Sistemas CAD/CAM/CAE

 Ingeniería Gráfica y los Sistemas, Aplicaciones o Tecnologías CAD-CAM-CAE     

CAD (Diseño asistido por computadora - Computer Aided Design)

Es un sistema que permite el diseño de objetos por computadora, presentando múltiples ventajas como la interactividad y facilidad de crear nuevos diseños, la posibilidad de simular el comportamiento del modelo antes de la construcción del prototipo, modificando, si es necesario, sus parámetros; la generación de planos con todo tipo de vistas, detalles y secciones, y la posibilidad de conexión con un sistema de fabricación asistida por computadora para la mecanización automática de un prototipo. También permite el diseño de objetos tridimensionales como diseño de piezas mecánicas, diseño de obras civiles, arquitectura, urbanismo, etc.

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.

 

CAM (Fabricación asistida por computadora - Computer Aided Manufacturing)

 Es un sistema que permite usar computadoras en el proceso de control de fabricación industrial, buscando su automatización. En un sistema moderno, la automatización abarca el proceso de transporte, almacenamiento, mecanizado o conformado, montaje y expedición del producto.

 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. 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 .

 La utilización más inmediata del CAM en un proceso de ingeniería inversa es para obtener prototipos, los cuales se utilizan 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.

 

CAE (Ingeniería Asistida por Computadora - Computer Aided Engineering)

Es el uso de software computacional para simular desempeño y así poder hacer mejoras a los diseños de productos o bien apoyar a la resolución de problemas de ingeniería para una amplia gama de industrias.  Esto incluye la simulación, validación y optimización de productos, procesos y herramientas de manufactura.

Un proceso típico de CAE incluyen pasos de pre-procesado, solución y post-procesado. En la fase de pre-procesado, los ingenieros modelan la geometría y las propiedades físicas del diseño, así como el ambiente en forma de cargas y restricciones aplicadas. En la fase de post-procesado, los resultados se presentan al ingeniero para su revisión.

Las aplicaciones CAE soportar una gran variedad de disciplinas y fenómenos de la ingeniería incluyendo:

• Análisis de estrés y dinámica de componentes y ensambles utilizando el análisis de elementos finitos (FEA).
• Análisis Termal y de fluidos utilizando dinámica de fluidos computacional (CFD).
• Análisis de Cinemática y de dinámica de mecanismos (Dinámica multicuerpos).
• Simulación mecánica de eventos (MES).
• Análisis de control de sistemas.
• Simulación de procesos de manufactura como forja, moldes y troquelados.
• Optimización del proceso del producto.

Beneficios de CAE

Los beneficios de software de tipo CAE incluyen reducción del tiempo y costo de desarrollo de productos, con mayor calidad y durabilidad del producto.

• Las decisiones sobre el diseño se toman con base en el impacto del desempeño del producto.
• Los diseños pueden evaluarse y refinarse utilizando simulaciones computarizadas en lugar de hacer pruebas a prototipos físicos, ahorrando tiempo y dinero.
• Aplicaciones CAE brindan conocimientos sobre el desempeño más temprano en el proceso de desarrollo, cuando los cambios al diseño son menos costosos de hacer.
• Aplicaciones CAE apoyan a los equipos de ingeniería a administrar riesgos y comprender las implicaciones en el desempeño de sus diseños.
• La exposición de garantía es reducida al identificar y eliminar problemas potenciales. Cuando integrado al producto y desarrollo de la manufactura, CAE puede facilitar desde etapas tempranas la resolución de problemas, lo que puede reducir dramáticamente los costos asociados al ciclo de vida del producto.

CAD/CAM en el Proceso de Diseño y Fabricación                                                    

En la práctica, el CAD/CAM se utiliza de distintas formas, para producción de dibujos y diseño de documentos, animación por computador, análisis de ingeniería, control de procesos, control de calidad, etc. Por tanto, las técnicas CAD/CAM, las etapas que abarca y las herramientas actuales y futuras, se hace necesario estudiar las distintas actividades y etapas que deben realizarse en el diseño y fabricación de un producto.

Para referirnos a ellas emplearemos el termino ciclo de producto, en la siguiente figura.

  Ciclo de producto típico

Dentro del ciclo de producto descrito se ha incluido un conjunto de tareas agrupadas en proceso CAD y otras en proceso CAM, que, a su vez, son subconjuntos del proceso de diseño y proceso de fabricación respectivamente.
En las siguientes figuras se muestra ambos procesos con más detalle.

         El Proceso CAD                                                                                           El Proceso CAM

Las herramientas requeridas para cada proceso aparecen en las tablas siguientes:

Tabla N°  2 - Herramientas CAD para el proceso de diseño

Herramientas CAM para el proceso de fabricación

 

Componentes del CAD/CAM    

Los fundamentos de los sistemas de Diseño y fabricación asistidos por ordenador son muy amplios, abarcando múltiples y diversas disciplinas, entre las que cabe destacar las siguientes:

• Modelado geométrico: Se ocupa del estudio de métodos de representación de entidades geométricas. Existen tres tipos de modelos: alámbricos, de superficies y sólidos, y su uso depende del objeto a modelar y la finalidad para la que se construya el modelo.
• Técnicas de visualización: Son esenciales para la generación de imágenes del modelo.
• Técnicas de interacción grafica: Son el soporte de la entrada de información geométrica del sistema de diseño.
• Interfaz de usuario: Uno de los aspectos más importantes de una aplicación CAD/CAM es su interfaz. Del diseño de la misma depende en gran medida la eficiencia de la herramienta.
• Base de datos: Es el soporte para almacenar toda la información del modelo, desde los datos de diseño, los resultados de los análisis que se realicen y la información de fabricación.
• Métodos numéricos: Son la base de los métodos de calculo empleados para realizar las aplicaciones de análisis y simulación típicas de los sistemas de CAD/CAM.
• Conceptos de fabricación: Referentes a máquinas, herramientas y materiales, necesarios para entender y manejar ciertas aplicaciones de fabricación y en especial la programación de control numérico.
• Conceptos de comunicaciones: Necesarios para interconectar todos los sistemas, dispositivos y máquinas de un sistema CAD/CAM.

Perspectivas de Futuro de los Sistemas CAD/CAM/CAE                                          

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.

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. 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. 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.

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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Ingeniería Gráfica

1. Pasado, presente y futuro en el Diseño en la Ingeniería                                                 

Palabras Clave: Ingeniería Gráfica; Expresión Gráfica; Dibujo Técnico; Diseño en la Ingeniería.

El diccionario de la Real Academia Española de la Lengua define Ingeniería como la "Actividad profesional del ingeniero” y como “El estudio y aplicación, por especialistas, de las diversas ramas de la tecnología”. Sin embargo, si se asocia el término no sólo con el estudio y la aplicación sino también con la reflexión y la actividad creadora, se encuentra más ajustada la definición aportada por la Enciclopedia Wikipedia, que se refiere a la ingeniería como “La profesión que aplica conocimientos y experiencias para que mediante diseños, modelos y técnicas se resuelvan problemas que afectan a la humanidad”.

En estas últimas décadas se ha constatado que el Diseño en la Ingeniería, antes que una actividad profesional debe entenderse como un proceso, una tecnología o un saber hacer, una disciplina y finalmente un servicio.  El Diseño, es un proceso analítico, técnico y creativo que nos lleva a de terminar un producto concreto. A la vez se puede entender como tecnología por cuanto coordina unas habilidades intelectuales con las instrumentales para obtener el fin. Lo cierto es que al Diseño en la Ingeniería conciernen todos los aspectos humanos de los productos fabricados y sus relaciones con el hombre y el medio ambiente.

La Expresión Gráfica en la Ingeniería, es de relevancia especial para el Diseño en la Ingeniería. Como área de conocimiento, comprende todas las técnicas de comunicación gráfica usadas para expresar ideas y conceptos, básicamente en el contexto de la Ingeniería. Estas técnicas de comunicación han evolucionado de forma paralela a la evolución tecnológica de la humanidad.

 en el cuadro se presentan de forma sintética los eventos más importantes que pudieran haber marcado un hito histórico en la disciplina de la Ingeniería Gráfica.

2. Dibujo Técnico, Expresión Gráfica o Ingeniería Gráfica. Un análisis de términos   

La disciplina de los gráficos técnicos, producto de su evolución, ha sufrido diversas nomenclaturas y definiciones, a medida que esa evolución ha llegado a nuestros días. En particular, la expresión gráfica en la ingeniería se hace indispensable en variadas disciplinas, como por ejemplo, desarrollo de procesos, investigación sobre las formas, comprensión gráfica mediante bocetos, proyectos técnicas y tecnológicos. En las últimas dos décadas, el término más usado, ya hablando siempre desde el ámbito técnico, es Expresión Grafica. Una definición ampliamente reconocida es: “Disciplina que comprende todas las técnicas de comunicación gráfica usadas para expresar ideas y conceptos, básicamente en el contexto de la Ingeniería”.

Sin embargo, hay que reconocer, puesto que además se usa de forma errónea en alguna ocasión, que el término Dibujo Técnico (Technical Drawing en inglés) ha sido ampliamente usado, el Dibujo Técnico “Trata de una representación gráfica bidimensional del producto en sus vistas de planta y alzado”.

Por otro lado, un término que pretende ser el que realmente es capaz de englobar al de Dibujo Técnico y Expresión Gráfica es Ingeniería Gráfica, el cual según Sanz y Blanco es una “Disciplina tecnológica que trata la información visual realista de productos y procesos relacionados con las distintas ramas de la ingeniería, con el objetivo de dotar de un medio óptimo de comunicación entre el diseñador, fabricante y cliente.”

Ciertamente, en la actualidad, se sigue usando el término Expresión Gráfica al menos en países de habla hispana. Quizás por lo pretensioso que pudiera parecer, el término Ingeniería Gráfica no termina de instalarse, en parte también porque toman fuerzas otros términos como CAD, CAM, CAE que, por ser más recurrentes y provenir de una naturaleza más tecnológica intentan abarcar a una o varias partes de lo que en realidad representa la Ingeniería Gráfica.

En El grafico se muestra una posible genealogía para los términos de los gráficos técnicos.

3. La Normalización de la Ingeniería Gráfica                                                                          

El lenguaje gráfico y la extensión de su uso han ido haciendo necesario establecer normas, tratando de conseguir que los mensajes transmitidos puedan ser entendidos del mismo modo y con la debida precisión por los interesados. Hace más de un siglo que se hizo evidente la necesidad de unificar el lenguaje técnico, y con él el lenguaje del dibujo, medio fundamental para la transmisión técnica. La efervescencia industrial y comercial de finales del siglo pasado hizo tomar conciencia de ello a industriales y autoridades, surgiendo en el primer cuarto del presente siglo las organizaciones de Normalización en casi todos los países que disfrutan de un cierto nivel de desarrollo. Entre los objetivos de dichas organizaciones se encontraba la normalización de los dibujos.

Una de las primeras medidas normalizadoras consiste en organizar la distribución de las distintas vistas de un objeto sobre el papel, de modo que de la posición relativa de las mismas pueda deducirse su correspondencia, sin necesidad de leyenda alguna que las identifique. Actualmente existen dos alternativas convencionales para situar las vistas en el dibujo, llamadas: Sistema Europeo (o del primer cuadrante) y Sistema Americano (o del tercer cuadrante), por el lugar que en relación con los planos de referencia del sistema diédrico ocuparía el objeto si se colocara la línea de tierra entre dos vistas consecutivas del mismo.

 Sistema de proyección Europeo o del primer cuadrante u octante, utilizado en Cuba, según la norma cubana NC 02-03-05.

4. La ingeniería gráfica y los gráficos por computadora                                                      

Paralelo al perfeccionamiento de la Normalización Gráfica, el dibujo, adquiere una nueva dimensión con el desarrollo de la Informática o Computación, que es el conjunto de conocimiento científicos y de técnicas que hacen posible el tratamiento automático de la información. La informática combina los aspectos teóricos y prácticos de la ingeniería, electrónica, teoría de la información, matemáticas, lógica y comportamiento humano. Los aspectos de la informática cubren desde la programación y la arquitectura informática hasta la inteligencia artificial y la robótica.

Es a partir de 1962 que el Dibujo adquiere una dimensión interactiva, cuando en el Instituto de Tecnología de Massachussets, un joven llamado Ivan Sutherland, sentó las bases de lo que conocemos hoy como Gráficos o Imágenes interactivos por ordenador. Este brillante alumno en su tesis doctoral titulada, " Sketchpad: A Man - Machine Graphic Comunications Sistem," propuso la idea de utilizar un teclado y un lápiz óptico para crear e interactuar con gráficos en la pantalla del monitor . La estructura de datos utilizada por Sutherland, se basaba en la topología del objeto que iba a representar, describiendo con exactitud la relación entre las partes componentes del mismo, introduciendo los elementos generadores de lo que hoy se conoce como Programación Orientada a Objeto.

 Ivan Shutherland en la computadora TX 2 demostrando el uso del Eketchpad.

 

En 1974 en la Univ. de Utah se creo el primer centro de investigaciones de la informática aplicada a la creación de imágenes en 3D fotorrealísticas, encabezado por David Evans y E. Catmull entre otros, Catmull desarrollo los conceptos de "Z-Bufer", y el de "Mapeado de Texturas".

En 1975 los estudios se centraron en la generación de imágenes de superficies curvas generales sin ecuación matemática, por lo que James Blinn abordo las técnicas de "Modelado de Superficies", esto dio a B.T. Phong la oportunidad de crear el algoritmo de iluminación que lleva su nombre, los estudios y avances en esa dirección continuaron diversificándose y creciendo de forma exponencial hasta lo que vemos hoy.

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