LA INGENIERÍA EN EL 3ER. MILENIO UNA RESEÑA DE LOS NUEVOS PARADIGMAS 1. Ing. Rubén F. GIL

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1 SECCIÓN ENSEÑANZA 425 LA INGENIERÍA EN EL 3ER. MILENIO UNA RESEÑA DE LOS NUEVOS PARADIGMAS 1 Ing. Rubén F. GIL Ingeniero Mecánico. Ingeniero Laboral. Ha realizado cursos de especialización en CAD/CAM Technology, Point Control Co., USA, entre 1991 y 1994; cursos de especialización en CAE en Structural Dynamics Research Corp., Ohio, USA, entre 1995 y 2000 y cursos sobre DNC, Predator Software, USA, 1992/1993; cursos para implementación del sistema de información de ingeniería C3P en Ford Motor Corp., Sao Paulo, Brasil, entre 1995 y 2000, cursos para implementación de sistemas para Product Lifecycle Management, en Siemens PLM Software, en Sao Paulo, Brasil, entre 2000 y Ex Gerente de Organización Industrial de Wobron S.A.; ex Gerente Industrial de Nor Auto Par S.A.; asesor de empresas (Longvie, Bolland, IMPSA, Surrey S.A., Motomecánica Argentina, Wenlen, etc.). Socio Gerente de X-Plan S.R.L. Representante en Argentina de Siemens PLM Software para sus sistemas: NX, Solid Edge, Femap/Nastran, Teamcenter y Tecnomatix. En el campo docente se desempeña como profesor en temas de su especialidad en el CIME-INTI. Ex profesor de Análisis Matemático, Termodinámica e Hidráulica en la Escuela de Educación Técnica Nro. 2 de El Talar. Resumen Las nuevas tecnologías para diseño, manufactura y cálculo asistido (CAD-CAM-CAE) y manejo del ciclo de vida del producto (PLM) están cambiando el modo en que las compañías desarrollan sus productos. Desde turbinas hidroeléctricas hasta automóviles o electrodomésticos, desde aparatos diseñados para usos específicos hasta aparatos electrónicos de uso masivo, el desarrollo de los productos a través de modelos virtuales ayuda a reducir tiempos y costos y, al mismo tiempo, permite obtener productos de mucho mayor confiabilidad y rendimiento para los usuarios. Por otro lado, las compañías necesitan incrementar sus capacidades de innovación en vista de la reducción continua del ciclo de vida de los productos que fabrican. Esta necesidad las lleva a aplicar grandes recursos para que el desarrollo de nuevas ideas sea altamente eficiente, permitiendo descartar rápidamente las ideas que no se consideren adecuadas y acelerar el de las ideas que se decida implementar. Para la obtención de estos objetivos, la Ingeniería juega un papel principal y las herramientas para el desarrollo de la ingeniería son el punto clave. Afortunadamente, en las últimas décadas, las compañías de software para ingeniería, como Siemens PLM Software, han invertido fuertemen- 1 Conferencia pronunciada el 19 de octubre de 2009.

2 426 ACTIVIDADES DE LAS SECCIONES DE LA ACADEMIA te en el desarrollo de aplicaciones, creando sistemas cuyos modelos matemáticos son de altísima sofisticación y precisión. Hoy en día es factible y económico el desarrollo de productos a través de modelos virtuales, tanto para el modelado del producto, como para el ensayo virtual y la simulación de los procesos de manufactura, a los efectos de eliminar las incertidumbres que pudieran emerger durante todo el ciclo de vida de los productos. Durante la exposición se realizará un recorrido sobre los aspectos salientes de los sistemas para ingeniería, utilizados por muchas empresas industriales de nuestro país y el mundo, así como por parte de muchas universidades, institutos tecnológicos y escuelas técnicas. Es importante destacar que el uso de estas tecnologías no es privativo de las grandes empresas, ya que hay pequeñas y medianas empresas que están siendo exitosas gracias a la correcta implementación de estas herramientas. De los modelos ideales a los modelos virtuales Hemos aprendido a trabajar con modelos ideales cuerpos rígidos, líquidos incomprensibles, rozamiento cero, fuerzas concentradas Las nuevas generaciones deberán aprender a crear modelos virtuales realistas con los que se pueda representar el comportamiento de los sistemas a construir o fabricar. Las técnicas de virtualización, cuya base es la creación de geometría 3D, se encuentran maduras para poder representar cualquier tipo de geometría. El desafío es otorgarles a esos modelos 3D la mayor cantidad de propiedades (materiales, durezas, rugosidades, colores, brillos, texturas, índices de refracción, etc.) para que también pueda virtualizarse su comportamiento durante su fabricación, su uso, e inclusive durante su disposición final, al término de su vida útil. Del análisis a la integración En general, los métodos usados en la ingeniería tradicional tendían a buscar resultados de máxima o mínima a través del análisis (sección más comprometida, zona de máximas tensiones o deformaciones ). El principio de superposición era de práctica corriente, analizando por separado los efectos de diferentes solicitaciones. Los métodos actuales conducen a obtener todos los resultados y luego buscar entre ellos los que interesan. La idea es generar un modelo donde podamos integrar todos los componentes, solicitaciones y comportamientos para observar los resultados de un modo holístico.

3 SECCIÓN ENSEÑANZA 427 De la fórmula a la iteración En general, todos aprendimos a deducir y justificar las fórmulas que nos permitieran resolver problemas de ingeniería (tensiones en secciones de vigas, cálculos cinemáticos y dinámicos, flujo de calor ). Las nuevas generaciones aprenderán a crear modelos cuya solución resulte de iteraciones. Los métodos numéricos son la herramienta adecuada para el cálculo computacional. Los modelos discretos con soluciones que iteran miles de veces sobre la misma red de ecuaciones, hasta alcanzar un resultado aceptable (dentro de la tolerancia), son ideales para el uso de computadoras en las cuales residen los modelos virtuales de los productos ensayados. De la simplificación a la complejidad Una viga, una cáscara, un cuerpo debían ser relativamente simples para poder calcularlos con precisión con la Ingeniería tradicional Hoy podemos calcular elementos de cualquier complejidad. Los modelos geométricos hoy en día se representan con todos sus detalles. Si bien todavía es necesario hacer algún tipo de simplificación para evitar errores de cálculo, o para evitar que la duración del cálculo sea muy prolongada, el método de cálculo por elementos finitos no requiere la simplificación extrema de las piezas o conjuntos. Hoy en día se realizan cálculos, por ejemplo, de modos normales de vibración, sobre una carrocería completa de un vehículo, de modo que el modelo es altamente complejo, cosa que resultaba imposible con el abordaje del cálculo convencional. Una simplificación que persiste actualmente es que en ese caso se realiza un mallado de la superficie media de la chapa, ya que de lo contrario, si se aplicara el modelo de cálculo sobre el sólido de la carrocería (con el espesor de la chapa), el cálculo tomaría seguramente varios días. No obstante, el espesor de la chapa se coloca como un parámetro y el cálculo se realiza con la misma precisión que si se colocara la chapa sólida. Cómo impactan estos cambios en el desarrollo de productos y proyectos? La Ingeniería actual permite diseñar y optimizar los productos achicando simultáneamente los tiempos necesarios para el desarrollo, reduciendo o eliminando la construcción de prototipos. Los avances son sorprendentes. Hace

4 428 ACTIVIDADES DE LAS SECCIONES DE LA ACADEMIA unas décadas se necesitaban 6 años para desarrollar un nuevo vehículo. Hoy se necesitan menos de tres años. Qué datos permite obtener el sistema CAD? De nuestro modelo virtual deberíamos obtener toda la información para fabricar el producto. En un simple caso en que nuestro producto tuviera un componente en forma de tubo, siendo éste recto, sería fácil conocer su longitud. Pero si el tubo fuera curvo, con una forma en tres dimensiones, sería muy complicado saber cuál sería la longitud de tubo necesaria si no se dispusiera de un sistema CAD. Ver Figuras 1 y 2. Figura 1 Figura 2 Del mismo modo, si nuestro modelo tuviera una pieza como la mostrada en la Figura 3, sería muy fácil calcular el volumen, o su peso, baricentro y demás datos físicos, pero si nuestro modelo fuera como el de la Figura 4, calcular el volumen, peso, posición del baricentro, momentos principales de inercia, etc., sería bastante complicado. Los sistemas CAD basados en sólidos paramétricos pueden hacer estos cálculos con facilidad y precisión, independientemente de la complejidad geométrica de las piezas diseñadas. Figura 3 Figura 4

5 SECCIÓN ENSEÑANZA 429 Otro ejemplo de capacidades básicas de cálculo es la determinación de áreas de superficies. Para determinar el área de las superficies de cuerpos como los de la figura 3, no necesitamos un CAD; sin embargo, para conocer el área de las superficies de una horma de zapato, Figura 4, sí lo necesitamos. Los diseñadores de calzados hacen uso de herramientas CAD para diseñar nuevos modelos con mayor rapidez, y, al mismo tiempo, calcular los troqueles necesarios para fabricarlos. Cuando se trabaja con piezas de chapa conformada, se necesita conocer la forma de la pieza antes de ser conformada, llamada comúnmente esta pieza desarrollo. Figura 5 Figura 6 Cuando la pieza final se obtiene por operaciones de plegado, como el gabinete de la Figura 5, el estiramiento de la chapa puede calcularse manualmente, resultando el CAD una herramienta para calcular el desarrollo más rápidamente. Sin embargo, cuando la pieza debe obtenerse por embutido, como en la Figu- Figura 7 Figura 8

6 430 ACTIVIDADES DE LAS SECCIONES DE LA ACADEMIA ra 7, el cálculo del desarrollo (ver Figura 8) no se puede realizar manualmente, con lo cual el uso de un CAD con la capacidad de calcular el desarrollo, aplicando un análisis de formabilidad de la chapa, es de extrema utilidad, especialmente para el diseño de matrices. La capacidad de calcular el desarrollo de piezas embutidas más una serie de funciones automáticas para el diseño de matrices progresivas, hacen que estas herramientas de software sean imprescindibles para fabricantes de este tipo de matrices, ver la Figura 8. Figura 8 Para el caso de piezas inyectadas, los sistemas CAD-CAM-CAE ofrecen herramientas para diseño automatizado y simulación de inyección que permiten acelerar los proyectos y asegurar la productividad y calidad de las piezas obtenidas (ver Figura 9). En la Figura 10 se observa el diseño de una manija interior de puerta de automóvil. Luego, en la Figura 11 se muestra una simulación de inyección, a través de la cual se optimizan las condiciones de proceso para obtener piezas

7 SECCIÓN ENSEÑANZA 431 Figura 11 Figura 9 de la calidad requerida. Finalmente, en la Figura 12 se muestra una parte del molde para inyectar la pieza de la Figura 10. Todo el proceso se realiza a través de modelos virtuales, utilizando herramientas CAD-CAM-CAE. Figura 11 Figura 10 Figura 12

8 432 ACTIVIDADES DE LAS SECCIONES DE LA ACADEMIA La Manufactura Asistida por Computadora (CAM) es otra herramienta utilizada por la industria para obtener piezas de alta precisión en tiempos muy razonables. La industria de fabricación de moldes y matrices fue una de las pioneras en el uso de estas tecnologías. Las herramientas para diseño (CAD) integradas con las de manufactura (CAM) han permitido a las compañías fabricantes de moldes y matrices, así como de piezas especiales, mejorar su competitividad, logrando igualar a empresas de cualquier otra parte del mundo. La función principal de un sistema CAM es generar caminos de herramientas que permitan mecanizar (fresar, tornear, etc.) las piezas diseñadas con un sistema CAD. El CAM transforma a estos caminos de herramienta a código que entienden las máquinas CNC (Control Numérico Computarizado). En la Figura 13 se observa una parte del molde para la parrilla plástica de una Pick Up con el camino de herramienta para una de las operaciones de fresado. Figura 13 Los sistemas CAD-CAM-CAE más avanzados disponen de soluciones para cálculo integradas en los mismos sistemas de modo que, sin salir de ellos se pueda: diseñar, calcular y mecanizar piezas. Los modelos de cálculo, en particular pueden ser basados en vigas, ver Figura 14, en cáscaras ver Figura 15 o en sólidos, ver Figura 16. Estos sistemas también cuentan con soluciones precisas para problemas de flujo de fluidos y transmisión de calor, tanto por conducción, como por convección y radiación, ver Figura 17.

9 SECCIÓN ENSEÑANZA 433 Figura 14 Figura 15 Figura 16

10 434 ACTIVIDADES DE LAS SECCIONES DE LA ACADEMIA Figura 17 Asimismo, una aplicación muy sofisticada de los sistemas para cálculo es la de permitir hacer simulaciones de flujo de fluidos, pudiendo combinar en el mismo estudio fluidos líquidos y gaseosos sometidos, al mismo tiempo, a la acción de diversas fuentes de calor, ver Figura 18, donde se representa el comportamiento de un fluido cuando pasa alrededor de un perfil alar. Figura 18 Otra característica de los sistemas para simulación es la representación del comportamiento de mecanismos cinemáticos y dinámicos complejos, donde se apliquen fuerzas, aceleraciones y otras excitaciones, así como condiciones de

11 SECCIÓN ENSEÑANZA 435 rozamiento, elasticidad, amortiguación, etc. El sistema permite obtener la posición, velocidad y aceleración, lineales y angulares de cualquier punto o pieza del modelo, así como calcular las fuerzas y momentos resultantes en las articulaciones o vínculos del modelo. En la Figura 19 pueden observarse ciertas slides de una secuencia calculada por el sistema para el movimiento de de un cuatriciclo por un terreno de dunas de arena. Un punto interesante es que el sistema puede calcular si se produce alguna interferencia en piezas del modelo al realizar el movimiento simulado. Figura 19 La ingeniería tradicional también puede encontrarse en los sistemas CAD- CAM-CAE más avanzados. Algunos sistemas traen incorporado el diseño de elementos de máquinas, cuyo cálculo responde a fórmulas bien conocidas en la Ingeniería tradicional. Este es el caso del cálculo de engranajes, levas, resortes, ejes y otros elementos mecánicos. En la Figura 20 puede verse una pantalla con el cálculo de engranajes evolventes. Colocando valores en los datos del par de engranajes, el software resuelve las ecuaciones y crea los sólidos de los engranajes con la forma exacta de los dientes. Figura 20

12 436 ACTIVIDADES DE LAS SECCIONES DE LA ACADEMIA La Ingeniería Naval es una de las disciplinas en las que no muchos sistemas para diseño asistido por computadora han incursionado. Sin embargo, los más importantes disponen de herramientas adecuadas para estas tareas. Un barco importante puede contar con más de un millón y medio de piezas, relacionadas entre sí a través de órganos de unión como soldaduras, tornillos y remaches. Es un desafío importante manejar modelos sólidos paramétricos con tal cantidad de componentes; sin embargo, los beneficios de hacerlo son también muy importantes ya que los plazos para realizar la ingeniería con estas herramientas pueden reducirse significativamente, al tiempo que la calidad del diseño permite la fabricación con mucho menos errores y retrabajos. En la Figura 21 se observan vistas exteriores e interiores de modelos CAD de barcos diseñados virtualmente. Figura 21 En la Ingeniería Naval, la determinación de la forma del casco es uno de los problemas de mayor envergadura. En los sistemas CAD avanzados pueden determinarse superficies por múltiples medios, incluyendo la formulación matemática de las mismas. Por otro lado se dispone de métodos para evaluar la ca-

13 SECCIÓN ENSEÑANZA 437 lidad de las mismas y las continuidades de posición, tangencia y curvatura entre ellas. En la Figura 22 puede verse un análisis de la calidad de las superficies con una técnica denominada líneas de cebra. Figura 22 El cálculo de flujo de fluidos también es muy importante en el diseño naval. Por ello las técnicas de cálculo de flujo por elementos finitos, resultan de gran importancia para el diseño naval. En la Figura 23 se observa el resultado de las líneas de flujo de aire alrededor del contorno de un buque con sus velocidades relativas y en la Figura 24, la velocidad del agua en relación al casco del mismo buque. Figura 23

14 438 ACTIVIDADES DE LAS SECCIONES DE LA ACADEMIA Figura 24 Los modelos 3D no sólo sirven para realizar el diseño. En la industria naval, el modelo CAD se utiliza para todo el proceso de fabricación, desde la selección de los materiales y cortes plasma o laser hasta el tendido de cañerías internas para los servicios. En la Figura 25 se observan tanto las particiones de chapa que se realizan para conformar la estructura del barco, como el diseño de tuberías y conductores eléctricos necesarios para operar el barco adecuadamente. Otro aspecto importante para el diseño de barcos, especialmente para los de transporte, es la necesidad de aprovechamiento de los espacios para las cargas, manteniendo dentro de parámetros las condiciones de navegabilidad. Esto puede lograrse gracias al diseño 3D de toda la estructura y al cálculo preciso de pesos, posición del baricentro y de otros parámetros físicos de la estructura.

15 SECCIÓN ENSEÑANZA 439 Figura 25 Cuando se trabaja en grandes proyectos, los grupos de ingeniería pueden ser muy numerosos. Especialmente en la industria naval puede haber cientos o miles de ingenieros trabajando simultáneamente sobre el mismo proyecto. En ese caso, los sistemas para diseño deben permitir el trabajo colaborativo, protegiendo los diseños de cada ingeniero, pero permitiendo que todos los integrantes del grupo de ingeniería puedan usar todas las partes diseñadas como referencia para poder hacer su propio trabajo. En la Figura 26 puede observarse un esquema del modo de trabajo colaborativo que permiten los sistemas para ingeniería más desarrollados.

16 440 ACTIVIDADES DE LAS SECCIONES DE LA ACADEMIA Figura 26 Sistemas para digitalizado Hasta ahora hemos presentado características de los sistemas para ingeniería, con los cuales podemos diseñar, simular, documentar y mecanizar piezas y conjuntos. Sin embargo, hay situaciones en las que se necesita relevar una pieza física para colocarla dentro de un sistema para diseño. Estas situaciones pueden ser las siguientes: Para realizar ingeniería inversa. Partiendo de una pieza física, realizar el modelo 3D preciso para fabricar la pieza o colocarla dentro de un conjunto. Para controlar dimensionalmente un pieza con su modelo CAD, patrón. Esto puede ocurrir como control dentro del proceso de fabricación o para controlar situaciones de desgaste, caso típico en matrices para estampado que, luego de una cierta cantidad de piezas fabricadas, sufren un desgaste obliga a su remecanizado. Para estas situaciones, y otras fuera del campo de la Ingeniería, se han inventado scanners laser, con los cuales puede relevarse el modelo 3D de piezas físicas en pocos minutos y con razonable precisión. En la Figura 27 se observa el modo de trabajo con este tipo de dispositivo portátil y a la derecha se observa el modelo 3D relevado y colocado dentro de un sistema CAD.

17 SECCIÓN ENSEÑANZA 441 Figura 27 Una vez realizado el relevamiento o escaneado, se obtiene un modelo 3D del objeto sobre el cual puede realizarse ingeniería reversa, utilizando un sistema CAD de muy buenas prestaciones para trabajar con superficies. En la Figura 28 se observa el modelo escaneado de un conjunto, en la parte superior, y el modelo CAD diseñado tomando como base el modelo escaneado. Como puede observarse, el modelo escaneado consiste en un conjunto de superficies triangulares que forma el escáner al relevar los puntos. El modelo CAD de la parte inferior de la Figura 28, está formado por superficies más extensas y de buena calidad en lo referente a continuidad, suavidad y apariencia. Esto es debido a que las superficies fueron reconstruidas, aplicando técnicas de ingeniería reversa, a partir del modelo escaneado. Figura 28

18 442 ACTIVIDADES DE LAS SECCIONES DE LA ACADEMIA Para el caso del uso del escaneo para inspección, control de calidad, o en general para comparar el modelo escaneado con el modelo CAD original, se utiliza software específico que puede realizar las siguientes funciones: 1. Leer los resultados del escaneo, generalmente en formato stl. 2. Encontrar la mejor superposición entre los datos escaneados y el modelo CAD. Para esto también pueden elegirse, o no, puntos de coincidencia entre ambos modelos (datums). 3. Comparar ambos modelos y colorear las diferencias entre ellos, de acuerdo a una escala de colores que refleje las diferencias dimensionales. En la Figura 29, puede observarse una imagen del modelo pos procesado de una pieza escaneada y comparada con sus modelos CAD. Referencias Dado lo relativamente novedoso de los temas tratados en el presente, no se pueden citar referencias bibliográficas. No obstante, algunas de las ilustraciones se han extraído de material técnico de la firma Siemens PLM Software (http:// y experiencias adquiridas desde la empresa X-Plan S.R.L. (www.x-plan.com).

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