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En el camino a la digitalización el diseño CAD juega un papel clave en la empresa
A continuación, presento algunos puntos sobre las ventajas del uso del diseño CAD en la empresa y veremos el impacto que tiene usar una sola fuente de verdad basada en el producto digital. En muchas empresas se desarrollan nuevos productos o se reciben diseños para su maquila. En ambos casos implica tener un software de diseño para crear estos diseños o leer el que nos envió nuestro socio, proveedor o cliente.
El flujo de información en el desarrollo de producto
Primeros bocetos
Pensemos el caso de una empresa que desarrolla nuevos productos. Donde el área de marketing despierta el interés de su cliente en un producto a desarrollar y se reúne con él para evaluar el proceso de ideación y creación que seguramente involucrará consulta a estudios de demanda, “design thinking”, “focus groups” y reuniones de innovación. Ya en esa fase se involucran las primeras propuestas de sketches y bocetos del producto en cuestión, estas propuestas pueden comenzar en trazo de lapis y concluir en modelos estilizados CAD, habrá de presentarlas de tal manera que desplieguen como una galería de imágenes para las juntas de avance, de forma y función, escenarios de costos y de fabricación.
Un sketch de producto en su fase conceptual (imagen por @behance)
Para llevar un control los primeros conceptos deben ser almacenados para no perder el flujo de innovación y etiquetar los avances. Pensemos en una base de datos de innovación con un almacén de ilustraciones, modelos orgánicos 3D, renders, sketches o conceptos, la cual podamos consultar en cualquier momento visualmente, por referencias y formas similares.
Con las nuevas técnicas de fabricación, el diseño de productos puede incluir formas que antes no podíamos lograr, piensa en la manufactura hibrida, pero antes de seguir, el plan de producción y los escenarios de costos deben tomarse en cuenta antes de tomar riesgos.
Una serie de renders presentan una idea de diseño (imagen por Keyshot de Luxion)
La imagen muestra un estudio de la compañía Parker en el desarrollo de producto para determinar si vamos por valor o complejidad.
Diseño de producto
En seguida, una vez que nuestro personal de ventas y cliente decida sobre el candidato a producto, habrá que solicitar una cotización de este y por tanto tendrá que existir un diseño como propuesta. La solicitud iría directo al área de diseño, donde se presentará un cálculo del producto representado hoy en día como un modelo 3D y su correspondiente dibujo o plano con dimensiones generales. En empresas más adelantadas con el modelo 3D será suficiente utilizando la técnica de MBD (Model Based Definition) como herramienta que represente el producto virtual. Esta propuesta será revisada por un comité técnico para luego mostrar al cliente, si hay algún comentario habrá que hacer una siguiente edición de la propuesta y mostrar de nuevo hasta aprobación final. Este flujo implica tener la herramienta de diseño adecuada para responder rápido, un control de dibujos o diseños apegado a procedimientos estándares como ISO y una base de datos para consulta de diseño y versiones. El programa de diseño CAD debe contemplar opciones de diseño libre, directo, paramétrico y demás.
Ejemplos de la representación del diseño por Autodesk
Respecto a los procedimientos se debe contemplar tener un flujo de información bien definido en el diseño de producto congruente con algún estándar para propósitos de auditorías y buenas prácticas, mismo que se reflejará en el PDM o PLM y que te ayudará a monitorear tus KPIs y ciclos de desarrollo y otros indicadores.
La fabricación de un prototipo rápido de un producto integral o en ensamble es un valor añadido que sirve para validar el diseño en forma y función. Es un acompañante natural al momento de presentar un proyecto de cotización o cierre, en particular en productos sofisticados. La técnica puede dé por impresión 3d, manufactura aditiva u otros procesos. En el caso de la impresión 3D se recomienda usar equipo de uso industrial, si no es posible adquirirlo utilizar el servicio de una agencia.
Administrar diseños, versiones y colaborar
Hasta aquí ya tenemos dos fases donde se han realizado trazos y diseños los cuales hay que almacenar, en este momento un sistema PDM puede resolver la situación. La comunicación y colaboración con equipos también entra en juego, por lo que habrá que habilitar un flujo de trabajo que le de acceso a los involucrados en acceder información del proyecto de nuevo producto. Además, se ven oportunidades de enlaces a sistemas como de costos, precios, abastecimiento por lo que la conexión a un ERP sería algo natural incluyendo un visor CAD. En este sentido nuestro sistema CAD debe ser fácil de conectar a un sistema PDM y este a un ERP.
Los programas CAD en el caso de ensambles, pueden extraer información de cantidad de piezas por material y listas de materiales que serán útiles para el área de compra de la empresa. Además, se puede añadir el valor agregado del efecto de huella de carbono al medio ambiente en base al material designado para mantenernos sustentables. Al usar las consultas a esta base de datos tendremos la analítica necesaria para tomar mejores decisiones.
El proceso PLM en el desarrollo de producto para tener trazabilidad de la vida del producto desde su concepción. (imagen por Capgemini)
Simulación
Antes de seguir avanzando, esta fase de viabilidad técnica es posible incluirla como evaluación de nuestra propuesta del diseño de nuevo producto para simular su comportamiento físico y dar mayor valor al cliente. Se utilizan técnicas de análisis o estudios de simulación, donde sometamos el diseño preliminar a pruebas virtuales que nos adelantara información sobre el comportamiento del producto en términos de deformación, temperatura o de otra índole.
Un estudio de simulación en un envase de plástico proceso de inyección por Dassault Systèmes
Al usar simulación se reducen los prototipos físicos. Los materiales juegan un papel crucial en la definición del comportamiento, estimar los esfuerzos a que se someterá el producto nos ayudará en gran medida a justificar el diseño del producto. En esta fase tenemos que pensar que nuestro software de diseño CAD tenga opciones de ejecutar análisis de ciertos fenómenos o en su defecto debemos adquirir uno que sea compatible para la simulación de fenómenos. Por lo que la inversión implica añadir una aplicación más a nuestro escenario, con la justificación de dar mayor valor al cliente a través de una propuesta segura evaluada virtualmente para ahorrar pruebas físicas. Las empresas que dan este servicio se distinguen de la competencia.
Los estudios que ofrece la plataforma de software Simcenter de Siemens y su enlace a multifisica.
Cabe mencionar que los estudios CAE se almacenan también en el sistema PDM, que conforme avance este proyecto de ciclo de vida de producto se convertirán en un PLM por incrementar el flujo de información. (Ver Que es PLM).
Una filmina de presentación de la empresa Cummins señala que al integrar las pruebas mediante simulación obtendrás productos buenos a la primera (imagen por Ansys)
Propiedad intelectual
El diseño es el activo digital más importante de la empresa
El proceso de aceptación del diseño de nuestra empresa con el cliente quedo cerrado, ya tenemos la orden de compra y es hora de comenzar a trabajar el nuevo pedido. Es importante mencionar que, al ser nuevo producto, la información de la propiedad intelectual queda resguardada en la información del diseño para lo relacionado a el intercambio de información con proveedores y otros socios. El diseño CAD vendrá a ser el activo digital más importante de la empresa y la base de datos donde se encuentre será la única fuente de verdad para el resto del proceso. La mención es por ser una mejor practica de diseño, ya que hoy en día muchas empresas siguen almacenando diseños en sus computadoras, con el potencial error de equivocarse de versión y sus implicaciones de costo asociadas. Como nuevo producto se recomienda su registro ante la institución gubernamental correspondiente, los documentos que la avalan se almacenaran en el PLM.
El diseño CAD vendrá a ser el activo digital más importante de la empresa y la base de datos donde se encuentre será la única fuente de verdad para el resto del proceso.
De aquí en adelante todos los productos que se vendan tendrán como acompañante su gemelo digital. El diseño CAD será este gemelo virtual.
Ingeniería
Como siguiente paso tenemos la generación del diseño de la ingeniería del producto que incluye las herramientas o tooling, del proceso o la documentación para la fabricación del producto. Supongamos que debemos diseñar moldes para nuestro producto. La geometría que los ingenieros tomaran vendrá de la única fuente de verdad que recién mencionamos como versión autorizada. De ahí se genera toda la información de moldes, troqueles, aditamentos, fixtures, etc. El modelo maestro de producto CAD será el punto de partida para comenzar, y en base a él se harán las cavidades o formas necesarias para crear el utillaje y formar la pieza. Estas cavidades o formas deberán considera las holguras asociadas a fenómenos térmicos y otros datos. El software de diseño de la ingeniería puede seguir siendo el mismo usado en diseño de producto. Sin embargo, van a requerir funciones adicionales, por ejemplo, formado de lámina, extrusión, generación de corazones o cavidades, etc.
Los dibujos de cada pieza deben documentarse para ofrecer al personal de fabricación toda la información necesaria. Al terminar de documentar el diseño de ingeniería y sus dimensiones podemos realizar un análisis o estudio de tolerancia a estas, inspeccionar el diseño para ver si está bien representado y se ajusta a las métricas diseñadas. Las tolerancias limitan las variaciones admisibles en tamaño y la holgura para ensambles. Los programas CAD cuentan con estos estudios, en ocasiones hay que recurrir a aplicaciones más especializas para GD&T y control de calidad del diseño.
Un análisis de tolerancias en el programa Sigmetrix
A cada componente del tooling que sea candidato se le deberá realizar un estudio de simulación para evaluar su comportamiento, propiedades y resistencia de materiales. Es común que las empresas tengan su propio departamento de analistas de ingeniería que se dediquen en exclusiva a correr estudios de simulación, el poder de procesamiento es un punto clave y puede discutirse la idea de hacerlo “inhouse” o subcontratar. Es probable que haya que hacer impresión 3D de algunos componentes clave del utillaje en plástico o aditamentos de metal para validar su forma y función en las máquinas donde trabajarán. El almacenamiento de la información va directamente al PLM.
Procesos de manufactura para fabricación del herramental
Conectar a la fábrica es uno de los pasos más importantes. La gerencia o proveedor de manufactura, recibe los diseños CAD de aditamentos y herramental, utilizará esta información hecha por ingeniería que esta su vez utilizó del diseño de producto.
El software CAD juega un rol importante en este paso ya que, si el proceso de fabricación de aditamentos, fixtures, troqueles o modelos implica mecanizado, formado, fundición u otro proceso, estos tomaran su información para ejecutar las rutinas de corte, doblado o los modelos de los corazones de arena. En este caso los programas necesarios son los denominados programas CAM que leen la información CAD y ejecutan virtualmente los cortes, añadidos, dobleces, taladros u otros procesos de manufactura. Las rutinas de corte, parámetros de manufactura, información de herramientas, maquinas, librerías, etc. se almacena en el PLM.
La imagen muestra un ecosistema de soluciones del software PowerMill de Autodesk para resolver varias operaciones de mecanizado por máquinas herramientas
El diseño de producto CAD se dibujó o modeló a escala real en las medidas finales que tendrá en la vida real. El utillaje para crearlo se modeló considerando las expansiones o contracciones necesarias según su proceso y material. Los modelos CAD de ingeniería que representan estos diseños ya tienen este factor aplicado, de manera que los programas de mecanizado tomaran de ahí esta información. Los programas de mecanizado se aplicarán directo a los diseños de ingeniería en diferentes operaciones como torno, fresa, corte EDM, hilo, chorro de agua, por mencionar algunos. Otros procesos aplicables por ejemplo en lamina son el trazo de los perfiles de anidado y los programas de corte. Para el proceso de fundición se tomarán en cuenta las cavidades para crear los corazones y mecanizar estos para usarlos en la producción de moldes de fundición.
El proceso de manufactura aditiva es una técnica que destaca cuando, la geometría irregular del producto impida que los procesos tradicionales se apliquen. Cuando la pieza a fabricar incluye geometría reticular, canales conformales o microestructuras es cuando esta técnica toma ventaja. Desde un inicio el diseño CAD es usado como punto de partida y usar lo que en inglés se llama DFMA o diseño para manufactura aditiva, en ese software se encontraran las facilidades para incorporar estas técnicas de modelado novedoso, incluyendo diseño generativo y optimización topológica. El resultado ira directo a la máquina de impresión 3D y la salida podrá corroborarse contra el modelo CAD. El mejor acabado y obtención de calidad en la pieza dependerá de la tecnología de la maquia de impresión 3D, un tema que no abordaremos aquí.
Se muestra la geometría reticular, imagen cortesía del software nTopology
Cada rama del proceso de manufactura implica una aplicación especifica, lo que queremos demostrar es que el modelo CAD de diseño de producto sigue siendo el patrón maestro para cada una de estas disciplinas. En otros documentos se explica cada uno de estos procesos.
Operación en Planta
La ingeniería de proyectos en el piso de fabricación o en planta, además de la gente de operaciones requiere saber sobre las instalaciones, que maquinas hay en inventario, celdas de robots y flujo de operación para mantener una eficiencia operativa.
Una ilustración de la fábrica digital
Si hablamos de sacar ventaja del modelo CAD en el proceso podemos pensar en, modelar el taller o piso de fabricación. Modelar virtualmente las máquinas que operan, saber los layouts de operación, personal involucrado tiempos y movimientos en el piso implica una nueva manera de pensar de forma holística. Estos departamentos de operaciones de planta pueden hacer el comisionamiento virtual.
Por ejemplo, podemos ver nuestro gemelo digital de la producción, saber si nuestro tooling virtual diseñado por ingeniería ensambla en la maquina donde operará, saber si el molde montará bien, accionar la máquina virtual y ver que no haya interferencias entre aditamentos. Hay una gran cantidad de evaluaciones que podemos hacer de la ingeniería contra la máquina del taller. Si vamos a detalle, es posible ver operar la máquina herramienta virtual con toda su funcionalidad como gemelo digital, cada día vemos más ejemplos aplicados en robots en planta. O podemos recorrer las instalaciones en 3D para estudiar el flujo y avance de producción, considera recorridos de robots, montacargas y personal, hasta llegar a estimar una eficiencia de operación. Aquí ya comienza a notarse la digitalización de la empresa donde todo partió del modelo de diseño CAD.
Control de calidad y metrología.
Al final de cada etapa de este proceso de diseño y fabricación se debe tener un filtro de aprobación de cada actividad. El control de calidad al final de las líneas de fabricación es lo más común, el personal de inspección o laboratorio de metrología validaran si la pieza fabricada cumple con los requisitos del diseño de producto CAD. Una vez más aparece este tema, los procesos de revisión tomaran en cuenta la geometría descrita en producto y la comparan contra los moldes, troqueles, fierros o producto final para revisar su cumplimiento mediante varias técnicas. Una de ellas es escaneo 3D del producto o molde y su comparación contra el modelo de diseño de producto.
La imagen muestra un laboratorio de metrología usando una máquina de medición de coordenadas CMM (imagen por LK Metrology)
Los controles de calidad se pueden aplicar en cada etapa de este ciclo, incluso en el de diseño de producto, donde se revisan las tolerancias aplicadas, representación geométrica, medidas de masa, volumen, notas, ortografía y demás. Una vez aprobado el diseño en cuestión, se asigna alguna huella de agua de control para almacenar este diseño probado en el PLM y que el resto del equipo no tome una versión no valida en el proceso. Abriendo nuestro panorama, esta evaluación o revisión pudiera ser ejecutada por un programa o API en base al conocimiento y reglas de diseño de cada empresa. Pensando en grande, si tienes ya un dominio de tu proceso, puedes pensar en incorporar inteligencia artificial, aprendizaje de máquinas o redes neuronales para enseñar a tus sistemas y que ejecuten una verificación del diseño.
El gemelo digital del proceso de manufactura es crítico para conseguir ideas innovadoras y materiales para productos reales (imagen por Siemens Digital Industries Software)
Logística
En la planeación de la demanda y del transporte, el diseño de producto CAD se utiliza en determinar capacidades de líneas de fabricación virtuales al simular el producto en máquinas y determinar capacidades. El análisis del flujo de avance en la línea de fabricación incluyendo ergonomías e interacción apoyan estos cálculos.
Los transportes se pueden calcular usando el diseño de producto 3D y su empaque para encontrar el acomodo, peso y estudiar la carga o estibas que soporta el transporte. Los estudios de vibración añaden valor al simular lo que resistirá el producto en base al escantillón diseñado para alojar el producto en el transporte.
Vida del producto
Algunos comentarios sobre el uso del diseño CAD en la vida del producto, desde su concepción hasta el uso en campo.
- Re imaginar el diseño, con técnicas de diseño generativo, optimización topológica, aligeramiento y diseño adaptativo.
- El producto puede visualizarse en el anaquel, showroom, sitio web, por realidad virtual y aumentada antes de que exista físicamente.
- El marketing puede diseñarse con la versión digital del producto como render, considerando sus características y propiedades.
- La documentación técnica y las instrucciones de trabajo para el ensamble del producto se generan desde el diseño CAD.
- El gemelo digital del producto lo acompañará hasta su destino final, podrá ser usado por consumidores para recrear nuevos escenarios y procesos.
- El monitoreo de nuestros productos se hará desde IoT, se mostrará la vida útil y los datos se desplegarán en el diseño CAD original.
- Un ejemplo radical es el coche autónomo como producto, donde la retroalimentación del ADAS (driver assistance systems) es clave para el desempeño.
Analítica por IoT en el desarrollo de productos
Anexo sobre aplicaciones de software que resuelven este flujo de información de desarrollo de producto.
Esto depende de tu producto, proceso y materiales involucrados, por ejemplo, si es corte de lámina y su formado, o un producto de plástico, fundición, etc. Las aplicaciones de diseño ya las encuentras para uso local o en la nube. Hay ecosistemas o serie de programas de una sola marca que reúnen todas las soluciones, por ejemplo, 3DEXPERIENCE de Dassault Systèmes, Xcelerator de Siemens o Atlas de PTC.
Las industrias que atiende la plataforma de software en la nube 3DEXPERIENCE de Dassault Systèmes
Hay aplicaciones CAD muy económicas que te ayudaran a sacar el trabajo a un precio mínimo, por ejemplo, si solo documentas diseños, dimensionas planos o si tu proceso no implica mucha complejidad. Aquí hay un artículo de los programas CAD que te ayuda en el proceso de diseño a bajo costo.
Si por otro lado tu producto tiene cierto nivel de complejidad, pertenece al sector de plástico, metalmecánico como ensamble de varios materiales, o implica mecatrónica, se puede recurrir a lo que en inglés se le llama mainstream, programas como Solid Edge de Siemens, SolidWorks de Dassault Systèmes, Fusion de Autodesk, te ayudaran a obtener la demanda que implica el diseño. Incluso estos tienen un ecosistema de aplicaciones para manejo adicional.
Un ejemplo de ecosistema de software mainstream como Solid Edge, imagen por Siemens
El software con funciones especiales de diseño de producto como estilizado, modelado orgánico o representación “b-rep” útiles en diseño industrial se pueden encontrar en Rhino o Alias de Autodesk.
Si perteneces al sector automotriz, médico o aeroespacial tendrás que considera el “high end” o aplicaciones de alto nivel como el software NX de Siemens, Catia de Dassault Systèmes, PTC Creo.
La solución e infraestructura de PLM requiere que trabajes con tu proveedor para encontrar primero el mapa de como fluye la información y los participantes. Una vez hecha esta consultoría estarás listo para evaluar opciones y decidir la compra. Algunos ejemplos de estos programas son Teamcenter de Siemens Digital Industries Software, Windchill de PTC, Enovia de Dassault Systèmes, o Aras.
Las aplicaciones de especialidades en manufactura tienen que ver con tu proceso, por mencionar algunas en mecanizado Mastercam, Edgecam de Hexagon, CamWorks. En formado y corte de lámina Lantek, Pamstamp. En fundición ProCast de ESI Group. En diseño y manufactura de troqueles Forming Suite de Hexagon, Autoform. En diseño de turbo maquinaria ConceptsNrec de Hexagon. En simulación Ansys, MSC Software de Hexagon, Simulia de Dassault Systèmes, Simcenter de Siemens Digital Industries Software, En fin, el panorama es muy amplio por lo que se recomienda la asistencia de un consultor o de su proveedor para hacer la recomendación.
Los equipos de cómputo son importantes, para estas actividades se les llama normalmente Workstations, deberán soportar la cantidad de datos que manejas en tu proceso, una alternativa está en usar el almacenamiento local o en la nube. Los equipos de cómputo para diseño manufactura e ingeniería deben ser robustos en su GPU.
Los equipos de impresión 3D de la industria deben ser profesionales, si no justificas su compra considera subcontratar sus servicios, localiza la proveeduría local que te puede ayudar. Y créeme, los equipos de escritorio de filamentos de bajo costo no son una opción en uso industrial.
En el caso de ingeniería inversa, inspección y metrología generalmente hay que hacer un estudio sobre si conviene invertir en ellos o subcontratar sus servicios, depende de la visión de la dirección de tu empresa. Desde nuestro punto de vista casi siempre se justifica la inversión contra los posibles problemas de calidad que se pueda escapar por no tener estos equipos.
Finalmente, bajo este esquema vemos que hay una cantidad de aplicaciones de software y hardware a manejar, se puede volver complicado la administración o tenencia de estos activos digitales, por lo que es posible considerar un manejador de licencias, de usuarios e inventarios de software. Bajo este régimen estarás siempre bien con el área d control interno. Algo más, como vez esta administración se vuelve complicada, implicara costos de IT que no se veían, por lo que resulta interesante manejar la nuble pública o privada para resolver esta situación y bajar costos de tenencia y personal. Una alternativa es subcontratar esta administración.
Si es de tu interés 3DCadPortal te puede apoyar en la consultoría e implementación de estas tecnologías.
Por: Sergio Alvarez, editor de 3DCadPortal info @ 3dcadportal.com
