Informática Industrial: la nueva forma de trabajar: Fabricación Asistida por Computadora

La fabricación asistida por computadora, también conocida por las siglas en inglés CAM (Computer Aided Manufacturing), implica el uso de computadoras y tecnología de cómputo para realizar de forma automática o semiautomática todas las fases de manufactura de un producto, incluyendo la planificación y control del proceso, la producción, la administración de recursos y el control de calidad.

Debido a sus evidentes ventajas, se suele integrar el diseño y la fabricación asistidos por computadora mediante el empleo combinado de sistemas CAD/CAM. Esta combinación permite la transferencia de información, desde la etapa de diseño a la etapa de planificación, para la fabricación de un producto, sin necesidad de volver a capturar manualmente los datos geométricos de la pieza. La base de datos que se desarrolla durante el trabajo CAD es incorporada al proceso CAM, para obtener los datos y las instrucciones necesarias para operar y controlar la maquinaria de producción, el equipo de manejo de materiales y las pruebas e inspecciones automatizadas, para establecer la calidad del producto.

La integración CAD/CAM requiere de un efectivo intercambio de la información CAD, tal como esta ha sido elaborada por el Kernel de gráficos geométricos y que se encuentra contenida en el formato de salida o “output”, que se obtiene como producto de las tareas de diseño. La compatibilidad entre los diversos algoritmos gráficos generados por los muy distintos programas CAD, para la formulación de la gráfica vectorial, que estos permiten elaborar, es un aspecto de primordial importancia, para una eficaz integración CAD/CAM. Así, el esfuerzo puesto en la búsqueda de mejoras funcionales y prestaciones generales llevada adelante por los desarrolladores de los programas CAD, resultaron en una mejora sustancial respecto a la compatibilidad cruzada entre plataformas. En otros casos, la adopción generalizada, forzó la consolidación de ciertos formatos gráficos, tal es el caso de los identificados como DWG y DXF, característicos de los productos AutoCAD, de la firma Autodesk.

No obstante, AutoCAD logró imponerse en una etapa del diseño CAD, en la que el dibujo 2D era el centro del desarrollo, en este ámbito y el modelado 3D estaba en su etapa infante, adoleciendo serias limitaciones, en años recientes esto comenzó a cambiar. El advenimiento de herramientas gráficas específicamente orientadas a la generación de sólidos virtuales tridimensionales paraméricos, tales como CATIA y SolidWorks de la firma Dassault Systemes, SolidEdge y NX de Siemens, Inventor de Autodesk, Rhinoceros de Robert McNeel & Associates, PowerShape, de Delcam, Alibre de 3DSystems, entre otros, alentaron la estandarización y paralelamente la facilidad del procedimiento.

Sin embargo, siguen sumándose otras propuestas tecnológicas en cuanto a aplicaciones CAD nos referimos. Así es posible incorporar en nuestra lista, programas CAD compatibles con sistemas operativos (SO) de uso general y amplia adopción tales como Windows, de Microsoft, Mac OSX de Apple Computers, pero también los propios de ámbitos específicos o más acotados, entre ellos Unix, ahora administrado por The Open Group, Linux, de Linux Organization/Free Software Foundation, Irix, de Silicon Graphics, Solaris, de Oracle, FreeBSD, de FreeBSD Foundation.

De esta forma el rango de oferta cubre todos los segmentos, satisfaciendo requerimientos muy diversos, apropiados para entornos de trabajo colaborativo, mediante grandes redes informáticas, soportados por SO más costosos y sofisticados, capaces de gestionar necesidades de misión crítica, hasta los más modestos y gratuitos, soportados por SO, también de distribución gratuita y código fuente abierto, tanto de uso profesional, como doméstico. Algunos de los mismo se mencionan seguidamente, volviendo a destacar que probablemente son más, los que no están en el listado, ya que los aquí presentados tienen aplicación a los procesos productivos referidos anteriormente, en los sumarios publicados.

1- Aplicaciones CAD 2D y 3D.

1.1- Programas de código fuente abierto (Open-Source Software - LGPL).

1.1.1- Assimp

1.1.2- Art of Illusion

1.1.3- Blender

1.1.4- BRL-CAD

1.1.5- FreeCAD

1.1.6- HeeksCAD

1.1.7- Inkscape

1.1.8- K3D

1.1.9- OpenSCAD

1.1.10- PyGear

1.1.11- PythonOCC

1.1.12- QCAD

1.1.13- Shapesmith

1.1.14- Wings3D

1.2- Programas con licencia desconocida.

1.2.1- AutoQ3D

1.2.2- Archimedes

1.2.3- Replath

1.3- Programas de código fuente cerrado (Closed-Source Software).

1.3.1- Autodesk 123D

1.3.2- Autodesk Fusion 360

1.3.3- Cheetah3D

1.3.4- CoCreate

1.3.5- Sketchup

1.3.6- Moldex3D eDesign

1.3.7- Moment of Inspiration (Moi 3D)

1.3.8- Solvespace

1.3.9- Tinkercad

1.3.10- Form-Z

2- Aplicaciones compatibles para gestionar archivos STL.

2.1 - Programas de código fuente abierto (Open-Source Software).

2.1.1- MeshLab

2.1.2- Skeinforge

2.1.3- Slic3r

2.1.4- Repsnapper

2.1.5- Cura

2.1.6- ConvertSTL

2.2- Programas de código fuente cerrado (Closed-Source Software).

2.2.1- Netfabb Studio

2.2.2- Kisslicer

3- Aplicaciones CAD para diseño de circuitos electrónicos y ensayos sobre ProtoBoard o StripBoard.

3.1- Programas de código fuente abierto (Open-Source Software).

3.1.1- gEDA/gaf

3.1.2- KiCad

3.1.3- Gerbv

3.1.4- VeeCAD

3.1.5- DIY Layout Creator

3.2- Programas de código fuente cerrado (Closed-source Software).

3.2.1- Eagle

3.2.2- OrCAD

3.2.3- Ares

3.2.4- Altium

3.2.5- Protel

Cabe la aclaración, que son muchos los programas CAM, que proveen el conjunto de herramientas gráficas necesarias, para la propia formulación del modelo sólido virtual. De esta forma, se pueden identificar los paquetes integrados CAD/CAM/CAE/PLM, pero en el otro extremo del espectro, también las soluciones enfocadas, en sólo uno de estos entornos técnicos, que funcionan con total independencia de las demás aplicaciones mencionadas o que pueden asimilarse dentro del mismo espacio de trabajo, quedando totalmente asimilado en la interface gráfica de usuario del programa huésped.

Por lo general la aplicación CAD es la que actúa como huésped de los citados módulos de expansión o “add ons” o “plug-ins”, ofreciendo una amalgama propicia de funciones gráficas y de otra índole técnica, como lo son los que generan las condiciones de entorno inherentes a los procesos CAM, CAE (Computer Aided Engineering o Ingeniería Asistida por Computadora) o PLM (Product Life Management o Gestión de Ciclo de Vida del Producto). Algunos ejemplos de estos, son Mastercam, de CNC Software, Surfcam, de Vero Software, PowerMill, FeatureCAM y ArtCAM, de Delcam, Alphacam, Vero VISI y EdgeCAM, de Vero Software, Pro/Engineer y Creo Parametric, de Tristar, CamBam, de HexRay, EZ-CAM, de EZCAM Solutions, Visualcam y RhinoCAM, de Mecsoft, Gibbscam, de Gibbs And Associates, VCarve, de Vetric, SolidCAM, de SolidCAM, D2NC y otros tantos más.

Por lo general, en el pasado reciente, el operador CAD se veía obligado a exportar los datos hacia alguno de los formatos gráficos más comunes, seguramente DWG o DXF, si la gráfica vectorial era 2D. En cambio, para sólidos 3D, la exportación tenía como destino los formatos IGES o STL, sacando así ventaja de la amplia compatibilidad, que estos dos formatos tienen con una gran variedad de software. Sin embargo, actualmente, esta exigencia está quedando atrás y las aplicaciones disponen de funciones de ejecución, importación y exportación ampliadas, que aseguran la interpretación de los algoritmos geométricos según su formulación nativa o los convierten automáticamente.

Como resultado final de la programación CAM, practicada por el operador, la salida es por lo general un simple archivo de texto de código numérico o código G, a veces de muchos miles de comandos, que se transfiere a continuación, a una máquina herramienta, usando probablemente un programa de control numérico directo DNC (Direct Numerical Control). Cabe aclarar, que ciertas aplicaciones CAM dan origen a archivos cuyos formatos se identifican como NC, NCC, TAP, aunque la esencia en todos estos casos es la misma, ya que se trata del conjunto de órdenes, expresadas como texto sin formato, definidas por las normas de estandarización antes mencionadas.

Una de las funciones más relevantes de un sistema CAD/CAM, es la capacidad de simular virtualmente mediante animación gráfica tridimensional, la trayectoria que describe la herramienta en la operación de mecanizado. Es común que la simulación tenga tal grado de detalles visuales, que muestra el efecto progresivo del desbaste de la herramienta de corte, con una aproximación bastante ajustada a la realidad del acabado resultante, logrado en el material que se encuentra sometido al proceso.

Esta simulación resulta de la programación de la estrategia de maquinado, selección del tipo y tamaño del material, tipo y tamaño de la herramienta de corte, profundidad de corte multinivel o por pasada (stepdown) y lateralización de la pasada (stepover), velocidad de avance durante el corte (feedrate), caracterización de los procedimientos de aproximación, entrada y salida de la herramienta en el material, y demás parámetros que definen cada una de de las operaciones que intervienen en el mecanizado.

Cuanto mejor desarrollo distinga a la aplicación CAM, mayor será la cantidad de variables involucradas y más comprehensiva la base de datos disponible, para la selección de valores y alternativas, que mejor representan las necesidades técnicas requeridas, para la tarea. De esta manera, un típico sistema CAD/CAM puede generar el programa de control numérico necesario, para controlar de forma autónoma operaciones de torneado, fresado y agujereado, en una secuencia interpolada y repetitiva, de acuerdo a un plan de trabajo definido por su operador.

Las instrucciones que se generan en la computadora, se pueden modificar tanta veces como sean necesarias, para optimizar la trayectoria de la herramienta. Allí reside la utilidad de la simulación, que en definitiva es una modelización virtual animada, de las operaciones de producción. Mediante esta, el ingeniero o el técnico pueden entonces mostrar y comprobar visualmente si la estrategia de mecanizado presenta inconsistencias, errores en la asignación de valores, o posibles colisiones de herramienta de corte o de la pinza porta-herramienta, con el mismo material, que se está modelando.

En resumen, lo que aquí se intenta explicar con muchas palabras, no es más que procedimiento asistido por medio de cuadros de diálogos, menús desplegables, selección de objetos gráficos mediante mouse y teclado, ejecución de funciones por medio de la selección botones o íconos, etc., vale decir todas herramientas gráficas muy familiares y estándar al los modernos entornos gráficos, que presentan los sistemas operativos, tales como MS-Windows, Mac OS, Linux, etc.

Algunos ejemplos de CAM son: el fresado programado por control numérico, la realización de agujeros en circuitos automáticamente por un robot, y la soldadura automática de componentes SMD (Surface Mount Device) en una planta de montaje.

El surgimiento del CAD/CAM ha tenido un gran impacto en los procesos de manufactura al normalizar el desarrollo de los productos y reducir los esfuerzos en el diseño, pruebas y trabajo con prototipos. Esto ha hecho posible reducir los costos de forma importante, y mejorar la productividad. Por ejemplo, el avión bimotor de pasajeros Boeing 777 fue diseñado en su totalidad en computadora, con 2000 estaciones de trabajo conectadas a ocho computadoras. Este avión se construye de forma directa con los programas CAD/CAM desarrollados (y el sistema ampliado CATIA), y no se construyeron prototipos ni simulaciones, como los que se requirieron en los modelos anteriores. El costo de este desarrollo fue del orden de seis mil millones de dólares.

Algunas aplicaciones características del CAD/CAM son las siguientes:

Programación por calendario de procesos, para el control numérico, control numérico computarizado y robots industriales.
Desarrollos de prototipos rápidos.
Diseño de modelos y moldes para fundición en los que, por ejemplo, se re-programa tolerancias de contracción.
Modelos para operaciones de trabajo de metales, por ejemplo, modelos progresivos para estampado.
Diseño de herramientas, soportes y electrodos para electro-erosión.
Control de calidad e inspección; por ejemplo, máquinas de medición por coordenadas programadas en una estación de trabajo CAD/CAM.
Planeamiento y programación de proceso.
Distribución de planta.