1. CAD - Diseño Asistido por Computadora

El diseño asistido por computadoras (diseño asistido por ordenador en España), más conocido por sus siglas inglesas CAD (computer-aided design), es el uso de un amplio rango de herramientas computacionales que asisten a ingenieros, arquitectos y diseñadores. El CAD es también utilizado en el marco de procesos de administración del ciclo de vida de productos.

También se puede llegar a encontrar denotado con las siglas CADD (computer-aided design and drafting), que significan «dibujo y diseño asistido por computadora».

Estas herramientas se pueden dividir básicamente en programas de dibujo 2D y de modelado 3D. Las herramientas de dibujo en 2D se basan en entidades geométricas vectoriales como puntos, líneas, arcos y polígonos, con las que se puede operar a través de una interfaz gráfica. Los modeladores en 3D añaden superficies y sólidos.

CAD fue principalmente inventado por un francès, Pierre Bézier, ingeniero de los Arts et Métiers ParisTech. El ingeniero desarrolló los principios fundamentales de la CAD con su programa UNISURF en 1966.

El usuario puede asociar a cada entidad una serie de propiedades como color, capa, estilo de línea, nombre, definición geométrica, material, etc., que permiten manejar la información de forma lógica. Además se pueden renderizar los modelos 3D para obtener una previsualización realista del producto, aunque a menudo se prefiere exportar los modelos a programas especializados en visualización y animación, como Autodesk Maya, Bentley MicroStation, Softimage XSI o Autodesk 3ds Max y la alternativa libre y gratuita Blender, capaz de modelar, animar y realizar videojuegos.

Elementos de los sistemas CAD

El proceso de diseño en CAD consiste en cuatro etapas.

Modelado geométrico. Se describe como forma matemática o analítica a un objeto físico, el diseñador construye un modelo geométrico emitiendo comandos que crean líneas, superficies, cuerpos, dimensiones y texto; los comandos introducidos dan a origen a una representación exacta en dos o tres dimensiones del objeto. El representado en línea abarca todas las aristas del modelo que se pueden considerar como líneas llenas dando como resultado una imagen ambigua ya que algunas veces las formas son complicadas y para facilitarlo se pueden usar los colores para distinguir las líneas de las piezas y tener una mejor visualización. Sus estructuras se representan en 2, 2 ½ y 3 dimensiones. Cuando hablamos de 2 ½ se utiliza la transformación de la extrusión (sweept), moviendo el objeto de 2-D a lo largo del eje z.1

Análisis y optimización del diseño. Después de haber determinado las propiedades geométricas, se analiza el modelo virtual para rectificar que no haya errores en el modelado (dimensiones, formas, etc.).

Revisión y evaluación del diseño. En esta etapa se comprueba si existen interferencias entre componentes de cierto mecanismo que impidan su correcto funcionamiento o deficiencias estructurales en el caso de cuerpos sólidos. Esta etapa es de gran utilidad, ya que ayuda a evitar

problemas posteriores en la producción del producto, ya sea en el ensamble o en el uso de la pieza. Existen programas de animación y simulación dinámica para el cálculo y análisis de las propiedades físicas (esfuerzos, deformaciones, deflexiones, vibraciones) de los objetos que ayudan a determinar si el objeto cumple con los requerimientos de diseño y de manufactura.

Documentación y dibujo (drafting). Por último, en esta etapa se realizan planos técnicos y de trabajo. Se representan diferentes vistas de la pieza, a escala, incluyendo perspectivas.1 Además de planos del diseño la documentación puede incluir una memoria descriptiva con aspectos no gráficos que sean necesarios para su manufactura, esta clase de datos se suelen agregar en el pie de plano.

2. CAM - Manufactura Asistida por Computadora

Manufactura Asistida por Computadora (CAM) comúnmente se refiere al uso de aplicaciones de software computacional de control numérico (NC) para crear instrucciones detalladas (G-code) que conducen las máquinas de herramientas para manufactura de partes controladas numéricamente por computadora (CNC). Los fabricantes de diferentes industrias dependen de las capacidades de CAM para producir partes de alta calidad.

Una definición más amplia de CAM puede incluir el uso de aplicaciones computacionales para definir planes de manufactura para el diseño de herramientas, diseño asistido por computadora (CAD) para la preparación de modelos, programación NC, programación de la inspección de la máquina de medición (CMM), simulación de máquinas de herramientas o post-procesamiento. El plan es entonces ejecutado en un ambiente de producción, como control numérico directo (DNC), administración de herramientas, maquinado CNC, o ejecución de CCM.

Beneficios de CAM

Los beneficios de CAM incluyen un plan de manufactura correctamente definido que genera los resultados de producción esperados.

Los sistemas CAM pueden maximizar la utilización de la amplia gama de equipamiento de producción, incluyendo alta velocidad, 5 ejes, máquinas multifuncionales y de torneado, maquinado de descarga eléctrica (EDM), e inspección de equipo CMM.

Los sistemas CAM pueden ayudar a la creación, verificación y optimización de programas NC para una productividad óptima de maquinado, así como automatizar la creación de documentación de producción.

Los sistemas CAM avanzados, integrados con la administración del ciclo de vida del producto (PLM) proveen planeación de manufactura y personal de producción con datos y administración de procesos para asegurar el uso correcto de datos y recursos estándar.

Los sistemas CAM y PLM pueden integrarse con sistemas DNC para entrega y administración de archivos a máquinas de CNC en el piso de producción.

3. CAE - Ingeniería Asistida por Computadora

Bajo el nombre de ingeniería asistida por computador (Computer Aided Engineering) se agrupan habitualmente tópicos tales como los del CAD y la creación automatizada de dibujos y documentación. Es necesario pasar la geometría creada en el entorno CAD al sistema CAE. En el caso en que los dos sistemas no estén integrados, ello se lleva a término mediante la conversión a un formato común de intercambio de información gráfica.

Sin embargo, el concepto de CAE, asociado a la concepción de un producto y a las etapas de investigación y diseño previas a su fabricación, sobre todo cuando esta última es asistida o controlada mediante computador, se extiende cada vez más hasta incluir progresivamente a la propia fabricación. Podemos decir, por tanto, que la CAE es un proceso integrado que incluye todas las funciones de la ingeniería que van desde el diseño propiamente dicho hasta la fabricación.

Antes de la aparición de los paquetes de diseño, los diseñadores solo contaban con su ingenio y un buen equipo de delineantes que transportaban al papel sus ideas con un cierto rigor. Es quizás, por este motivo, por el que los primeros paquetes de diseño surgieron como réplica a estos buenos dibujantes, con la ventaja de la facilidad de uso, edición y rapidez.

Conforme el hardware evolucionaba y disminuían los costes de los equipos, los programas eran más rápidos y las bases de datos de mayor tamaño, fue apareciendo un fenómeno de insatisfacción en los usuarios, un buen programa de dibujo no bastaba, era necesario un sistema que diseñara el producto desde el principio (boceto) hasta el final (pieza terminada), siguiendo unas reglas de diseño.

Para realizar la ingeniería asistida por computador (CAE), se dispone de programas que permiten calcular cómo va a comportarse la pieza en la realidad, en aspectos tan diversos como deformaciones, resistencias, características térmicas, vibraciones, etc.

Usualmente se trabaja con el método de los elementos finitos, siendo necesario mallar la pieza en pequeños elementos y el cálculo que se lleva a término sirve para determinar las interacciones entre estos elementos.

Mediante este método, por ejemplo, se podrá determinar qué grosor de material es necesario para resistir cargas de impacto especificadas en normas, o bien conservando un grosor, analizar el comportamiento de materiales con distinto límite de rotura. Otra aplicación importante de estos sistemas en el diseño de moldes es la simulación del llenado del molde a partir de unas dimensiones de éste dadas, y el análisis del gradiente de temperaturas durante el llenado del mismo.

La realización de todas estas actividades CAE dependerá de las exigencias del diseño, y suponen siempre un valor añadido al diseño al detectar y eliminar problemas que retrasarían el lanzamiento del producto.

En resumen, los sistemas CAE nos proporcionan numerosas ventajas:

Facilidad, comodidad y mayor sencillez en la etapa de diseño. Rapidez, exactitud y uniformidad en la fabricación. Alto porcentaje de éxito. Eliminación de la necesidad de prototipos. Aumento de la productividad. Productos más competitivos. Fácil integración, sin problemas adicionales, en una cadena de fabricación. Se obtiene un producto económico, de óptima calidad y en el menor tiempo posible.

4. CIM - Manufactura Integrada por Computadora

Es un método de manufactura en el cual el proceso entero de producción es controlado por una computadora. Típicamente, depende de procesos de control de lazo cerrado, basados en entradas en tiempo real desde sensores.

La propuesta de De Lorenzo para productos de automatización CIM está especialmente diseñada para los estudiantes de ingeniería. Permite el estudio de la teoría y el trabajo práctico con el sistema para obtener conocimientos profundos sobre CIM, que se aplican también a aplicaciones transversales en las siguientes áreas didácticas: Automatización, Neumática, Mecatrónica, Electrónica, Control de procesos.

CIM incluye todas las actividades desde la percepción de la necesidad de un producto; la concepción, el diseño y el desarrollo del producto; también la producción, marketing y soporte del producto en uso. Toda acción envuelta en estas actividades usa datos, ya sean textuales, gráficos o numéricos. El computador, hoy en día la herramienta más importante en la manipulación de datos, ofrece la real posibilidad de integrar las ahora fragmentadas operaciones de manufactura en un sistema operativo único. Este acercamiento es lo que se denomina manufactura integrada por computador.

En el sistema CIM existen cinco dimensiones fundamentales:

Administración general del negocio Definición del producto y del proceso Planificación y control del proceso Automatización de la fábrica

Administración de las fuentes de información

5. QFD - Despliegue de la Función de Calidad

Es un proceso que asegura que los deseos y las necesidades de los clientes sean traducidos en características técnicas. Estas características son manejadas por la compañía mediante la función del diseño, o mejor aún, a través de un equipo multifuncional que incluye ventas, marketing, Ingeniería de diseño, Ingeniería de manufactura y operaciones. El principal objetivo de las funciones realizadas es centrar el producto o servicio en la satisfacción de los requerimientos del cliente. QFD es una valiosa herramienta que puede ser utilizada por toda la compañía. Su flexibilidad y adaptabilidad permite un buen desempeño en las industrias manufactureras y de servicios.

QFD utiliza un método gráfico en el que se expresan relaciones entre deseos de los clientes y las características del diseño. Es una matriz que enlista las necesidades de los clientes QUEs o “atributos” comparándolas con las “características de diseño” COMOs.

Beneficios

Menor Tiempo de desarrollo desde el concepto hasta el arranque de producción. Pocos cambios de ingeniería con el producto en producción. Diseño congruente con las necesidades y expectativas del cliente, a través de equipos

multidisciplinarios. Satisfacción de las necesidades del cliente. Traduce los requerimientos del cliente desde un lenguaje ambiguo a los requerimientos de

diseño específicos para el desarrollo del producto y su manufactura. Los requerimientos del cliente son medibles, alcanzables y potencialmente mejorables. Identifica las características críticas para la calidad (CTQs) del producto y su desempeño en

el mercado.

En la alta

dirección ayuda a que los directivos cambien su forma de dirigir de una orientación hacia los resultados, a un enfoque hacia los procesos que conducen a los resultados.

En la planeación de productos y procesos operativos, ayuda a disminuir, e incluso a eliminar, las iteraciones de rediseño que se realizan en los métodos tradicionales ya que incorpora desde el principio los diferentes enfoques que intervienen en la definición de las características de productos y procesos.

Promueve una mejor comunicación y labor de equipo entre el personal que interviene en todas las etapas, desde el diseño hasta la comercialización del producto.

6. SPC - Control Estadístico de Procesos

Los gráficos de control, basándose en técnicas estadísticas, permiten usar criterios objetivos para distinguir variaciones de fondo de eventos de importancia. Casi toda su potencia está en la capacidad de monitorizar el centro del proceso y su variación alrededor del centro. Recopilando datos de mediciones en diferentes sitios en el proceso, se pueden detectar y corregir variaciones en el proceso que puedan afectar a la calidad del producto o servicio final, reduciendo desechos y evitando que los problemas lleguen al cliente final. Con su énfasis en la detección precoz y prevención de problemas, SPC tiene una clara ventaja frente a los métodos de calidad como inspección, que aplican recursos para detectar y corregir problemas al final del producto o servicio, cuando ya es demasiado tarde.

Además de reducir desechos, SPC puede tener como consecuencia una reducción del tiempo necesario para producir el producto o servicio. Esto es debido parcialmente a que la probabilidad de que el producto final se tenga que retrabajar es menor, pero también puede ocurrir que al usar SPC, identifiquemos los cuellos de botella, paradas y otros tipos de esperas dentro del proceso. Reducciones del tiempo de ciclo del proceso relacionado con mejoras de rentabilidad han hecho del SPC una herramienta valiosa desde el punto de vista de la reducción de costes y de la satisfacción del cliente final.

Conceptos Fundamentales de SPC

La filosofía de administración por calidad total se basa en el mejoramiento constante del proceso, con la finalidad de prevenir que se elaboren productos ó servicios defectuosos. Por lo tanto un

elemento fundamental en esta filosofía es el control del proceso. Es indispensable este control, pues en todo proceso está latente el fenómeno de la variabilidad.

Variabilidad

Los factores que provocan este fenómeno son entre otros:

• La maquinaria ó herramienta empleada, que no trabaja siempre de la misma manera.

• La materia prima, que no tiene en todo momento las mismas características.

• El factor humano, cuyo trabajo depende de muchas circunstancias externas e internas.

Con el control del proceso no se trata de suprimir la variabilidad sino de reducirla

7. FMEA - Análisis de Fallas

El Análisis de Modo de Falla y Efecto, mejor conocido como FMEA por las siglas en ingles de Failure Mode Analysis and Effects es una herramienta simple, versátil y poderosa que ayuda al equipo a identificar los defectos en el proceso que deberían ser eliminados o reducidos. La meta del FMEA es la de delinear los pasos del proceso que están en riesgo de contribuir a una falla.

El FMEA es una aproximación estructurada para:

Identificar las formas en las que el proceso puede fallar para cumplir con los requerimientos críticos del cliente.

Estimar el riesgo de las causas específicas de esas fallas. Evaluar el plan de control actual para prevenir que ocurran fallas. Priorizar las acciones que tiene que llevarse a cabo para solucionar algún problema en el

proceso.

Propósito y Beneficios del FMEA

Mientras que el enfoque de equipo en la etapa de Análisis era la

identificación de los elementos críticos que controlan la insatisfacción del cliente, con el FMEA se tendrán beneficios adicionales que incluyen la habilidad para:

Documentar y darle seguimiento a las acciones que se están llevando a cabo para reducir un riesgo.

Identificar los pasos que generan y los que no generan valor. Identificar la variación del proceso causada por el personal o su entrenamiento. Mejorar la calidad y confianza de productos y servicios Reducir el tiempo y costo de desarrollo del producto.

Esta herramienta requiere de la participación y experiencia de un equipo multifuncional para su desarrollo, el FMEA es liderado por la persona que es responsable del sistema, el producto o el servicio que necesita mejorar. Para cada paso del proceso, el equipo debe de identificar:

1. Modos de falla. Las formas con las cuales el requerimiento o el proceso puede fallar para cumplir con lo especificado.

2. Causas potenciales. Son las deficiencias que pueden resultar en un modo de falla. Las causas potenciales son fuentes de variación y están normalmente asociadas a las entradas clave del proceso.

3. Efectos potenciales. Este es el impacto al cliente si el modo de falla no es prevenido o corregido.

Una vez que el equipo ha identificado el modo de falla, se calcula el RPN (Risk Priority Number) para cada modo de falla, esto se hace de la siguiente forma:

RPN = Severidad X Ocurrencia X Detección

8. DFMA - Diseño para Manufactura y Ensamble

En la actualidad, las empresas mundiales más grandes y rentables hacen uso de técnicas y herramientas propias del DFMA para:

Analizar la cadena de costes de gestión. Simplificar los productos y mejorar la calidad Mejorar la comunicación entre los departamentos de diseño, fabricación, compras y

gestión. Recortar los costes de fabricación y montaje

Estas metodologías y herramientas fueron introducidas en la industria por el Dr. Boothroyd y el Dr. Dewhurst in 1983. De hecho, ellos son los propietarios de la marca registrada “DFMA”. Desde entonces, empresas de mundos tan dispares como el de la automoción, maquinaria agrícola, ordenadores, instrumentación, mobiliario, etc, han recortado millones de euros de sus costes de

fabricación y montaje de productos aplicando estas técnicas. Además estos productos acostumbran a tener una estructura modular que facilitan el mantenimiento y la reparación.

Las decisiones tomadas en la fase de diseño comprometen el 70% del coste del producto. Si se desea reducir los costes de un producto, una posible línea de actuación sería a través del DFMA mediante una optimización del diseño del producto. Las empresa, tradicionalmente, diseñan un producto asumiendo que los costes de fabricación y montaje son los mismos que los de productos similares. En ocasiones, los propios diseñadores carecen de la información necesaria que les permita cuantificar los costes de cada conjunto o soluciones alternativas.

La aplicación de las técnicas DFMA en la etapa de diseño permite:

• Facilitar las operaciones de fabricación y montaje • Disminuir los costes de fabricación y montaje • Disminuir las inversiones y los costes de utillajes • Optimizar el uso de las herramientas y equipos de fabricación y montaje • Disminuir los costes de gestión • Aumentar la flexibilidad de la fabricación • Aumentar la configurabilidad de los productos • Disminuir el tiempo de introducción en el mercado • Disminuir los almacenajes intermedios, de expedición y la ocupación de espacios en general • Unificar componentes con la consiguiente disminución de costes de compra y menores referencias a gestionar.