figura 1. Proceso de diseño Fuente: Elaboración propia, 2006. Ideas preliminares Refinamiento del diseño Decisión Análisis y optimización Resultados documentación Identificación del problema Productos similares, lista de ideas, bosquejo, idealización, ampliaciones, etc.
Selección de alternativas, formas geométricas, dimensiones base, materiales, etc. Soluciones óptimas, cualidades, precio, costos, presupuesto, requerimientos, etc. Matemáticas, gráficos, ciencias, lógica, experiencia, ingeniería, etc. Solución seleccionada, especificaciones, modelos, planos de trabajo, etc. Conocimientos, datos, causas, economía, requerimientos, efectos, etc. 10 Ind. data 9(1), 2006 DISEÑO Y TECNOLOGÍA >>> Oswaldo Rojas L. y Luis Rojas R. Modelado Análisis del diseño Visualización del diseño Planos ortogonales Dibujos axonométricos Represent. foto realista Represent. alambre Propiedades Mecanismos Funcionalidad Factores Humanos Geométrico Simulación Animación Gráficas Figura 2. Proceso de refinamiento Fuente: Elaboración propia, 2006. Modelo Características Geométrico con cortes virtuales Representación volumétrica del objeto en el cual se pueden aplicar rotaciones y secciones. Animación de ensamble y Funcionamiento Movimiento, tiempo, interferencias y algunas características generales del sistema propiedad espacio-temporal Simulación de procesos Movimiento, tiempo y las variables importantes del sistema Recorrido virtual Movimiento, tiempo y escena. Entorno paisajista Movimiento, tiempo, luminiscencia, paisaje del entorno, sonidos naturales. Ergonómico Medidas, formas y movimientos ergonómicos Aleatoriedad y transformación. Formas , tiempo, movimiento, sonido, transformaciones Cuadro 1. Tipos de modelos computarizados Figura 3. Modelos tridimensionales paramétricos
Fuente: Elaboración propia, 2006. Alambre Superficie Sólido Ind. data 9(1), 2006 11 DISEÑO Y TECNOLOGÍA con el fin de llegar a una forma geométrica optimizada para ciertas condiciones. Es un modelado interactivo tridimensional en tiempo real con análisis mediante pruebas no destructivas. Diseñadores, ingenieros, industriales, arquitectos, etc. utilizan los programas CAE para verificar la factibilidad de distintas alternativas de diseño. Cuando el CAE se utiliza correctamente, se pueden obtener en poco tiempo soluciones eficientes con un alto grado de confianza. La repercusión más importante es que posibilita el diseño mediante ciclos de prueba ya que las primeras informaciones obtenidas por el CAE es sólo la base para la discusión de factibilidad en la que intervendrán la experiencia y la evolución futura. El análisis por elementos finitos (FEA) ha ayudado a disminuir la cantidad de prototipos necesarios, fijar ciertos valores referenciales de coeficientes de seguridad y analizar distintas opciones de diseño cambiando la geometría o el material en un tiempo reducido; permitiendo que los productos no lleguen tarde al mercado lo que implicaría una pérdida considerable de su ciclo de vida (tiempo en que es rentable su producción). El FEA está considerado como una de las herramientas más potentes y probadas para la solución de problemas de ingeniería y ciencia aplicada. En muchas ocasiones es de uso indispensable. Los errores del análisis de los sistemas CAE ocurren comúnmente en la definición del problema y en Diseño asistido por computador >>> BASEDE DATOSDE CAD MERCADOTECNIADISEÑO ALMACENESINGENIERIA LOGISTICAPRODUCCION MANTENIMIENTO Figura 4. Base de datos CAD Fuente: Elaboración propia, 2006. Figura 5. Usos del dibujo asistido por computadora Fuente: Elaboración propia, 2006. Modelado Exhibición Planos 12 Ind. data 9(1), 2006 DISEÑO Y TECNOLOGÍA el uso inapropiado de las condiciones de frontera. Los resultados obtenidos en CAE son aproximados y dependen de cómo se divida la estructura en elementos finitos (el tiempo de resolución del problema se incrementa geométricamente con la cantidad de elementos). También los materiales presentan imperfecciones (fisuras, incrustaciones, rugosidad superficial) y sus propiedades pueden variar por zonas (variaciones de densidad, dureza, distintas orientaciones de los granos en la misma pieza, tensiones remanentes de temple, etc.) lo que puede conllevar a errores no definidos.
Dentro del trabajo CAD, los dibujos asistidos por computador, básicamente son utilizados en la creación de la geometría paramétrica, en la exhibición del sólido y en la generación de los planos ortogonales. ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITO (FEA) Aunque el nombre FEA se ha establecido por los años 1960, el concepto se ha usado desde hace varios siglos. El empleo de métodos de discretizado espacial y temporal y la aproximación numérica para encontrar soluciones a problemas en ciencia aplicada e ingeniería es conocido desde la antigüedad y en los últimos años muy desarrollado y aprovechado por las industrias aeroespacial y aeronáutica. Este tipo de cálculo se usó en la construcción de las pirámides egipcias, donde empleaban métodos de discretizado para determinar el volumen de las pirámides. Arquímedes (287 - 212 a. C.) empleaba el mismo método para calcular el volumen de sólidos y de áreas. En la China, Lui Hui (300 d. C.) empleaba un polígono regular de 3072 lados para calcular longitudes de circunferencias con lo que conseguía una aproximación al número Pi de 3.1416. El concepto básico del análisis por elementos finitos para una estructura radica en sustituir la estructura continua real por una estructura idealizada equivalente compuesta por un número finito de partes discretas (puntos interconectados entre si llamados nodos y al conjunto se le conoce como malla) por medio de un enmallado (bidimensionales; cuadriláteros y triángulos; tridimensionales: hexaedros y tetraedros), al cual se aplican cargas en los nodos de los elementos límite del modelo, después del cual empleando teoremas de energía (relación entre fuerzas actuantes en los nodos y sus desplazamientosley de Hooke, módulo de Young, módulo de Poison, etc.), se llega a derivar una matriz de rigidez (stiffness matriz, - las ecuaciones que rigen el comportamiento de la malla regirán también para la estructura). De esta forma se consigue pasar de un sistema continuo (infinitos grados de libertad), que es regido por un sistema de ecuaciones diferenciales, a un sistema con un número de grados de libertad finito. El procesador FEA genera una voluminosa cantidad de datos (archivos pesados) los cuales son pos-procesados por las herramientas de visualización de displays gráficos (rendering foto realista con una escala de colores, animaciones, esquemas, etc.) para mostrar esfuerzos internos y con los desplazamientos se obtiene las deformaciones (relacionadas directamente con las tensiones). En la etapa de posproceso se puede ver las magnitudes y localizacio>>> Oswaldo Rojas L. y Luis Rojas R. Figura 3. Modelos tridimensionales paramétricos Fuente: Elaboración propia, 2006. Ind. data 9(1), 2006 13
DISEÑO Y TECNOLOGÍA Diseño asistido por computador >>> Procedimiento Vista a. Determinar el fenómeno físico o problema a resolver y definir sus características.
b. Modelado geométrico del objeto (elaborado en un sistema Cad). Ejemplo una viga rectangular. c. Trazado de las cargas que actúan sobre el objeto (concentradas o distribuidas). d. Selección de las condiciones de equilibrio o restricciones (constraints). e. Selección del material y sus propiedades. f. Selección y/o trazado del enmallado. g. Correr el programa. h. Representar los resultados (gráficos y cuadros). i. Optimización del resultado (mejorar peso, tamaño, tensiones y deformaciones). j. Desarrollo de la solución factible. Cuadro 2. Procedimiento general para el cálculo de elementos finitos 14 Ind. data 9(1), 2006 DISEÑO Y TECNOLOGÍA
Análisis Detalle a. Propiedades físicas, térmicas y mecánicas. Resistencia, tamaño, volumen, peso, densidad, centro degravedad, centro de rotación, transferencia de calor, conductividad térmica, electromagnetismo, plasticidad, flujo hidráulico, acústica, etc. b. Mecanismos Movimientos, ensambles, interferencias, conexiones, cargas estáticas y dinámicas, etc. c. Funcional Cumple con las especificaciones funcionales d. Factores humanos Necesidades físicas, mentales, seguridad, formas y medidas ergonómicas, etc. e. Estético Apariencia y percepción, forma, presentación, color, textura, etc. f. Mercado Preferencias, satisfacción, calidad, precio, presentación, etc. g. Financiero Inversiones, presupuesto, costos, precio, etc.nes de las deformaciones en cualquier instante y en cualquier parte del modelo así como los distintos rasgos de tensión bandas representados por un mismo color lo que permite evaluar rápidamente las zonas críticas del diseño y analizar si la pieza soporta la tensión admisible del material sin deformarse mas de lo permitido por el diseño (zona elástica). El modelo es más realista cuanto más elementos contengan la malla así como la técnica usada, pero el proceso de cómputo se puede incrementar considerablemente originando una acumulación de errores por redondeo. El FEA permite realizar un modelo matemático de cálculo del sistema real, que es más fácil y económico de modificar comparado con el de un prototipo. Los prototipos siguen siendo necesarios, pero en menor número. Un campo del FEA en pleno desarrollo es el cálculo con cargas dinámicas, vibraciones, impacto y fatiga. Dicho análisis se concentra en evitar que se trabaje con carga cíclicas con frecuencia cercanas a la natural (se podría generar efectos resonantes), así como la falla por fatiga (la pieza se somete a una carga cíclica y se rompe a pesar de que las tensiones, que producen la máxima amplitud de carga, ni siquiera se aproximan a las tensiones de rotura del material utilizado).
El procedimiento general que siguen los software que aplican la técnica de los elementos finitos se presenta en el cuadro 2. Asimismo, en el cuadro 3 se muestran los análisis comunes realizados con esta técnica. CONCLUSIONES El sistema CAD se viene desarrollando en forma acelerada y debido al desarrollo del software y hardware su aplicación se está generalizando tanto en el ámbito académico como empresarial. En el diseño y análisis de componentes es viable una solución analítica o experimental computarizada a un bajo costo y con alto nivel de confiabilidad. Es así que las técnicas de expresión gráfica se han convertido en el mejor lenguaje para la descripción de objetos. En el desarrollo de proyectos técnicos se viene usando la técnica de la ingeniería concurrente vía red con geoprocesamiento referenciado. Las universidades de los países en desarrollo deben adoptar estas tecnologías, por lo que la inclusión de estos temas en la currícula permitirá una formación completa del futuro ingeniero industrial. Buscar el aprovechamiento de recursos de la UNMSM y construir un laboratorio CAD/CAE con software y hardware apropiados para uso de todas las facultades que lo requieran. Unidad 2 Modelado geometrico y analisis por FEM 2.1 Conceptos basicos de modelado 2.2 Conceptos basicos de elemento finito 2.3 El metodo del elemento finito 2.4 Elemento resorte 2.5 Elemento tipo barra 2.6 Elemento tipo viga 2.7 Software para FEA 2.8 Modelado de superficies 2.9 Modelado de solidos 2.10 Modelado de elementos y sistemas de Maquinas Unidad 3 Diseno de elementos de maquina mediante herramientas computacionales 3.1 Diseno y analisis de elementos bajo condiciones estaticas 3.2 Simulacion de eventos mecanicos
Unidad 4 Diseno optimo 4.1 Fundamentos de diseno optimo contemplando normas y estandares 4.2 Tecnicas de optimizacion 4.3 Diseno optimo de elementos mecanicos tipicos 4.4 Rediseno 4.5 Introduccion a la ingenieria inversa Unidad 5 Proyecto Final 5.1 Definicion 5.2 Elemento o sistema a disenar 5.3 Justificacion 5.4 Descripcion de la problematica 5.5 Solucion propuesta 5.6 Modelado, simulacion y analisis en Computadora 5.7 Analisis y evaluacion de resultados 5.8 Conclusiones.
