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• Rodolfo Garduño Colín

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1.  INGENIERIA ASISTIDA POR COMPUTADOR. (Sistemas CAE) 

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. 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 ultima es asistida o  controlada mediante computador, se extiende cada vez mas 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. 

1.1  LAS HERRAMIENTAS CAE 

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.  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, como  puede ser el formato IGES.  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. Este método permite, en  un ordenador, la búsqueda de una solución aproximada suficientemente válida, a

costa de despreciar la continuidad de la materia que obligaría a integrar  ecuaciones diferenciales de difícil resolución,  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  limite de rotura También se podrán hacer cálculos iterativos automáticos,  parametrizando una variable y averiguando qué valor de longitud y altura son  necesarios para garantizar una determinada rigidez .Es posible, además,  determinar las frecuencias propias de la pieza, dada una determinada forma de  fijarla. Si estos modos propios de vibración son demasiado bajos, facilitando una  entrada en resonancia, se actuará sobre el diseño para elevar el valor de estas  frecuencias, alejándolas de las zonas de riesgo. 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 

1.2  TRANSFERENCIA DE ARCHIVOS 

Es el intercambio de archivos por medio de convertidores los cuales cambian el  formato del archivo para así llevarlos a otros programas. Dichos archivos pueden  ser obtenidos tanto de paquetes gráficos (Publicitarios) como de otros tipos de  programas CAD.  Estos son algunos archivos de transferencia:

2.  EVOLUCION DEL CAE. 

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, como por ejemplo, un plano de montaje de PBC con sus  dimensiones, taladros, pistas, etc. Es quizás, por éste motivo, por el que los  primeros paquetes de diseño surgieron como replica a éstos buenos dibujantes,  con la ventaja de la facilidad de uso, edición y rapidez.  Conforme el hardware evolucionaba y disminuían los costos 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 (dibujar el esquema) hasta el final (placa de circuito impreso terminada),  siguiendo unas reglas de diseño.  Como consecuencia de estas necesidades surgieron los paquetes de CAE, cuyas  reglas de diseño referidas al CAE ELECTRONICO, podemos tipificarlas en:  * Capturas de esquemas.  * Diseño de circuitos analógicos y digitales.  * Simulación lógica y analógica de dichos circuitos.  * Análisis térmico.  * Diseño de PCB.  * Proceso de electromecánica.  Las ventajas de uso de los paquetes CAE son:  * Facilidad y comodidad en el 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.

3.  PRESENTE Y FUTURO DEL MERCADO DEL CAE. 

Actualmente se considera que un 30 % de los diseños industriales se realizan con  herramientas CAE. Teniendo en cuenta la cada vez mayor complejidad y  competitividad del mercado, se prevea que antes del 2000, el grado de utilización  rondara el 80 %.  La falta de sistemas de diseño va asociada a rediseños que se realizan sobre la  marcha, con la consiguiente perdida de tiempo y dinero. El factor tiempo también  repercute de forma prioritaria en el desarrollo de prototipos.  Los circuitos son cada vez mas complejos, desarrollando mayor número de  funciones y a pesar de todo, deben diseñarse en un menor plazo de tiempo. La  competencia es cada día mayor y el tiempo de lanzamiento del producto es  primordial a la hora de conseguir mayores beneficios. Por último, podemos citar la  ausencia, prácticamente total, de formación con herramientas CAE de los  estudiantes de ingeniería. Unos de los éxitos educacionales consistirá en preparar  a éstos estudiantes en el entorno industrial que le espera donde los sistemas  integrados CAE están convirtiéndose en estándares.

4.  CARACTERISTICAS DE LOS SISTEMAS CAE. 

Las características de cualquier paquete de CAE, partiendo de la base del CAD,  podemos enfocarlas bajo dos aspectos y en cada uno de estos aspectos, dos  niveles: HARDWARE y SOFTWARE: 

4.1  A nivel de HARDWARE:   1.  Necesidad de tarjetas gráficas y monitores que presenten una resolución y  color adecuados, respectivamente: EGA, VGA, SUPERVGA,  ANALOGICAS.  2.  Velocidad de ejecución y presentación de gráficos suficiente, lo que obliga a  trabajar con AT como mínimo (80286) a 12 MHz, y para gráficos de gran  densidad, a utilizar un coprocesador.  3.  Periféricos de E/S adecuados, ratones y tabletas digitalizadoras a la  entrada y plotters e impresoras láser de salida.  4.  Memoria RAM suficiente (640 Kb mínimo) y disco duro (20 Mb mínimo). 

4.2  A nivel de SOFTWARE:   1.  Herramientas gráficas adecuadas (menús tipo persiana con selección de  opciones mediante ratón, menús tipo iconos, etc., siempre procurando dejar  el máximo espacio libre de pantalla).  2.  Niveles adecuados, tanto lo referente a escalas como lo referente a zoom.  3.  Edición adecuada, tanto de texto (tamaño y tipos de letra, escritura vertical  etc.), como de gráficos (buena resolución acorde con el hardware).

4.  Fácil colocación, copia, borrado y desplazamiento de objetos.  5.  Menús de ayuda (on­line) y de configuración lo más flexible posible (drivers  de todo tipo) de forma que no exista la obligación de utilizar un número  reducido de equipos.  6.  Librerías de objetos, lo más extensas posibles. Opción de personalizar  librerías.  7.  Creación de ficheros que puedan ser exportados o importados por otros  paquetes. 

5.  CARACTERISTICAS ESPECIFICAS DE UN PAQUETE CAE. 

1.  Amplia biblioteca de componentes, lo mas actualizada posible y con  posibilidad de edición de componentes.  2.  Recomposición automática de líneas de conexión.  3.  Numeración automática de componentes.  4.  Incorporación de uno o más comprobadores de normas y reglas eléctricas.  5.  Conversión de esquemas de versiones anteriores.  6.  Simulación de circuitos integrados.  7.  Obtención del circuito impreso a partir del esquema eléctrico, mediante  trazado manual o automático.  8.  Análisis térmico.  9.  Interfase para control numérico.

6.  ETAPAS Y DESARROLLO DE PROCESOS CAE 

6.1  EL CAE EN LA ETAPA DE SÍNTESIS:  DISEÑO PARA MANUFACTURA Y ENSAMBLE 

La etapa de síntesis en el proceso de diseño enriquece el producto adicionando  detalles y reconfigura el producto aplicando el principio DFMA.  El DFMA es cualquier procedimiento ó proceso de diseño que considera los  factores de producción y ensamble desde el diseño del producto.  El uso de DFMA se justifica por que el proceso de diseño impacta (70%) en el  costo del producto fijado por decisiones importantes acerca del material, procesos  y requerimientos de ensamble. Softwares de CAE ayudan al diseñador a calcular  costos para diferentes alternativas de solución. 

6.2  El CAE EN LA ETAPA DE ANÁLISIS: FEA Y MASS PROPERTIES  ANALISYS  En la etapa de análisis del proceso de Diseño las aplicaciones de CAE que se  aplican son las de Finite Element Analysis y análisis de propiedades de masa.  La técnica de elementos finitos se define como:  Es una técnica para analizar y estudiar el desempeño funcional de una estructura  ó circuito dividiendo el objeto en un número de pequeños bloques llamados  elementos finitos, que son conectados unos con otros en puntos llamados nodos.  Los softwares de FEA tienen ecuaciones matemáticas que describen como estos  nodos responden cuando es aplicado un estímulo externo o fuerza. Las soluciones  simultáneas de las ecuaciones que representan a cada elemento finito producen la  respuesta total de la parte.

6.2.1  ANÁLISIS DE ELEMENTO FINITO 

Las características de los softwares de FEA son las siguientes: 

• Análisis estático : Determina deflexiones, esfuerzos y deformaciones en una  estructura la cual tiene una carga fija aplicada. 

• Análisis de transitorios dinámicos : Calcula deflexiones y esfuerzos bajo  condiciones de carga variables.  • Análisis de fluido : Determina el flujo, difusión y dispersión de un fluidos bajo  diferentes condiciones controladas. 

• Análisis de transferencia de calor : Determina la distribución de temperatura en  estado estable y transitorio cuando una carga térmica es aplicada. 

• Análisis de movimiento : Procesa las propiedades geométricas (velocidades,  desplazamiento y aceleración) requeridas por un mecanismo para producir el  movimiento deseado.

6.2.2    EJEMPLOS DE ANALISIS DE ELEMENTOS FINITOS

7.  EL CAE EN LA ETAPA DE EVALUACIÓN: PROTOTIPO RÁPIDO 

• Tecnología que permite la creación de Modelos físicos de un  producto, previa a su industrialización  • Los objetivos de la Tecnología son:  – Estéticos  – Dimensionales  – Funcionales  – Experimentales  • Beneficios:  – Disminuir costos  – Reducción de tiempos  – Existencia de un modelo físico 

7.1  TECNOLOGÍA DE PROTOTIPOS RÁPIDOS 

Es una técnica usada para manufacturar una muestra de un nuevo diseño  rápidamente. Estos sistemas dividen electrónicamente el modelo de CAD de una  pieza en secciones transversales delgadas y entonces transforman el diseño, capa  por capa, en un modelo físico ó prototipo.

CONCLUSIÓN 

El CAE es el conjunto o la interrelación de procesos CAD  CAM, con softwares  que contienen  bases de datos de conocimientos de ingeniería, que tiene como  objeto la unificación de los procedimientos de  diseño, manufactura, producción,  mantenimiento y optimización de cualquier dispositivo o proceso, llevándolo a ser  competitivo y aceptado por el mercado y la sociedad. 

El futuro se muestra ambicioso tecnológicamente hablando, por la introducción de  las Células de fabricación flexible y el gran avance de los Computadores y de los  Robots. Todo ello lleva a pensar que en un futuro próximo la "FABRICA  AUTOMATICA" será una realidad. 

BIBLIOGRAFIA 

La información redactada en este trabajo es fruto de una intensa búsqueda en el  Internet, en un gran número de páginas. Las direcciones son muy extensas y por  lo tanto no consideramos citarlas en este trabajo.