Guía de análisis para

Transcripción

1 I N F O R M E T É C N I C O Guía de análisis para diseñadores de maquinaria Resumen En esta guía se describen los problemas básicos de rendimiento de diseño que suelen afrontar los diseñadores de maquinaria y los fabricantes, y se identifican los beneficios de la utilización del software de análisis SolidWorks en el ciclo de desarrollo del producto. El software SolidWorks puede aplicarse a prácticamente cualquier campo de diseño de máquinas, desde herramientas de automatización hasta maquinaria de embalaje, para analizar una amplia variedad de temas. Ofrece varios tipos de análisis avanzado, estático, movimiento, térmico, vibración, flujo de fluidos y no lineal, para ayudarle a que sus productos cumplan los requisitos de diseño y sea fiable sobre el terreno.

2 Introducción El software de análisis y simulación es una herramienta indispensable en el desarrollo de maquinaria a gran escala. Estas herramientas permiten que el desarrollador evalúe los diseños en una fase temprana del ciclo de diseño, que determine las causas de los fallos prematuros en el campo, que analice rápidamente los cambios del diseño que pretenden reducir costes y peso, y que determine el factor de seguridad del producto. El uso de las herramientas de análisis es de especial valor para los diseñadores de maquinaria, debido al tamaño y la complejidad de los sistemas que desarrollan. Las herramientas de análisis permiten identificar problemas de diseño que se pueden escapar durante la revisión de un diseñador sencillamente por la naturaleza dinámica de muchas piezas móviles de la maquinaria. Las herramientas de análisis permiten identificar problemas de diseño que se pueden escapar durante la revisión de un diseñador sencillamente por la naturaleza dinámica de muchas piezas móviles de la maquinaria. Figura 1: brazo interior de un robot diseñado por Fanuc Robotics. Las incesantes demandas de los clientes y del mercado que reciben los fabricantes de maquinaria, solicitando la creación de sistemas más baratos, más fiables y más productivos, obligan a las empresas que desean mantener su éxito a utilizar todas las herramientas disponibles. Estas herramientas de análisis reducen los costes de desarrollo de los productos mediante la reducción de los cambios de ingeniería tardíos. Las herramientas garantizan que los productos lleguen al mercado rápidamente, lo que permite que el producto abarque la mayor cuota posible del mercado. Finalmente, permiten que los ingenieros experimenten con materiales y diseños que pueden dar como resultado productos con un peso y un coste mínimos. El software de análisis permite que los ingenieros simulen el rendimiento de diseño e identifiquen y solucionen posibles problemas de diseño antes de iniciar el prototipado y la producción. Análisis al frente del desarrollo de productos de diseño de maquinaria Independientemente de la aplicación específica, los diseñadores de maquinaria reciben la presión de sus clientes: mayor duración y fiabilidad, salir más rápidamente al mercado con productos nuevos y mejorados, reducción del peso y el coste del producto, y aumento de la productividad. Al trabajar en este tipo de entorno, los ingenieros disponen de poco tiempo para producir varios prototipos y realizar pruebas para comprender mejor el comportamiento físico de sus diseños. Sin embargo, esta información es de vital importancia para crear productos innovadores y de alta calidad. Figura 2: Fanuc Robotics saca el máximo partido del modelador de sólidos de SolidWorks Simulation. Guía de análisis para diseñadores de maquinaria 2

3 Las herramientas de análisis ayudan a los diseñadores de maquinaria a comprender el comportamiento físico de sus diseños rápidamente sin recurrir a costosos prototipos ni a pruebas físicas que amplíen el ciclo de diseño del producto. Las herramientas de análisis pueden reducir sustancialmente el número de pedidos de cambio de ingeniería, fechas límite incumplidas a causa de cambios tardíos en el ciclo de diseño y modificaciones costosas en la fase de fabricación. Todos estos factores reducen notablemente el coste de desarrollo y el tiempo de lanzamiento al mercado. Además, estas herramientas incrementan la comunicación entre los departamentos de diseño, ventas, marketing, fabricación y el cliente a través de la facilidad de lectura y la comprensión de los resultados gráficos. Áreas de aplicación Equipamiento de producción: Hallmark Cards, Producción alimentaria Robots industriales y sistemas robóticos: Optimización de diseño, análisis de fallos Maquinaria alimentaria industrial Las herramientas de análisis ayudan a los diseñadores de maquinaria a comprender el comportamiento físico de sus diseños rápidamente sin recurrir a costosos prototipos ni a pruebas físicas que amplíen el ciclo de diseño del producto. Equipamiento de embalaje Sistemas electromecánicos: calefacción Placas de circuito impreso: semiconductores, disipadores térmicos, microsistemas electromecánicos (MEMS, por sus siglas en inglés) Sistemas de refrigeración: ventiladores, motores, flujos de aire Sistemas electrónicos: antenas, transmisores, conmutadores Herramientas de automatización Máquinas de oxigenación, para bebidas Máquinas de apertura, llenado y cierre de bolsas Maquinaria de embotellado: lavado, esterilizado, llenado, taponado y etiquetado Máquinas de embalaje de pan Máquinas de embalaje de cartón Humedecedores de etiquetas, de tipo industrial Maquinaria de etiquetado, de tipo industrial Maquinaria de embalaje Ámbito de análisis Verificación/validación del diseño: Funcionará este diseño? Este diseño se comportará del modo que pienso? Mérito relativo: Cuál de estas opciones de diseño es mejor? Cómo puedo descartar y eliminar los diseños que no funcionen correctamente? Prueba de concepto: Pruebas de nuevos conceptos radicales sin necesidad de producir prototipos. Durabilidad y fiabilidad: Análisis de fatiga/fallo, prueba de choque, simulaciones de vibración. Guía de análisis para diseñadores de maquinaria 3

4 Estrecha integración con CAD en 3D El sistema de CAD en 3D SolidWorks, el estándar para el diseño en 3D, se integra estrechamente con los principales sistemas de CAD. Esto significa que los ingenieros pueden utilizar el software de análisis SolidWorks directamente en el modelo de CAD y no es necesario volver a modelar los diseños para aprovechar la tecnología de análisis. La utilización de un modelo computacional y del software de análisis para efectuar evaluaciones hipotéticas ahorra tiempo y dinero y contribuye a mejorar el rendimiento del diseño. Figura 3: Hallmark Cards diseña maquinaria para la fabricación de tarjetas con SolidWorks Simulation. Estudios hipotéticos Una clara ventaja de la realización de pruebas virtuales con simulaciones por computadora en lugar de las pruebas físicas, aparte del ahorro de costes y tiempo, es la posibilidad de comparar rápidamente muchos diseños incorporando diferentes materiales, geometrías de piezas, configuraciones de ensamblaje, subsistemas, etc. El uso del análisis para realizar estudios hipotéticos (pruebas con diferentes materiales, o con distintos tipos de mecanismos) puede ayudar a los ingenieros a identificar los mejores materiales y diseño mecánico para una función concreta. La utilización de un modelo computacional y del software de análisis para efectuar evaluaciones hipotéticas ahorra tiempo y dinero y contribuye a mejorar el rendimiento del diseño. Al acoplar los estudios de análisis con SolidWorks Configuration Management (Administrador de configuraciones de SolidWorks), el diseñador hace convergir rápidamente la mejor solución de diseño con muchos grados de libertad. Figura 4: los sistemas de ventilación modulares y personalizados son productos ideales para el análisis, porque deben poder calentar, refrigerar, humidificar y deshumidificar el aire y las partículas del filtro. Guía de análisis para diseñadores de maquinaria 4

5 Avanzados tipos de análisis potentes: estático, movimiento, térmico, vibración, fluido-flujo, no lineal Los diseñadores de maquinaria deben trabajar con sistemas de una complejidad y una variabilidad extremas. La cinemática y la dinámica de todas las piezas móviles del sistema y las posibles interferencias exigen un gran esfuerzo de diseño. Los efectos térmicos de los componentes que producen calor sobre el resto del sistema pueden ser difíciles de predecir y de diseñar. La vibración y otros problemas estructurales pueden provocar fallos en las piezas, bajo rendimiento y otros problemas operativos. Las empresas que utilizan el análisis para solucionar estos problemas en el estado de diseño desarrollan una clara ventaja sobre sus competidores. El software de análisis SolidWorks ayuda a garantizar que estas consideraciones se solucionen en una fase temprana del ciclo de desarrollo del producto, lo que permite que los fabricantes aceleren el tiempo de comercialización y reduzcan los costes de desarrollo mientras generan productos de una calidad superior con menos problemas de garantía. Con el uso de una serie de tecnologías de análisis, el software SolidWorks ayuda a los ingenieros a garantizar que el comportamiento de un producto se encontrará dentro de los límites del diseño, que será fiable y no creará riesgos térmicos, electromagnéticos ni fallos provocados por la tensión. Las empresas que utilizan el análisis para solucionar estos problemas en el estado de diseño desarrollan una clara ventaja sobre sus competidores. Figura 5: Casa Herrera apenas tarda unos minutos en calcular las fuerzas críticas de un rodillo en un cabezal de corte. El análisis estático es una herramienta que ayuda al diseñador de maquinaria a evitar fallos catastróficos inmediatos o a largo plazo y a determinar si es necesario el rediseño de uno o más de los elementos principales. Los diseñadores pueden estudiar las tensiones o las desviaciones en el dispositivo y compararlo con los niveles aceptables para predecir fallos. SolidWorks Simulation permite analizar vaciados con superficies de SolidWorks y extraer superficies medias de estructuras de pared lámina. Esto resulta especialmente útil en máquinas que incorporan las chapas metálicas en sus diseños. A través del análisis estático, los diseñadores pueden optimizar las geometrías, minimizar el peso y el uso de material, y determinar el factor de seguridad de cada una de las máquinas. Los análisis de movimiento también resultan extremadamente valiosos en el desarrollo de maquinaria ya que, por su naturaleza, se componen de ensamblajes dinámicos extremadamente complejos. La ejecución de análisis de movimiento permite que los diseñadores realicen pruebas virtuales antes de fabricar prototipos físicos, con lo que se ahorra tiempo y dinero durante el ciclo iterativo de diseño. Los cambios anteriores a la creación del prototipo resultan mucho más baratos y más rápidos de implementar. El análisis del movimiento permite que el diseñador profundice en el análisis de la maquinaria en la fase de concepto y que detecte interferencias dinámicas antes de crear modelos de ingeniería. Guía de análisis para diseñadores de maquinaria 5

6 El análisis térmico es esencial en el diseño de maquinaria. La gestión de la temperatura, en placas de circuitos impresos, dispositivos mecánicos o sistemas fluídicos, puede representar un reto importante en el diseño que el ingeniero debe ser capaz de superar. El software de análisis SolidWorks Simulation puede efectuar un análisis térmico del estadio estacionario o transitorio en piezas o ensamblajes. Después de mallar el diseño, el diseñador establece las restricciones relevantes, y luego la potencia o las condiciones de flujo de calor asociadas a una característica geométrica del modelo. Como las propiedades del material de los componentes incluyen la conductividad térmica, el coeficiente de expansión térmica y la capacidad calorífica, el diseñador obtiene una predicción real de la distribución de la temperatura bajo las cargas y las condiciones de funcionamiento prescritas. Con la utilización del software de análisis SolidWorks Simulation, un ingeniero puede simular las frecuencias naturales de una pieza o ensamblaje. Figura 6: herramientas de automatización para brazos robóticos diseñadas por pushcorp, inc. El análisis de vibración es valioso en muchos tipos de productos de maquinaria. Muchos cuentan con motores, bombas y otras fuentes de vibración que pueden afectar negativamente al rendimiento de los dispositivos electrónicos y mecánicos circundantes. Un rendimiento óptimo, con una cantidad mínima de efectos adversos en estos componentes, requiere una comprensión de las frecuencias naturales en las que un componente o ensamblaje vibrará y en las que se puede producir el impacto de las tensiones o desviaciones. Con la utilización del software de análisis SolidWorks Simulation, un ingeniero puede simular las frecuencias naturales de una pieza o ensamblaje y utilizar esta información para modificar el diseño o materiales utilizados para evitar la resonancia y la desviación en ciertas zonas o mejorar el rendimiento. Un análisis de vibración aleatorio también ayuda a los ingenieros a reforzar los sistemas eléctricos que están diseñados para resistir terremotos y a reflejar un enfoque más económico que las pruebas físicas de vibración. Los análisis se pueden utilizar para minimizar la frecuencia y la vibración con el fin de minimizar los efectos de las perturbaciones en el rendimiento del sistema. Figura 7: Neumag mejora el diseño de sus inyectores con SolidWorks Flow Simulation. Guía de análisis para diseñadores de maquinaria 6

7 Los análisis de flujo de fluidos tienen diferentes aplicaciones en el dominio del diseño de maquinaria. Las propiedades del flujo de fluidos juegan un papel importante en el análisis de transferencia de calor. La maquinaria grande suele contar con grandes fuentes de calor, como fuentes de alimentación y motores, que requieren una refrigeración activa. La transferencia de calor convectivo y conjugativo depende de las propiedades del flujo de fluidos. Los sistemas fluídicos, como por ejemplo los hidráulicos, también se pueden modelar, y sus diseños se pueden evaluar. Además, este análisis se puede utilizar en el proceso de diseño de componentes fluídicos como inyectores, válvulas, sistemas de bombeo y sistemas de lubricación. Sean cuales sean las necesidades analíticas de un fabricante, SolidWorks Flow Simulation ofrece un análisis de dinámica de flujo computacional (CFD) de alta potencia para la comprensión del impacto del flujo de fluidos en la temperatura de los sistemas eléctricos. La maquinaria grande suele contar con grandes fuentes de calor, como fuentes de alimentación y motores, que requieren una refrigeración activa. El análisis no lineal permite que los diseñadores de productos electrónicos y eléctricos evalúen el rendimiento de un producto dentro de un entorno 3D simulado y complejo, lo que les ofrece una determinación mucho más precisa de los diferentes factores que pueden provocar un fallo en el dispositivo. Las herramientas de análisis no lineal son efectivas en el análisis de problemas estáticos y dinámicos con geometría y material no lineal, hiperelasticidad, fluencia, termoplasticidad y viscoelasticidad. El software de análisis no lineal SolidWorks Flow Simulation también puede analizar los problemas de contacto no lineal que conlleven las interacciones de superficies de modelos con o sin fricción. Figura 8: separador inercial ciclónico por david rachels y su equipo de ingenieros. Análisis de ensamblajes El análisis de ensamblajes de gran escala es absolutamente esencial para los diseñadores de maquinaria. La maquinaria industrial, por naturaleza, contiene subensamblajes complejos de muchas piezas. Como tal, el análisis de diseños de maquinaria requiere una amplia gama de métodos de asociación, interconexión y encapsulación. Los diseñadores exigen que el análisis se efectúe sobre sus piezas, subensamblajes y ensamblajes completos. Estos ensamblajes pueden verse afectados por el calor, la presión, la vibración, los impactos y los campos electromagnéticos en todos los niveles del diseño. Figura 9: mandril diseñado por Speedgrip chuck inc. Guía de análisis para diseñadores de maquinaria 7

8 El software de análisis SolidWorks Simulation permite que los ingenieros simulen todos estos comportamientos, facilitando el análisis de ensamblajes de CAD de gran tamaño o de tamaño reducido. El software permite que los ingenieros asignen diferentes materiales a las diferentes piezas del ensamblaje y que especifiquen cómo interactuarán los componentes entre sí. El análisis de separación/contacto de ensamblajes de SolidWorks Simulation permite simular varias condiciones reales para maquinaria grande. Muchas de las que, en el pasado, fueron pruebas físicas que se realizaban en grandes máquinas, ahora se pueden simular con el ordenador. Las pruebas de choque, que garantizan que el transporte no daña la maquinaria, se pueden efectuar durante la fase de diseño y se pueden realizar cambios de forma más sencilla y menos costosa antes de crear los prototipos físicos y de la fabricación. El análisis térmico garantiza que no existen componentes dentro del sistema que se sobrecalienten y contribuye al diseño apropiado de sistemas de calefacción y refrigeración dentro de la maquinaria. Las fuentes de vibración dentro del sistema se pueden modelar y pueden estudiarse sus efectos en los componentes circundantes. Esto permite el desarrollo de sistemas de aislamiento efectivos durante la fase inicial del ciclo de diseño. El análisis de separación/contacto de ensamblajes de SolidWorks Simulation permite simular varias condiciones reales para maquinaria grande. Visualización en 3D Las herramientas de análisis de SolidWorks Simulation permiten el análisis de maquinaria y productos industriales de gran escala en los niveles de componente, ensamblaje y sistema. La visualización en 3D ofrece al diseñador una primera comprobación de la intención del diseño, el funcionamiento adecuado y la estética a medida que se desarrolla el proyecto. El CAD en 3D permite que el diseñador visualice el diseño de un producto desde todos los ángulos y que examine las piezas internas del producto a través del proceso de diseño. Esto facilita al diseñador una revisión clara y precisa de las piezas y los ensamblajes en una fase temprana del ciclo de diseño. La visualización en 3D reduce los errores de comunicación y de fabricación, lo que ahorra tiempo de desarrollo al transmitir de forma más eficaz la información de diseño para que los diseñadores detecten los problemas en las fases iniciales del ciclo de diseño. Los diseñadores pueden visualizar el producto desde todos los ángulos y mirar en el interior, ocultando la envoltura externa u otras piezas. Las animaciones en 3D de simulaciones permiten ver cómo funciona la maquinaria en el mundo real. Los trazados de sección permiten ver los resultados de la simulación dentro de la pieza y no sólo en la superficie. Figura 10: sistemas de diseños de johnson corporation para industrias de procesos. Guía de análisis para diseñadores de maquinaria 8

9 Herramientas de comunicación de diseño y colaboración La colaboración de diseño es una fase cada vez más importante del proceso de desarrollo del producto, que permite que los diseñadores intercambien sus diseños fácilmente con cualquier persona y en cualquier sitio. Las herramientas de colaboración ofrecen nuevas formas para que los diseñadores de productos trabajen de forma más eficaz con otros miembros del equipo de desarrollo. La posibilidad de intercambiar recursos de diseño por Internet beneficia a todos los diseñadores de productos, desde los consultores independientes a los ingenieros de las grandes empresas multinacionales. Las herramientas de análisis de SolidWorks Simulation permiten que los diseñadores intercambien los resultados del análisis en diferentes formatos, como por ejemplo: - Informes HTML de resultados de análisis - Archivos VRML - Archivos AVI - SolidWorks Simulation permite que los usuarios publiquen SolidWorks edrawings para resultados de análisis. Las herramientas de colaboración ofrecen nuevas formas para que los diseñadores de productos trabajen de forma más eficaz con otros miembros del equipo de desarrollo. Conclusión Las demandas de los clientes y del mercado que reciben los fabricantes de maquinaria, solicitando la creación de sistemas más baratos, más fiables y más productivos son incesantes. Las empresas que desean mantener su éxito se ven obligadas a utilizar todas las herramientas disponibles. Con las herramientas de análisis y simulación, el desarrollador puede evaluar los diseños en una fase temprana del ciclo de diseño, determinar las causas de los fallos prematuros en el campo, analizar rápidamente los cambios del diseño que pretenden reducir costes y peso, y determinar el factor de seguridad del producto. Las herramientas de análisis aportan un valor especial para los diseñadores de maquinaria, debido al tamaño y la complejidad de los sistemas que desarrollan. Las herramientas de análisis de SolidWorks reducen los costes de desarrollo de los productos, garantizan que los productos lleguen al mercado rápidamente y permiten que los ingenieros experimenten con materiales y diseños que pueden dar como resultado productos con un peso y un coste mínimos. Oficinas Corporativas Dassault Systèmes SolidWorks Corp. 300 Baker Avenue Concord, MA USA Teléfono: info@solidworks.com Oficinas centrales Europa Teléfono: +33-(0) infoeurope@solidworks.com Oficinas en España Teléfono: infospain@solidworks.com SolidWorks y edrawings son marcas comerciales registradas de Dassault Systèmes SolidWorks Corp. Los demás nombres de compañías y nombres de productos son marcas comerciales o marcas comerciales registradas de sus respectivos propietarios Dassault Systèmes. Todos los derechos reservados. MKMACWPESP0111