Explicación
11.1 Definición y aplicación de sistemas CAD
El dibujo asistido por computadora o sistemas CAD es definido como una actividad del proceso de diseño que involucra el uso efectivo de la computadora para crear, modificar, analizar o documentar el proceso del diseño ingenieril. Los sistemas CAD son comúnmente asociados con el uso de sistemas gráficos por computadora y los beneficios de su implementación en una empresa son los siguientes:
- Incremento de la productividad en el diseño del producto.
- Incremento de las formas geométricas en el diseño del producto.
- Mejora la calidad del diseño del producto.
- Mejora la documentación del diseño.
- La creación de bases de datos en manufactura.
- Se estandariza el diseño.
Tipos:
En la actualidad, el CAD paramétrico ha substituido, casi por completo, a las técnicas clásicas de diseño en tres dimensiones mediante el modelado de sólidos y superficies, y se ha convertido en un conocimiento imprescindible para cualquier profesional de la ingeniería o la informática técnica.
Los sistemas CAD atienden prioritariamente aquellas áreas exclusivas del diseño tales como el dibujo técnico y la documentación del mismo, pero también es posible realizar otras tareas complementarias relacionadas con la presentación y el análisis del diseño. El proceso de diseño es caracterizado por un proceso interactivo que consiste en seis etapas:
Haz clic en cada clasificación para conocerla a detalle.
Reconocimiento de la necesidad
Involucra la necesidad de resolver un problema y puede ser resuelto por medio del diseño. El reconocimiento de esta necesidad puede involucrar la deficiencia en un sistema o la creación de un nuevo producto para satisfacer una necesidad.
Definición del problema
Se refiere a analizar y especificar las características del producto, estas características pueden involucrar aspectos físicos, función, costo, calidad, desempeño funcional, entre otros.
Síntesis
La etapa de síntesis se basa en seleccionar los mejores materiales y métodos de fabricación del producto. Esta etapa utiliza herramientas como el “desing for manufacturing and desing for assembly”, para alcanzar las metas de la selección de los mejores materiales y los mejores procesos.
Análisis
La etapa de análisis es la etapa donde se aplica la ingeniería más dura, en esta etapa se realizan estudios para evaluar la eficiencia, el diseño y la funcionabilidad del producto de manera virtual. Dos de las herramientas comúnmente utilizadas en la etapa de análisis son los análisis de elementos finitos (FEA) y los análisis de propiedades de masa (MPA).
Evaluación
La etapa de evaluación se refiere a la fabricación de prototipos, los cuales serán sujetos a pruebas para validar el diseño del producto. Dos de las tecnologías utilizadas para la fabricación de prototipos son el CNC y las impresiones 3D o Rapid Prototye.
Presentación del diseño
La última etapa del proceso del diseño es la presentación, refiriéndose a la generación de los documentos que soportan el diseño del producto. Los documentos son los archivos CAD finales de la pieza, listas de materiales, generación de reportes de análisis y pruebas, diagramas de operaciones, entre otros.
La secuencia de estas seis etapas, así como la naturaleza de sus interacciones se muestran a continuación:
Como se puede apreciar en el diagrama del proceso de diseño, los sistemas CAD están presentes en cuatro etapas, en la etapa de síntesis los modelos CAD aportan dibujos o modelaciones geométricas que describen el diseño del producto, en la etapa de análisis, los dibujos son evaluados mediante software que pueden describir el comportamiento de la pieza ante un estímulo o fuerza que es aplicado y simula el comportamiento al cual estará sometida la pieza. En la parte de evaluación el dibujo es convertido en un ente físico para poder ser evaluado, para ello el modelo CAD puede ser convertido a un código de programación CNC y maquinarse la pieza, pero también el dibujo puede enviarse a una impresora 3D con la que se fabricara un prototipo de la pieza. Por último, en la etapa de documentación, el CAD es finalizado con todos los detalles necesarios para la presentación del proyecto
11.2 Sistemas CAD 2D y 3D
Una primera clasificación de estos sistemas puede realizarse con base en la capacidad de representación de un objeto en el espacio, éstas se presentan a continuación:
Modelos en dos dimensiones o 2D
Los modelos en dos dimensiones o 2D son básicamente sustitutos de un tablero de dibujo, la representación de los objetos en este tipo de dibujos es bidimensional. En los sistemas de CAD 2D, la información geométrica de que dispone el ordenador es bidimensional, es decir, está contenida en un plano. No obstante, a pesar de las limitaciones de estos sistemas en cuanto a diseño, su ámbito de aplicación es muy amplio; por ejemplo, para la realización de distribuciones en planta, en el diseño de circuitos eléctricos o electrónicos, en sistemas hidráulicos y neumáticos, en el diseño y proyectos de líneas de montaje, proyectos de moldes entre otras muchas aplicaciones.
Modelos en 3D
Los sistemas CAD 3D posibilitan la definición de los objetos de forma espacial. Según sea el tipo de representación, se obtendrá más o menos información del sistema dependiendo del nivel de complejidad y datos que posea el dibujo y podrán efectuarse operaciones más o menos complejas. Los modelos en 3D tienen las siguientes ventajas:
- Posibilitan la visualización el modelo desde cualquier punto de vista.
- Pueden crear de forma automática vistas 2D auxiliares y estándar fiables.
- Pueden crear secciones y dibujos 2D.
- Es posible eliminar las líneas ocultas y realizar un sombreado realista.
- Comprobar interferencias y efectuar un análisis de ingeniería.
- Añadir iluminación y crear un sombreado realista.
- Desplazarse por el modelo.
- Utilizar el modelo para crear una animación.
- Extraer datos de fabricación.
Los modelos CAD en 3D parten de un concepto del objeto en tres dimensiones y según el nivel de representación pueden distinguirse en:
Modelos de alambres o wireframe
En los modelos CAD wireframe, la computadora dispone de las coordenadas X, Y, Z de los vértices del objeto, así como de la información de los elementos geométricos que unen dichos vértices. 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.
Modelos de superficie.
Los modelos CAD de superficies incorporan la información de los wireframe para posteriormente definir las caras del objeto mediante una superficie. Este tipo de sistemas CAD son los más usados actualmente cuando se requiere modelado tridimensional de piezas complejas.
Cuando los modelos CAD de superficies han sido generados correctamente, sirven como punto de partida para la aplicación del CAM, CAE, rapid prototyping, generación de planos, entre otras aplicaciones. Un modelo de superficie es una funda fina que no tiene masa ni volumen, por lo que no se podrán obtener datos como la masa, el peso, centro de gravedad u otros parámetros similares. La adición de información de las superficies al modelo 3D resulta en imágenes gráficas mejoradas cuando se traspasa a aplicaciones manufactureras como CNC.
Modelado de sólidos
El modelado sólido es una rama relativamente reciente del modelado geométrico, que hace hincapié en la aplicabilidad general de los modelos, e insiste en crear solamente modelos "completos" de los sólidos, es decir, modelos que son adecuados para responder algorítmicamente a cualquier pregunta geométrica que se formule. El modelado de sólidos 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, así como obtención de información como volumen, centro de gravedad, momentos de inercia, entre otros. El objetivo de la aplicabilidad general separa al modelo de solidos de otros tipos de modelos geométricos, los cuales están enfocados hacia propósitos específicos
Un sistema de modelado sólido maneja dos tipos de información: los datos geométricos y datos topológicos. Los datos geométricos son aquellos que representan geométricamente los objetos (coordenadas de vértices, ecuaciones de superficies). En cambio, los topológicos se refieren a cómo conectar componentes geométricos para conseguir un modelo.
11.3 Software de modelación CAD
Hoy en día, existen en el mercado múltiples software de modelación, sin embargo, pueden clasificarse de acuerdo con su utilidad. A continuación, se presentarán cuatro softwares utilizados ampliamente en el diseño del producto desde el punto de vista ingenieril.
NX (Siemens)
NX, también conocido como Siemens NX o simplemente Unigraphics o U-G, es un paquete de software CAD /CAM /CAE desarrollado por la compañía Siemens PLM Software. NX es una solución integrada para el diseño de productos que optimiza y agiliza el proceso de desarrollo de productos para los ingenieros que necesitan ofrecer productos en entornos de colaboración, NX para Diseño ofrece un alto nivel de integración, entre las diversas disciplinas de desarrollo en un entorno abierto y de colaboración.
NX combina el modelado de alambres, superficies, sólidos, paramétrico y directo en una única solución de software para modelado. NX dispone de avanzadas y completas funciones para el modelado paramétrico de sólidos basado en operaciones, que incluye operaciones como redondeos, paredes delgadas, ángulos de salida, patrones, así como operaciones simétricas y de perfil abierto.
CATIA (Dassault Systemes)
CATIA, Computer Aided Three-dimensional Interactive Application, es una aplicación de diseño gráfico en Ingeniería producida por Dassault Systemes (Francia). Se trata de una solución para la Gestión del ciclo de vida del producto (PLM, Product Lifecycle Management), que proporciona un conjunto integrado de aplicaciones de Diseño asistido por ordenador (CAD, Computer Aided Design), Ingeniería asistida por ordenador (CAE, Computer Aided Engineering) y Fabricación asistida por ordenador (CAM, Computer Aided Manufacturing), para la definición y simulación de productos digitales.
SolidWorks (Dassault Systemes)
SolidWorks es una solución de diseño tridimensional que integra un gran número de funciones avanzadas para facilitar el modelado de piezas, crear grandes ensamblajes, generar planos y otras funcionalidades que le permiten validar, gestionar y comunicar proyectos. SolidWorks se caracteriza por su entorno intuitivo y por disponer de herramientas de diseño fáciles de utilizar. Todo integrado en un único programa de diseño con más de 45 aplicaciones complementarias para facilitar el desarrollo de los proyectos. Una característica de SolidWorks es su capacidad de ser paramétrico, variacional y asociativo, además de usar las Funciones Geométricas Inteligentes y emplear un Gestor de diseño (FeatureManager) que permite visualizar, editar, eliminar y actualizar cualquier operación realizada en una pieza de forma bidireccional entre todos los documentos asociados.
CREO (PTC)
Creo Elements/Pro, antes conocido como Pro/ENGINEER, es un producto diseño, fabricación e ingeniería asistida por computadora de PTC Corporation en Massachusett. Es un software de diseño paramétrico. Este es muy popular entre diseñadores mecánicos aunque un poco costoso, pero más económico que otros de su mismo rango como CATIA o Unigraphics. Una de las fortalezas de este software es la implementación de una suite para diseño mecánico, análisis de comportamiento (esfuerzos, térmicos, fatiga, eléctrico) y creación de archivos para la fabricación asistida por computadora.
