Herramientas CAD/CAM/CAE y prototipado virtual y rápido para la obra pública

Este artículo se refiere a una parte de las herramientas de gestión de la vida de un producto, PLM (Product Lifecycle Management), y en particular las que se ocupan del diseño (CAD), análisis (CAE) y fabricación (CAM) asistida por ordenador y prototipado rápido (RP). El uso de las herramientas CAD/CAM/CAE en combinación con RP permite el mantenimiento y mejora de los niveles técnicos y de innovación con las capacidades adecuadas para obtener los productos demandados por las diferentes y nuevas necesidades de los mercados.

Definir virtualmente el producto es diseñar completamente todas y cada una de las características del producto final, por medio de un sistema de CAD que va a permitir poder obtener el producto sin los fallos debidos a la definición de las dimensiones relativas entre cada una de las partes, conjuntos y subconjuntos, elementos auxiliares y de su montaje. Además, sin conocimiento por parte del operador del sistema gráfico, de lo que está realizando internamente el ordenador, éste desarrolla un modelo numérico interno único dentro de los parámetros de todo el conjunto, subconjunto, partes, tolerancias y demás definiciones geométricas involucradas en la definición del producto.

Se denomina así al conjunto de programas informáticos que permiten analizar y simular los diseños de ingeniería realizados con el ordenador, o creados de otro modo (maquetas) e introducidos en el ordenador, para valorar sus características, propiedades, viabilidad y rentabilidad. Su finalidad es optimizar su desarrollo, los consecuentes costes de fabricación y reducir al máximo las pruebas para la obtención del producto deseado. La mayoría de las herramientas CAE se presentan como módulos o extensiones de aplicaciones CAD, que incorporan:

- Análisis cinemática, análisis de choque, análisis de fluidos.

- Análisis por el método de elementos finitos (FEM, Finite Elements Method). Análisis estructural.

- De simulación de programas CNC (Computered Numeric Control).

- De exportación de ficheros para máquinas de prototipado rápido.

Los sistemas CAE, a partir de la definición de un producto conseguida con un sistema de CAD, permiten a su vez ir redefiniendo el producto con los conocimientos teóricos necesarios, las características de los materiales, elementos auxiliares y de disponer de los conocimientos históricos anteriormente generados en otros desarrollos, Base Data Knowledge.

Para la aplicación del análisis por ordenador (CAE) en un producto se tendrán en cuenta la relación entre los equipos HW/SW (Hardware/Software) utilizados para el análisis, la complejidad necesaria para la definición del diseño y las necesidades de la precisión que el análisis requiera, en algún caso se opta por un diseño mas esquemático del producto, modelización.

Se refiere al uso de programas informáticos especializados en la dirección y control de los equipos de fabricación. Cuando la información de CAD se transforma en instrucciones para CAM, el resultado es el CAD/CAM.

Una vez que se ha concluido el diseño de la pieza y se han realizado las simulaciones sobre su comportamiento ante situaciones extremas, se procede a su fabricación. Es en este momento donde entra en acción el CAM, creando, a partir del diseño CAD, los dispositivos de control numérico, que controlarán el trabajo de las diferentes máquinas, de forma que el resultado coincida exactamente con el diseño realizado.

El sistema CAM permite determinar flujos de trabajo en máquina o en planta para el desarrollo de un producto. En máquinas de mecanizado se encarga de simular el recorrido físico de cada herramienta con el fin de prevenir el tiempo de ejecución y posibles interferencias entre herramientas y materiales.

La utilización conjunta de las herramientas CAD/CAM/CAE, cuando estos sistemas se hayan incorporado correctamente en la organización de la empresa, permite conseguir que el tiempo de desarrollo y fabricación del producto, ‘Lead Time’ y el tiempo de poner el producto en el mercado, ‘Time to Market’, sea mínimo.

Los sistemas de RP permiten obtener modelos físicos tridimensionales de manera rápida y exacta de las geometrías diseñadas en modeladores 3D (CAD).

Existen varios métodos de fabricación de prototipos rápidos, entre los cuales se encuentran: estereolitografía (STL), laminación de papel (PLT), sinterizado láser (SLS), deposición directa de metal (DMD), deposición de material fundido (FDM) e impresión en 3D (3DP). Sus usos son la realización de prototipos que pueden ser únicamente estéticos para la validación de formas y proporciones o semi-funcionales, permitiendo en estos últimos casos asegurar la validez de los diseños, comprobación de interferencias, realizar pruebas funcionales de laboratorio, gestionar con seguridad aspectos relacionados con el empaquetado, realizar fotografías promocionales o de catálogo y presentar productos casi finales para ferias.

En RP hoy en día hay una oferta muy extensa para realización de prototipos. Para cada situación se debe escoger el sistema de prototipado idóneo. La decisión de qué sistema de RP es el adecuado depende del uso del producto, el volumen de piezas necesarias, requisitos del material y las necesarias características finales.

A principios de la década de los 90 en Zaragoza, sólo aproximadamente un 10% de las empresas del sector de la maquinaria de obras públicas tenía CAD en 2D.

Foto: Kriss Szkurlatowski.

Los sectores de automoción y aeronáutica son los pioneros en el desarrollo y utilización de estas herramientas en su primera y última generación de la evolución del HW/SW.

La necesidad en el desarrollo de nuevos productos fue respondiendo a los constantes desafíos técnicos y necesidades de unos mercados ávidos de innovaciones que les han llevado a ser la punta de lanza de estas técnicas.

El sector aeronáutico desde su origen, constantemente abordando nuevos retos, se ha constituido como impulsor de estas nuevas técnicas y tecnologías. Tiene como necesidad básica el uso de las herramientas de todo el ciclo de vida del producto, y en particular las correspondientes a las herramientas CAD/CAM/CAE y RP, la utilización de éstas en este sector es del 100%.

En el sector de automoción sin ser tan comprometida la naturaleza de su existencia, el tamaño y las necesidades que el mercado impone hacen básica la utilización de este arte. La utilización de estas herramientas en los fabricantes de este sector y la de los proveedores de componentes de primer equipo es del 100%.

Los dos sectores hacen uso de proveedores que deben ‘desarrollar’ imponiéndoles los usos y a veces las herramientas y las empresas desarrolladas de SW.

Los sectores de ingeniería civil, productos electrónicos y eléctricos y fabricación no han mostrado la imperiosa necesidad de la absoluta compatibilidad digital que han exigido los sectores de la automoción y aeronáutico.

Las herramientas de CAD, CAM, CAE y RP aplicadas a ingeniería mecánica configuran el estado del arte que analizamos en este documento. Son cuatro de las aplicaciones que permiten realizar estudios y desarrollos de productos con alto nivel tecnológico, importante reducción del tiempo de desarrollo y número de errores en su construcción. Se quiere indicar que el empleo de herramientas de gestión modernas de la ingeniería tales como QFD (Quality Function Development), ingeniería concurrente, FMEA (Failure Modes and Effects Analysis), diseño para ensamblaje, análisis de valor, etc., son de gran utilidad para el ingeniero de diseño pero no se les considera en este estudio de estado del arte.

Lo indicado en este punto está fundamentado en base a la experiencia del escritor de este documento. Desde que comenzó en 1990 su experiencia profesional en el campo comercial como especialista en CAD/CAM/CAE en ingeniería mecánica en la península ibérica, el 100% de sus clientes del sector de automoción diseñaban en 3D y sólidos obteniendo posteriormente planos de producción. Creador de una empresa especializada en sistemas CAD/CAM/CAE (Grinsa) en el 1992 y entonces una de las cuatro agencias especializados en este campo de IBM y con atención sobre todo en la provincia de Zaragoza y Navarra desde el 1992 al 2005, habiéndose dedicado también a los mercados de Madrid desde el 1990 al 2005 y Valencia y País Vasco desde el 1995 al 2005. Durante estos años analizó el mercado de CAD/CAM/CAE de toda las empresas fabricantes de productos mecánicos de facturación anual mayor de 6 millones euros, algunas de ellas del sector de maquinaria de obras públicas.

El estado del uso de estas herramientas en cada empresa de maquinaria de obra pública depende en gran medida del tipo de producto final de las empresas. Así los fabricantes de productos singulares tienen diferentes necesidades en el desarrollo que los fabricantes de series, sean estas largas o cortas. Pero todas las empresas son conscientes cada vez más de la necesidad del uso intensivo de estas diferentes técnicas para poder realizar el desarrollo de un producto o proyecto logrando los objetivos de tiempo y calidad necesarios.

A principios de la década de los 90 en Zaragoza sólo aproximadamente un 10% de las empresas del sector de la maquinaria de obras públicas tenía CAD en 2D y algunos departamentos de ingeniería. En las empresas realizaban cálculos por elementos finitos en el ordenador personal. Hoy en día todos los fabricantes de maquinaria de obra pública disponen de un sistema de CAD en 2D, los fabricantes de productos con un elevado número de componentes y complicadas geometrías de diseño disponen de sistemas en 3D y sólidos y en algún caso tienen plenamente integrados el CAD y el CAE. Los fabricantes de maquinaria con un gran número de componentes han sido los primeros en adaptar los sistemas de diseño de altas prestaciones. Por equipos de altas prestaciones se quiere indicar equipos HW y SW de CAD/CAE, capaces de manejar conjuntos mecánicos con toda la información del producto en tiempo real.

El RP, como se ha indicado anteriormente, se utiliza para la realización de prototipos o moldes, puede ser únicamente estético para validación de formas o semi funcional, permitiendo en estos últimos casos asegurar la validez de los diseños, comprobación de interferencias, realizar preseries o presentar productos casi finales para ferias.

Las compañías desarrolladoras de SW de herramientas CAD/CAE/CAM utilizadas por las empresas de maquinaria de obra pública son PTC Inc., Dassault Systèmes, UGS Corp., Autodesk Inc. y CoCreate Software Inc.

La tendencia que muestra este tipo de software hacia el desarrollo de la ingeniería colaborativa hace imposible catalogar estas herramientas como exclusivamente software tipo CAD, CAM, CAE.

En España están disponibles los mismos productos que en el resto de los mercados internacionales. Sin embargo, el uso es mayor en aquellos países donde hay más acceso a estas técnicas y el mercado absorbe más variedad de producto. Estados Unidos, Japón y Europa son las partes del mundo donde antes comenzaron a desarrollar estas técnicas.

Dentro de los mercados de Estados Unidos, Japón y Europa vuelve a ocurrir lo indicado en España, las empresas de mayor facturación son las que mas invierten en equipos de alta tecnología, siendo las empresas multinacionales con centros de fabricación en diferentes países las que más invierten en esta tecnología e imponen su uso.

En un mercado globalizado donde se ha incrementado internacionalmente la demanda surgen nuevas necesidades, no sólo por el propio crecimiento natural del mercado sino además por el de una economía mundial en expansión.

Se demandan diferentes tipos de equipos, productos y servicios, realizando las mismas operaciones pero de diferente manera: maquinaria con otras posibilidades, tamaños y dimensiones, formas y líneas de diseño, pesos y capacidades de movilidad, bajos consumos energéticos y políticas restrictivas de emisiones y amables con el medio ambiente, equipos de diferentes potencias, más fuertes y ágiles, que permitan mayor accesibilidad y alcance.

Aumenta la multiplicidad de la demanda con las nuevas necesidades y se requiere un tiempo mínimo para satisfacerlas. De esta forma se acorta el tiempo de desarrollo y de construcción del producto, desde que se generó la idea hasta su definitiva colocación en el mercado.

• La regulación de emisiones de ruidos y gases es cada vez mas restrictiva y exige cada vez mas esfuerzo de innovación en tecnología de inyección, recirculación de gases de escape y filtrado de partículas.

• Protección medioambiental, diseño ergonómico y larga vida de servicio están siendo los aspectos que centran mayor atención en los nuevos desarrollos de maquinaria y equipos.

• Se muestra el potencial de los diferentes usos de sistemas transportadores de fábrica y la gran variedad de aplicaciones en las que pueden ser utilizados. Herramientas importantes para la racionalización de procesos, no sólo en las fábricas de componentes de prefabricados de hormigón o en el sitio donde se realice el preprocesado, sino en el lugar donde se realiza la obra.

• Incorporación de nuevos sistemas de control y monitoreo, incluso vía Internet, en equipos y maquinaria para minas bajo tierra o a cielo abierto. Operaciones que se pueden realizar sin operario.

• Acoplamientos especiales para excavadoras hidráulicas que raramente son utilizados pero que disminuyen tiempos y coste de montaje. Montaje rápido de estos equipos con diferentes tipos y tamaños de monturas de taladro, cribadores, pulverizadores de hormigón, pisones o martillos hidráulicos.

• En ingeniería civil, métodos de reparación de daños en cañerías de aguas residuales de las diferentes redes públicas y privadas. Sistemas de perforación de pozos y de tendidos de tuberías. Maquinaria moderna en combinación con comunicación electrónica y técnicas de monitoreo.

• Diferente maquinaria para extracción en cantera y procesamiento de la piedra.

• Tecnología de fabricación para diferentes componentes y materias primas de construcción de edificios con clara tendencia hacia la automatización de procesos de ejecución. La máxima rentabilidad en línea con las necesidades del mercado se consigue con una combinación de implementación de última tecnología: control electrónico y sistemas de visualización.

• Gran variedad de técnicas para la ejecución de túneles y galerías tanto de ejecución de maquinaria como de equipo.

• Los equipos de compactación y mezcla de hormigones exigen unos requerimientos más exactos. En la mezcla de hormigón, la mejora del rendimiento se requiere con la misma o mayor calidad y en compactación el mayor énfasis se hace en la reducción de ruidos.

• Diferentes sistemas de reciclado en frío del asfalto de carreteras y autopistas.

• Desarrollos de equipos pequeños, móviles y de alto rendimiento para aplicaciones especiales en trabajos de cimentación.

• Implementación de sistemas GPS como localizadores de maquinaria y como un buen sistema antirrobo.

• Equipos o sistemas de proceso de reciclaje de materiales de construcción.

Los sistemas tratados en este documento van a ser imprescindibles para conseguir desarrollar los nuevos productos demandados: equipos singulares, máquinas, vehículos y herramientas compuestos de un gran número de componentes o piezas. De esta forma no sólo se consigue el objetivo en tiempo sino también el de incrementar la base de conocimiento de los productos desarrollados.

La tendencia tecnológica en el sector de maquinaria de obra pública dirige a implementar equipos y sistemas acordes a las necesidades impuestas por la demanda de productos.

En definitiva se necesita ampliar la oferta de productos adaptándolos a los nuevos requerimientos y usos partiendo de la experiencia técnica de la empresa de los departamentos técnicos, desde los principios de su actividad y ampliándola con los nuevos conocimientos generados.

Para poder conseguir alcanzar y desarrollar los nuevos productos que satisfagan las necesidades del mercado hay que aplicar las nuevas tecnologías. Tecnologías que permiten optimizar el tiempo de desarrollo y el índice de errores en el diseño. Los equipos y sistemas disponibles en la oferta técnica comercial actual tienen la capacidad de aportar la tecnología necesaria para cubrir estas necesidades y a su vez permiten la innovación en las etapas de desarrollo de los diferentes departamentos y áreas.

El sector aeronáutico desde su origen, constantemente abordando nuevos retos, se ha constituido como impulsor de estas nuevas técnicas y tecnologías.

Foto: Jorge Vicente.

La incorporación de los equipos y sistemas y de las herramientas tratadas para el desarrollo de los productos, supone principalmente disponer de los necesarios recursos económicos para su adquisición e instalación y de realizar la inversión en tiempo y formación en el equipo técnico de los departamentos afectados en su implantación. Comenzando con proyectos ya definidos casi en su totalidad se minimizan las dudas y problemas que surgen en la puesta en marcha de estos equipos. Se intenta de esta forma minimizar el impacto que pueda surgir por la novedad de las nuevas herramientas y por la variedad de conocimientos involucrados en el desarrollo de los propios productos. En el desarrollo de la mayoría de los equipos de la maquinaria de obra pública existe una gran complejidad de los propios productos a desarrollar. Productos de gran número de piezas donde los conocimientos involucrados en la ingeniería de diseño del producto, se mezclan con los de las tecnologías de fabricación.

El diseño de un producto y de cada una de sus partes, su análisis virtual cuando sea necesario, disponer de las bases de datos para escoger los materiales y componentes auxiliares mas adecuados, la realización de prototipos funcionales (RP y taller) en base a los desarrollos realizados, supone tener unos sistemas de diseño (CAD), de fabricación (CAM), y de análisis (CAE) que permitan entenderse. Y también, establecer un método operativo para compartir los nuevos conocimientos y desarrollos generados con los diferentes departamentos y áreas de la empresa.

La implementación de los sistemas CAD/CAM/CAE y RP en este sector afecta a todas las áreas de ingeniería, desde la idea conceptual del nuevo producto, con la cual las diferentes áreas empiezan a trabajar y a plantear distintas alternativas para su realización, hasta la finalización del producto.

Una vez generada la idea se pone en marcha el proceso de desarrollo, se estudian diferentes posibilidades en base a los proyectos anteriores y abiertos a una nueva concepción del producto. Se consideran diferentes alternativas, se hacen búsquedas de usos o adaptaciones de elementos comerciales, realizando y analizando diferentes preferencias de su diseño físico.

Los equipos, sistemas y herramientas, esto es el HW/SW básico y los diferentes sistemas CAD/CAM/CAE y RP, no sólo han de comunicarse sino que han de ser plenamente compatibles y de estar enteramente operativos.

El equipo humano ha de entenderse de igual forma, dependiendo de la complejidad orgánica de la empresa, debe haber gente de diferentes disciplinas con formas y actitudes desiguales a la hora de implementar los nuevos equipos. Técnicos informáticos, mecánicos, eléctricos del departamento de ingeniería y las relaciones necesarias con personal de fábrica y del departamento comercial.

El impacto que produce la implantación de estos equipos en el departamento de ingeniería al utilizar las herramientas objeto de este documento es consecuencia de la introducción de nuevas formas de trabajar entre las áreas del departamento y por la forma de obtener la información necesaria en todo el desarrollo, geometría, bases de datos de elementos comerciales, materiales y archivo de productos ya desarrollados.

La implicación de las personas participantes en el proyecto es parte fundamental para lograr la implantación de los sistemas necesarios en todo el ciclo de desarrollo.

Con esta nueva forma de trabajar se hacen posibles desarrollos en un tiempo mínimo ya que todos o gran parte de los participantes en el proyecto, en el caso de aplicación de herramientas de trabajo colaborativo, disponen de la última información generada en el desarrollo, datos actualizados de los últimos cambios, éstos se realizan tras comprobar que materiales, diseño físico, tolerancias, normas y homologaciones aplicadas, en definitiva todo aquello que generalmente produce errores y retrasos en el desarrollo del diseño y fabricación de prototipos.