Diseño Asistido Por Computadora

DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADORA (CAD) UNIDAD 1. FILOSOFÍA DEL DISEÑO El término diseño procede del vocablo italiano 'disegno'. En nuestro contexto se utiliza para caracterizar 'la representación gráfica, de acuerdo con una idea creativa previa, de un objeto artístico o funcional, de un dispositivo mecánico, o de la estructura o funcionamiento de un sistema o proceso'. El diseño es una actividad que se proyecta hacia la solución de problemas planteados por el ser humano en su adaptación al medio que lo rodea, para la satisfacción de sus necesidades, para lo cual utiliza recursos como la tecnología CAD/CAE/CAM. Estas tecnologías se vienen aplicando a través de los métodos de la ingeniería concurrente. La técnica más desarrollada en la ingeniería asistida por computador (CAE), es la aplicación de los análisis por elementos finitos (FEA), que con la mejora de los equipos de cómputo se ha convertido en técnicas accesibles para todos los usuarios. Estas técnicas son usadas industrialmente desde el diseño hasta la fabricación consiguiendo optimizar costos, calidad, tiempo, seguridad, etc.

1.1.

DEFINICIÓN Y PANORAMA HISTÓRICO.

Para poder entender los conceptos que se desarrollarán en el presente documento, es necesario conocer las siguientes siglas:  CAD (Computer Aided Design): Diseño asistido por computador.  Cad (Computer aided drafting): Dibujo asistido por computador.  CADD (Computer Aided Design and Drafting): Diseño y dibujo asistido por computadora.  CAE (Computer Aided Engineering): Ingeniería asistida por computador.  CAM (Computer Aided Manufacturing): Manufactura asistida por computador.  CIM (Computer Integrated Manufacturing) Manufactura integrada por computador.  FEA (Finite Element Analysis): Análisis por elementos finitos. El avance vertiginoso del software y hardware, en estos últimos años ha modificado la forma de entender el concepto de CAD, actualmente se entiende como la integración del diseño y del análisis (Cad unida al CAE). La técnica CAE necesita de una gran potencia de cálculo de los computadores, lo cual implica una memoria RAM considerable, velocidad de proceso y una calidad de exhibición de los resultados; estas características se vienen consiguiendo con los nuevos computadores a precios aceptables para nuestro medio. Esto ha permitido que los profesionales relacionados a estas tecnologías mejoren su productividad, calidad y oportunidad, de manera que puedan dedicar un mayor tiempo en la mejora de los diseños. Desde que en 1963 Ivan Sutherland del MIT (Massachussets Institute of Technology) publicó su tesis doctoral sobre graficas interactivas por computadora definiendo la topología del objeto (sistema Sketchpad - SUTH63) la tecnología CAD se ha

desarrollado con la limitante del tiempo de proceso. Una de las herramientas de análisis más estudiado y aplicado son los cálculos con elementos finitos que permiten predecir con gran precisión y simplicidad los esfuerzos y deformaciones que soportará internamente una pieza o conjunto de piezas al ser sometidas a un sistema de cargas.

La aplicación del software CAD en la ingeniería abarca la elaboración de cuadros sinópticos, diagramas de diversos tipos, gráficos estadísticos, representación normalizada de piezas para su diseño y fabricación, representación tridimensional de modelos dinámicos en multimedia, análisis con elementos finitos, aplicaciones en realidad virtual, robótica, etc. Los software CAD pueden ser usados de dos maneras generales, a través de lenguajes de programación y de paquetes aplicativos. El desarrollo a través de lenguajes de programación abiertos implica un amplio dominio, conocimiento de las tecnologías de exhibición, manejo del análisis matemático, geométrico y vectorial (software abiertos más usados: Java y Visual Basic); en cambio el uso de paquetes aplicativos debido a su amplio desarrollo acelerado, su especialización en los diferentes campos de aplicación, su diseño de arquitectura abierta y su facilidad de uso han permitido su rápida aceptación y adopción. El CAD es una técnica de análisis, una manera de crear un modelo del comportamiento de un producto aun antes de que se haya construido. Los dibujos en papel pueden no ser necesarios en la fase del diseño.

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Las características generales que deben tener el software CAD/CAE son:  Simulaciones dinámicas con características especiales de visualización de procesos y resultados (representaciones foto realistas, tabulaciones, diagramas, giros, sonido, etc.).  Capacidad del software de generar soluciones óptimas según los tipos de aplicación.  Desarrollo de sistemas virtuales dentro de un entorno, permitiendo en muchos casos eliminar los prototipos físicos.  Ingeniería concurrente on-line (trabajo multidisciplinario vía red, con niveles de acceso y con geoprocesamiento referenciado).  Arquitectura abierta del software (posibilidad de personalizar y generar programas complementarios - “glue functions”).  Ingeniería inversa (obtener un modelo CAD a partir del escaneado tridimensional de una pieza real). Intercambio estandarizado de formatos de archivos para el trabajo multiplataforma (run anywhere). Pantalla de trabajo (workspace) compartidos con diferentes aplicaciones y programas adicionales (plug-ins).

La incorporación de la computada es en la producción el elemento puente que está permitiendo lograr la automatización integral de los procesos industriales así como una integración tecnológica de sus áreas. Es así que los software profesionales están

tendiendo a integrase bajo un gran sistema CAD/ CAM/CAE que ha puesto de relieve la importancia de automatizar informáticamente cualquier proceso industrial desde el diseño hasta la fabricación. Esta informatización incidirá de forma directa sobre el proceso de varias formas: 

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Reducción de tiempos (time to market) y mayor sencillez en la etapa de diseño su diseño y fabricación, representación tridimensional de modelos dinámicos en multimedia, análisis con elementos finitos, aplicaciones en realidad virtual, robótica, etc. Seguridad de un correcto funcionamiento debido a un simulado del prototipo. Fácil integración en una cadena de fabricación y mejora en la gestión del proyecto. Obtención de un producto económico, de óptima calidad y menor tiempo.

El avance de la ingeniería se viene dando fundamentalmente por los nuevos y/o mejora de los materiales, equipos y herramientas de trabajo, descubrimiento y aplicación de nuevos conceptos. Estos avances han sido favorecidos por el desarrollo de las tecnologías CAD Evolución El término Diseño asistido por ordenador fue acuñado por Douglas Ross y Dwight Baumann en 1959, y aparece por primera vez en 1960, en un anteproyecto del MIT, titulado 'Computer-Aided Design Project'. En aquella época ya se había comenzado a trabajar en la utilización de sistemas informáticos en el diseño, fundamentalmente de curvas y superficies. Estos trabajos se desarrollaron en la industria automovilística, naval y aeronáutica. Un problema crucial para esta industria era el diseño de superficies, que se resolvía, siempre que era factible instanciando curvas y superficies conocidas y fácilmente representables (círculos, rectas, cilindros, conos, etc.). Las partes que no podían ser diseñadas de este modo, como cascos de buques, fuselaje y alas de aviones o carrocerías de coches, seguían procesos más sofisticados. El primer trabajo publicado relacionado con la utilización de representaciones paramétricas para curvas y superficies fue escrito por J. Fergusson en 1964, quien exponía la utilización de curvas cúbicas y trozos bicúbicos. Su método se estaba usando en el diseño de alas y fuselajes en Boeing. Previamente Paul de Castelju desarrollo, en torno a 1958, un método recursivo para el diseño de curvas y superficies basado en el uso de polinomios de Bernstein, en Citroën. Sus trabajos, no obstante no fueron publicados hasta 1974. Paralelamente, y de forma independiente Pierre Bézier, trabajando para Renault desarrollo la forma explícita del mismo método de diseño, que hoy se conoce como método de Bézier. Uno de los hitos en el desarrollo del CAD fueron los trabajos de Ivan Sutherland quien realizó su tesis doctoral sobre desarrollo un sistema de diseño en el MIT en 1963 [Mann93]. El sistema permitía la definición y edición interactiva de elementos geométricos, que podían ser almacenados de forma concisa. Por la misma fecha, y también en el MIT Steve Coons comenzó a desarrollar técnicas de diseño de superficies basadas en la descomposición en trozos [Barn93], que fueron

aplicados al diseño de cascos de buques en 1964. El modelado de sólidos tuvo un desarrollo más tardío. Tal vez, los primeros antecedentes sean los trabajos desarrollados por Coons en el MIT entre 1960 y 1965, que se centraron en la aplicación de métodos numéricos a sólidos creados por barrido. Los primeros trabajos relacionados con el modelo de fronteras se desarrollaron en la Universidad de Cambridge (UK), a finales de la década de los sesenta. No obstante, el desarrollo del modelado de sólidos como disciplina, se debe en gran parte a los trabajos de Aristides Requicha y Herbert Voelcker en la Universidad de Rochester durante la década siguiente. En 1974 Baumgart propuso la representación mediante aristas aladas (windgededges) para B-rep, y propuso la utilización de operadores de Euler para editar la representación. A finales de la década de los sesenta y principios de los setenta, se comenzaron a desarrollar modeladores de sólidos. Entre ellos cabe destacar EUCLID, desarrollado por J.M. Brun en Francia, PADL-1 de la Universidad de Rochester, Shapes del MIT, TIPS-1 desarrollado por Okino. 1.2.

Etapas en el proceso de diseño.

Tradicionalmente el proceso de diseño sigue los siguientes pasos:

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Definición. Consiste en especificar las propiedades y cualidades relevantes del sistema a diseñar. Concepción de un modelo. Es el núcleo del proceso de diseño. El ingeniero concibe un modelo de sistema que satisface las especificaciones. El modelo deberá documentarse. Dibujo de detalle. La mayor parte de las cosas que se fabrican tienen algún tipo de representación gráfica natural, que se utiliza como descripción 'formal' del elemento a construir . Por ese motivo, antes de pasar al proceso de construcción se deben generar gran cantidad de 'planos' (o descripciones gráficas en general). El conjunto de documentos generados debe ser suficiente para describir el modelo, con el suficiente detalle como para permitir la fabricación de prototipos, con los que validar el diseño. Este paso puede requerir hasta un 50% del esfuerzo de diseño. Construcción de prototipos. Para elementos que se van a someter a un proceso de fabricación en cadena, es normal fabricar previamente prototipos, fuera de la cadena de montaje. Los prototipos se fabrican con el propósito de detectar posibles errores en el modelo o la especificación, y en caso contrario, servir de validación del modelo. Los prototipos no tienen que ser necesariamente un ejemplar completo del elemento a fabricar, pudiendo utilizarse para validar tan solo determinadas propiedades.

A veces se utilizan prototipos con elementos que no se fabrican en serie, como en ingeniería civil o arquitectura. En esta situación cabe destacar las maquetas para estudios de resistencia de materiales, o comportamiento aerodinámico, y las maquetas de arquitectura. 

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1.3.

Realización de ensayos. Tras la realización de ensayos sobre el prototipo se pueden descubrir deficiencias en el modelo o en la propia definición del sistema, lo que obligará a volver atrás en el proceso, revisando el diseño. Debe observarse que el dibujo de detalle está, en principio, dentro de este ciclo de revisión. Documentación. Una vez validado el diseño se pasa a documentarlo. La documentación debe contener la información suficiente como para poder abordar la construcción del sistema. La documentación puede estar formada por información muy diversa: descripción del sistema y de sus componentes, esquemas de montaje, lista de componentes, etc. El proceso de diseño sigue un esquema iterativo, en el que el diseñador trata de encontrar un diseño que satisfaga unos determinados requerimientos, explorando posibilidades, siguiendo un ciclo de propuesta - valoración. La computadora en el proceso de diseño.

El dibujo a evolucionado considerablemente, después de dibujar en cuevas rocosas, hoy en día el dibujo asistido por computadora ocupa un papel importante en el dibujo, conocido como CAD. El CAD es el proceso en el cual se utilizan ordenadores o computadoras para mejorar la fabricación, desarrollo y diseño de los productos, aumentando el precio, y mayor precisión en los productos. Este consta de una tabla graficad ora y un software especializado en dibujo utilizando dimensiones virtuales. El dibujo computarizado es una herramienta para representar y describir gráficamente un objeto. Esta herramienta utiliza un sistema de medición exacto y acotaciones con medidas de longitud, altura, profundidad, ángulos, etc. Este tipo de dibujo se divide en dos ramas: la rama artística y la rama técnica. El dibujo artístico expresa ideas y sentimientos mientras que el dibujo técnico representa características reales de un objeto. El dibujo técnico asistido por computadora se aplica principalmente en arquitectura, industria automotriz y en la rama de tecnología y robótica. Una herramienta CAD (dibujo asistido por computadora) es un software que aborda la automatización del proceso de diseño de un determinado tipo de construcción. El éxito en la utilización de sistemas CAD se visualiza principalmente en la reducción de tiempo invertido en el dibujo. En el país durante los últimos 15 años, y con más fuerza en los últimos 10 años, el dibujo asistido por computadora ha ido desplazando al dibujo hecho sobre papel en una mesa de dibujo en la preparación de planos para proyectos. Es cuestión de poco tiempo para que todo delineante use algún programa de dibujo en una computadora para dibujar los planos. Ya casi todas las compañías de Ingeniería y arquitectura usan computadoras sustituyendo sus talleres de dibujos a mano. La mesa de dibujo no desaparece, se reduce de tamaño, y es de donde salen las ideas básicas para los proyectos. Estas ideas luego se plasman en los planos que se elaboran con la computadora. En la actualidad el dibujo ha alcanzado un grado de importancia increíble, en nuestro medio, el dibujo de la mayoría de las oficinas arquitectónicas e ingeniería se realizan por medio de un programa de computación llamado (autocad), dicho programa empezó con la versión No.14 y en la actualidad ha llegado hasta la versión No.2000.

La utilización del dibujo computarizado es importante en todas las ramas de la ingeniería y en la industria, y también en arquitectura y geología es de suma importancia para lograr un trabajo con exactitud, y con un margen de error mínimo. Su propósito fundamental es transmitir la forma y dimensiones exactas de un objeto. Un dibujo en perspectiva ordinario no aporta información acerca de detalles ocultos del objeto y no suele ajustarse en su proporción real. El dibujo computarizado convencional utiliza dos o más proyecciones para representar un objeto. Estas proyecciones son diferentes vistas del objeto desde varios puntos que, si bien no son completas por separado, entre todas representan cada dimensión y detalle del objeto. La vista o proyección principal de un dibujo computarizado es la vista frontal o alzado, que suele representar el lado del objeto de mayores dimensiones, debajo del alzado se dibuja la vista desde arriba o planta. Si estas proyecciones no definen completamente el objeto, se pueden añadir más; una vista lateral derecha o izquierda; vista auxiliares desde puntos específicos para mostrar detalles del objeto que de otra manera no quedarían expuestos; y secciones o cortes del dibujo de su interior. El dibujo computarizado viene desde el dibujar en paint o modificar algún dibujo anteriormente escaneado. Para hacer un dibujo directamente en el ordenador se necesita una tabla graficadora esta se compra como software. Es aquí donde también puedes comprar unos mucho más complejo y profesional. Todo estudiante de ingeniería y arquitectura debe aprender a dominar esta herramienta (dibujo computarizado) con la misma destreza con que maneja al papel y la regla T. Atendiendo a que se dibuja se clasifica en:     

Dibujo civil o estructural Dibujo arquitectónico Dibujo industrial Dibujo eléctrico Dibujo sanitario.

Para el desarrollo de las habilidades técnicas en dibujo, su evolución y su actualización para las personas que se desenvuelven en medios que las utilizan, es completamente necesaria la implementación de nuevas tecnologías informáticas como lo son los programas descritos con anterioridad en el desarrollo de la investigación. Estos nuevos programas pueden ser utilizados e implementados en la formación académica de los ingenieros industriales, ya que como presento en mi tesis, la utilización del dibujo computarizado es prioritaria en el desarrollo de nuestras habilidades durante la gestión académica, y si es impartida correctamente la utilización del diseño computarizado para el trabajo del diseñador industrial se puede crear nuevas generaciones de diseñadores industriales con una formación actualizada y moderna, dando así hincapié a una nueva era en el diseño industrial, modernizando una industria que a recaído en las mismas técnicas por ya demasiado tiempo.

Si estos programas son utilizados para la realización de proyectos y trabajos por las personas que pudieran darles uso en fines prácticos, se vería un incremento significativo en la calidad de sus proyectos y el desempeño de los que los desarrollan. Siendo el ingeniero industrial un pilar de la sociedad moderna, ya que creamos muchas de las cosas de uso cotidiano, se podría decir que modernizando el sistema de aprendizaje del mismo se podría dar una evolución completa a la sociedad moderna, creando una nueva era de proyecto creados con equipo de vanguardia y dejando el pasado atrás.

1.4.

Descripción del Product Life Management (PLM).

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, para clarificar el ámbito de 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 término ciclo de producto, que aparece reflejado en la figura.

Para convertir un concepto o idea en un producto, se pasa por dos procesos principales, el de diseño y el de fabricación. A su vez, el proceso de diseño se puede dividir en una etapa de síntesis, en la que se crea el producto y una etapa de análisis en la que se verifica, optimiza y evalúa el producto creado. Una vez finalizadas estas etapas se aborda la etapa de fabricación en la que, en primer lugar se planifican los procesos a realizar y los recursos necesarios, pasando después a la fabricación del producto. Como último paso se realiza un control de calidad del producto resultante antes de pasar a la fase de distribución y marketing.

Debido a la demanda del mercado de productos cada vez más baratos, de mayor calidad y cuyo ciclo de vida se reduce cada vez más, se hace necesaria la intervención de los ordenadores para poder satisfacer estas exigencias. Mediante el uso de técnicas de CAD/CAM se consigue abaratar costes, aumentar la calidad y reducir el tiempo de diseño y producción. Estos tres factores son vitales para la industria actual.

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. Las figuras anteriores muestran ambos procesos con más detalle. Las herramientas requeridas para cada proceso aparecen en las tablas siguientes.

1.5.

Ingeniería concurrente.

La complejidad y constante evolución de la ingeniería ha hecho necesario que las responsabilidades profesionales sean realizadas por gente altamente calificada, con entrenamiento especializado y con diferente formación profesional. El trabajo en equipo no lineal que une los elementos de entrada de proceso y de salida necesarios para elaborar un producto se llama ingeniería concurrente. Los ingenieros y técnicos deben ser capaces de trabajar en equipo así como diseñar, analizar y comunicarse mediante sistemas CAD. Las gráficas por computadora reúnen a muchos individuos con diferentes necesidades y habilidades visuales; con lo cual se permite que grupos diversos se comuniquen con mayor rapidez y eficiencia. Dentro del mundo CAD el proceso que permite dise-ñar un proyecto y compartir toda la información necesaria entre varios componentes de una organización (interna y externa) no importando donde éstos se encuentren es llamado Enterprise Engineering Modeling (EEM - modelado de ingeniería a nivel empresa). La documentación es el proceso empleado formalmente para registrar y comunicar la solución final de diseño, para ello se puede utilizar una variedad de tipos de dibujos. En el modelo de ingeniería concurrente la información de la base de datos CAD es compartida por muchas áreas de una empresa en especial de aquellas que directamente manipulan dicha información. La ingeniería concurrente es un esfuerzo sistemático para un diseño integrado, concurrente del producto y de su correspondiente proceso de fabricación y de servicio. Pretende que los desarrolladores, desde un principio, tengan en cuenta todos los elementos del ciclo de vida del producto, desde el diseño conceptual, hasta su disponibilidad incluyendo calidad, costo y necesidades de los clientes. Persigue un estudio sistemático, simultáneo, en el momento del desarrollo del producto, de las necesidades de mercado que va a cubrir, de los requisitos de calidad y costos, de los medios y métodos de fabricación, venta y servicio necesarios para garantizar la satisfacción del cliente. Involucra el trabajo coordinado y simultáneo de los diversos departamentos de la empresa: Marketing, Ingeniería del Producto, Ingeniería del Proceso, Producción, Calidad, Ventas, Mantenimiento, Costos, etc. La ingeniería concurrente sustituye el típico entorno de trabajo en el desarrollo y fabricación del producto basado en un diagrama secuencial de actuación de los distintos departamentos, por un trabajo concurrente, simultáneo, en equipo, de todos a partir del mismo momento en que se inicia el proceso. Esta metodología de trabajo se conoce también como:   

Ingeniería simultánea Equipos de diseño Desarrollo integrado de producto

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Ingeniería total