Figura 3.11. Esquema de un proceso de mecanizado.
4. Aplicaciones CAD/CAM
4.1. Introducción
El diseño y la fabricación asistidos por computadora (CAD/CAM) es una disciplina que estudia
el uso de sistemas informáticos como herramienta de soporte en todos los procesos involucrados en
el diseño y la fabricación de cualquier tipo de producto. Esta disciplina se ha convertido en un
requisito indispensable para la industria actual que se enfrenta a la necesidad de mejorar la calidad,
disminuir los costos y acortar los tiempos de diseño y producción. La única alternativa para conseguir
este triple objetivo es la de utilizar la potencia de las herramientas informáticas actuales e integrar
todos los procesos, para reducir los costos (de tiempo y dinero) en el desarrollo de los productos y en
su fabricación.
El uso cooperativo de herramientas de diseño y de fabricación ha dado lugar a la aparición de
una nueva tecnología denominada Fabricación Asistida por Computadora (CAM, por Computer Aided
Manufacturing) e incluso se habla de la Gestión Integrada por Computadora como el ultimo escalón
de automatización hacia el que todas las empresas deben orientar sus esfuerzos. Esta tecnología
consiste en la gestión integral de todas las actividades y procesos desarrollados dentro de una
empresa mediante un sistema informático. Para llegar a este escalón seria necesario integrar,
además de los procesos de diseño y fabricación, los procesos administrativos y de gestión de la
empresa lo que rebasa el objetivo más modesto de esta asignatura que se centra en los procesos de
diseño y fabricación, básicos para la gestión integrada.
CAD es el acrónimo de Computer Aided Design o Diseño Asistido por Computadora. Se trata
de la tecnología implicada en el uso de ordenadores para realizar tareas de creación, modificación,
análisis y optimización de un diseño. De esta forma, cualquier aplicación que incluya una interfaz
gráfica y realice alguna tarea de ingeniería se considera software de CAD. Las herramientas de CAD
abarcan desde herramientas de modelado geométrico hasta aplicaciones a medida para el análisis u
optimización de un producto especifico. Entre estos dos extremos se encuentran herramientas de
modelado y análisis de tolerancias, cálculo de propiedades físicas (masa, volumen, momentos, etc.),
modelado y análisis de elementos finitos, ensamblado, etc. La función principal en estas herramientas
es la definición de la geometría del diseño (pieza mecánica, arquitectura, circuito electrónico, etc.) ya
que la geometría es esencial para las actividades subsecuentes en el ciclo de producto descrito en la
Figura 4.1.
La geometría de un objeto se usa en etapas posteriores en las que se realizan tareas de
ingeniería y fabricación. De esta forma se habla también de Ingeniería Asistida por Computadora, o
Computer Arded Engineering (CAE) para referirse a las tareas de análisis, evaluación,
simulación y optimización desarrolladas a lo largo del ciclo de vida del producto. De hecho, este es el
mayor de los beneficios de la tecnología CAD, la reutilización de la información creada en la etapa de
síntesis en las etapas de análisis y también en el proceso CAM.
Figura 4.1. Ciclo de producto típico
El término CAD se puede definir como el uso de sistemas informáticos en la creación,
modificación, análisis u optimización de un producto. Dichos sistemas informáticos constan de un
hardware y un software.
El término CAM se puede definir como el uso de sistemas informáticos para la planificación,
gestión y control de las operaciones de una planta de fabricación mediante una interfaz directa o
indirecta entre el sistema informático y los recursos de producción. Así pues, las aplicaciones del
CAM se dividen en dos categorías:
Interfaz directa: Son aplicaciones en las que la computadora se conecta directamente con el
proceso de producción para monitorear su actividad y realizar tareas de supervisión y control. Así
pues estas aplicaciones se dividen en dos grupos:
Supervisión: implica un flujo de datos del proceso de producción al computador con el
propósito de observar el proceso y los recursos asociados y recoger datos.
Control: supone un paso más allá que la supervisión, ya que no solo se observa el proceso,
sino que se ejerce un control basándose sobre dichas observaciones.
Interfaz indirecta: Se trata de aplicaciones en las que el ordenador se utiliza como herramienta
de ayuda para la fabricación, pero en las que no existe una conexión directa con el proceso de
producción.
La Figura 4.2. muestra de forma gráfica la diferencia entre estos dos tipos de aplicaciones.
Figura 4.2. Supervisión y control
La Ingeniería Asistida por Ordenador es la tecnología que se ocupa del uso de sistemas
informáticos para analizar la geometría generada por las aplicaciones de CAD, permitiendo al
diseñador simular y estudiar el comportamiento del producto para refinar y optimizar dicho diseño.
Existen herramientas para un amplio rango de análisis. El método de análisis por ordenador más
ampliamente usado en ingeniería es el método de elementos finitos o FEM (de Finite Element
Method), como se observa en la Figura 4.3. Se utiliza para determinar tensiones, deformaciones,
transmisión de calor, distribución de campos magnéticos, flujo de fluidos y cualquier otro problema de
campos continuos que serian prácticamente imposibles de resolver utilizando otros métodos.
Existen también numerosas herramientas para la optimización de diseños. Se están
realizando investigaciones para determinar automáticamente la forma de un diseño, integrando el
análisis y la optimización. Para ello se asume que el diseño tiene una forma inicial simple a partir de
la cual el procedimiento de optimización calcula los valores óptimos de ciertos parámetros para
satisfacer un cierto criterio al mismo tiempo que se cumplen unas restricciones, obteniéndose la forma
óptima con dicho parámetros. La ventaja del análisis y optimización de diseños es que permite a los
ingenieros determinar cómo se va a comportar el diseño y eliminar errores sin la necesidad gastar
tiempo y dinero construyendo y evaluando prototipos reales. Ya que el costo de reingeniería crece
exponencialmente en las últimas etapas del desarrollo de un producto y en la producción, la
optimización temprana que permiten las herramientas CAE supone un gran ahorro de tiempo y una
notable disminución de costos.
Figura 4.3. Un modelo de elemento finito usado para análisis de tensión y térmico
Entonces, CAD, CAM y CAE son tecnologías que tratan de automatizar ciertas tareas del
ciclo de producto y hacerlas más eficientes. Dado que se han desarrollado de forma separada, aún no
se han conseguido todos los beneficios potenciales de integrar las actividades de diseño y fabricación
del ciclo de producto. Para solucionar este problema ha aparecido una nueva tecnología: la
Fabricación Integrada por Computadora o CIM (de Computer Integrated Manufacturing). Esta
tecnología tiene el objetivo de aunar las islas de automatización juntándolas para que cooperen en un
sistema único y eficiente. El CIM trata de usar una única base de datos que integre toda la
información de la empresa y a partir de la cual se pueda realizar una gestión integral de todas las
actividades de la misma, repercutiendo sobre todas las actividades de administración y gestión que
se realicen en la empresa, además de las tareas de ingeniería propias del CAD y el CAM.
4.2. CAD/CAM en el proceso de diseño y fabricación.
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 lo 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 4.1.
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 mas, se hace necesaria la intervención de las computadoras
para poder satisfacer estas exigencias. Mediante el uso de técnicas de CAD/CAM se consigue
abaratar costos, 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
fabricación respectivamente. Las Figuras 4.4. y 4.5. muestran ambos procesos con más detalle. Las
herramientas requeridas para cada proceso aparecen en las Tablas 4.1. y 4.2.
Figura 4.4. El proceso CAD
Figura 4.5. El proceso CAM
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