Ambas siglas provienen de su denominación en inglés. Para diseñar usaremos el C.A.D. (Computer Aided 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.
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 metalmecánico, 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.
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:
- 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).
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 de la 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.
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 criticas. 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.
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.
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.
- Se obtiene un producto económico, de óptima calidad y en el menor tiempo posible.
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 modelos computacionales fotorrealísticos y funcionales.
- Determinar la viabilidad mecánica de los diseños y/o cumplimiento de norma.
- Ingeniería inversa.(1)
- 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.
(1) 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 Rapid Prototyping, se produzca directamente el objeto a partir de su modelización CAD, como si se tratara de una impresión 3D.
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.
EMPRESAS ESPECIALIZADAS.
Se citan a continuación las principales empresas desarrolladoras de software CAD, junto con el producto CAD que crean:
Autodesk • AUTOCAD V14
Silicon Graphics • ALIAS WAVEFRONT
ComputerVision • CADD 5
Dassault Systèmes • CATIA
Mc Donell Douglas • Unigraphics
Hewlett Packard • PE-ME10, PE-SolidModeler
Intergraph • EMS
Matra Datadivision • Euclid
Parametrics Technology C. • Pro/Engineer
SDRC • IDEAS Master Series
BIBLOGRAFIA
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