Dominando la eficiencia productiva con herramientas avanzadas de simulación

Las herramientas de simulación están haciendo mucho más fácil para los fabricantes optimizar sus procesos, visualizando todo el camino de producción desde simulaciones de mecanizado NC hasta diseño 3D e imagen de planta. Con las herramientas de simulación actuales, los diseñadores de trayectorias de herramienta e ingenieros de manufactura pueden ver fácilmente exactamente dónde chocarán las trayectorias NC y poder corregir situaciones sobre la marcha, acelerando inmensamente la simulación y verificación del proceso de mecanizado.

Algunos de los últimos giros en sistemas de simulación presentan nuevas capacidades que se están aplicando a los florecientes procesos de manufactura aditiva que los constructores están adoptando para prototipado rápido y manufactura aditiva de componentes de producción. Nuevo software de simulación NC se está adaptando para acomodar estos procesos aditivos, haciendo mucho más simple calcular y simular el tiempo requerido para construir piezas en los procesos capa por capa de la aditiva tanto para prototipado como para construir piezas metálicas de producción.

En mecanizado sustractivo más tradicional, los fabricantes también continúan enfocándose en una tendencia continua hacia la democratización y difusión del uso de herramientas de simulación de alta gama, con la "democratización" y propagación del uso de simulación incluyendo ingeniería asistida por ordenador (CAE), típicamente usada principalmente por especialistas altamente entrenados, a lo largo de la cadena de diseño/producción de manufactura.

Simulando para aditiva y sustractiva

Las últimas herramientas de simulación y verificación NC incluyendo Vericut de CGTech (Irvine, CA) y NCSimul de Spring Technologies (Boston) están añadiendo capacidades aditivas para simular y verificar procesos de manera muy similar a como lo hacen para mecanizado tradicional.

"La manufactura aditiva es la última tendencia, con más y más fabricantes incorporando este método en su catálogo de capacidades", dijo Gene Granata, gerente de producto de Vericut en CGTech. "CGTech está trabajando actualmente con socios tecnológicos como GE, Dassault Aviation, Mazak, la Universidad de Sheffield, y el Centro de Connecticut para Tecnología Avanzada [CCAT] para colaborar y cultivar nuestro módulo AM previsto para ser lanzado en Vericut 8.1, que saldrá a finales de este año."

El nuevo Vericut añade trayectorias de herramienta optimizadas usando datos descargados de la nube. "Con nuestro último lanzamiento de software Vericut 8.0.2, hemos actualizado nuestro módulo de optimización de trayectorias Force 'basado en física', que ahora recibe valores de entrada directamente de herramientas basadas en la nube y se beneficia de varias nuevas características que agilizan la configuración de optimización", señaló Granata. "Al micro-analizar las condiciones de corte encontradas por un programa NC, Force asegura que los programas NC tengan avances óptimos y espesores de viruta ideales que no excedan límites seguros de fuerza o potencia. Esto mejora la productividad inmensamente."

Mejoras técnicas en el nuevo Vericut incluyen más de 100 peticiones de usuarios en Vericut 8.0.2 que agilizan la configuración y mejoran experiencias de usuario, ayudando a extender la vida de herramientas y evitar costosos daños en husillos de máquina. "Algunas mejoras específicas incluyen actualizaciones dentro del módulo de optimización Force, Tool Manager ahora importa más datos disponibles sobre uso y rendimiento de herramientas, y el producto de simulación Vericut Drill and Fastener [VDAF] se beneficia de una interfaz gráfica de usuario [GUI] actualizada", añadió Granata. "Todas estas mejoras están diseñadas para ayudar a nuestros clientes a verificar y optimizar su código NC de la manera más eficiente posible."

Mientras que simular para aditiva es relativamente nuevo, muestra gran promesa para clientes de manufactura, señaló Silvere Proisy, gerente general de Spring Technologies, desarrollador de NCSimul Machine y ofertas de simulación relacionadas. "Para aditiva, estamos simulando el movimiento de las máquinas y calculando el tiempo necesario para capas de metal", dijo Proisy.

Spring Technologies se ha concentrado principalmente en procesos de manufactura aditiva de metal, señaló Proisy, trabajando con proveedores Tier 1 y Tier 2 en el sector aeroespacial/defensa incluyendo constructores de motores y tren de aterrizaje que desarrollan simulaciones para aprovechar capacidades dentro del software NCSimul de la empresa para estos procesos aditivos.

La simulación de cualquier proceso de manufactura es crítica, y con el software NCSimul 4CAM de Spring, las operaciones de manufactura obtienen gran flexibilidad en planta, dijo Proisy. Una de las ventajas de NCSimul es que los usuarios pueden simular el proceso de corte o aditivo de manufactura en código G real, dijo Proisy, y si hay cortes o movimientos que no deberían hacerse, es fácil volver y reconstruir el proceso. "No tienes que reiniciar el proceso, puedes editar la simulación 'sobre la marcha' y eso te permite reconstruir la pieza", dijo.

Otros proveedores de software de simulación que entran en el juego aditivo incluyen pesos pesados del software Dassault Systèmes (París) y Siemens PLM Software (Plano, TX).

La entrada de Dassault en la arena AM incluye el Ingeniero de Manufactura Aditiva de la empresa, disponible en versiones cloud y on-premises, que permite a fabricantes preparar y validar procesos AM. El software ahorra tiempo a los usuarios permitiendo archivar mejores prácticas para reutilización, optimizando automáticamente posiciones de pieza, y desarrollando diferentes estrategias para el proceso aditivo.

El lanzamiento 3DExperience 2017x se dice que transforma diseño, simulación y manufactura con un nivel mucho más alto de integración. Con el nuevo rol Function Generative Designer, los diseñadores proporcionan la especificación funcional (incluyendo el envoltorio 3D, escenario de carga, materiales, objetivos de reducción de peso, proceso de manufactura deseado), y pulsar un botón ejecuta una simulación y genera la forma de concepto optimizada. Esto permite a diseñadores e ingenieros aprovechar la flexibilidad de la manufactura aditiva, comparada con procesos de manufactura más tradicionales como fresado, fundición y forja. Dos nuevos roles de manufactura y producción digital para manufactura aditiva definen y optimizan la configuración y proceso para fusión de lecho de polvo e impresión 3D industrial, y para programar la trayectoria láser.

En enero de 2017, Siemens AG (Múnich) y el desarrollador aditivo Materialise NV (Lovaina, Bélgica) anunciaron una colaboración bajo la cual las empresas colaborarían en integrar el software NX de Siemens PLM con las tecnologías de Materialise en el sector AM. Bajo el acuerdo, las empresas integraron tecnología de Materialise en el software NX CAD/CAM/CAE, permitiéndole diseñar con precisión modelos CAD para procesos de fusión de lecho de polvo e impresión 3D por inyección de material. El software resultante se dice que acelera el proceso de construcción de piezas totalmente impresas en 3D en un 30% o más, según las empresas.

"El acuerdo representa un gran salto adelante para hacer de la manufactura aditiva una práctica de producción mainstream para clientes", dijo Zvi Feuer, vicepresidente senior de Software de Ingeniería de Manufactura para Siemens PLM Software, en un comunicado. "Hasta ahora, el proceso de manufactura aditiva requería que los fabricantes trabajaran con dos sistemas separados —uno para diseño de producto, y otro para preparar ese diseño para impresión 3D", dijo Feuer. "Los problemas de traducción de datos y falta de asociatividad entre estos dos sistemas creaban un proceso que consumía mucho tiempo y estaba sujeto a errores. Al eliminar estos problemas, estamos ayudando a expandir la adopción de la manufactura aditiva como una herramienta de producción universalmente aceptada."

NX ahora aprovecha tecnología de la Suite de Impresión 3D Magics de Materialise, permitiendo procesos AM comúnmente adoptados para manufactura de piezas finales, incluyendo fusión de lecho de polvo, así como inyección de material, que prometen acelerar aún más la evolución de AM desde prototipado a tecnología de manufactura a gran escala. La solución vincula de forma fluida y asociativa NX con tecnología de reticulado de Materialise, diseño de estructuras de soporte, anidamiento 3D, preparación de bandeja de construcción, y marco de procesadores de construcción para manufactura aditiva. Esto elimina traducción de datos, conversiones y asegura que cambios en modelos de diseño de producto digital se reflejen automática y asociativamente en los trabajos de impresión 3D. El resultado es mayor precisión de modelo, mayor calidad, y un proceso de diseño a producción mucho más rápido.

Compartiendo CAE con las masas

Entre las últimas tendencias de simulación, la adopción más amplia de herramientas CAE —incluyendo herramientas como dinámica de fluidos computacional (CFD), análisis de elementos finitos (FEA), y optimización topológica— ha comenzado a hacer cierta incursión en operaciones de manufactura, a medida que más ingenieros fuera de especialistas CAE aprovechan el poder de estas tecnologías de simulación.

"Algunas de las tendencias que afectan a la manufactura en general también se reflejan en software de simulación. Estas incluyen manufactura aditiva y técnicas de simulación relacionadas, optimización topológica, y simulación de compuestos en el lado del producto", señaló Ravi Shankar, director de marketing global de producto de simulación, Siemens PLM Software. "La manufactura aditiva también tiene implicaciones para la creación de utillaje para varios procesos de manufactura tradicionales. Adicionalmente, técnicas de simulación también se aplican hacia el proceso de manufactura como simulación de ensamblaje, simulación de robótica, simulación de flujo de material, y simulación humana y ergonomía."

La simulación permite detección mucho más temprana de problemas potenciales y permite a las empresas evitar tales problemas antes de que ocurran, señaló Shankar. "Esto impacta directamente la productividad al disminuir tiempo de inactividad de manufactura, al permitir procesamiento más rápido, al aumentar vida y uso de herramienta, y al reducir costes de material", dijo.

El proceso de digitalización es esencial para hacer un buen producto manufacturado aditivamente, añadió Shankar. "Siemens tiene varias iniciativas para agilizar el diseño, simulación y producción para productos aditivos", dijo. "Estas incluyen innovaciones recientes para diseño generativo, que permite a diseñadores usando NX usar técnicas de optimización topológica para crear formas ligeras y orgánicas, refinar estos diseños usando Convergent Modeling, y luego impulsar los procesos de manufactura. Similarmente, para compuestos, Siemens ofrece soluciones para optimizar colocaciones de compuestos, simular el proceso de draping y el impacto en las piezas, simular curado y efectos de spring back, etc."

Aunque ha habido progreso en la "democratización" de herramientas CAE, como describió el investigador CAD/CAM CIMdata Inc. (Ann Arbor, MI) hace unos años en su investigación de simulación, aún queda un largo camino para fomentar la adopción de tales simulaciones, según Shankar. "Ciertamente vemos algunas empresas liderando el camino en términos de adopción de tecnologías de simulación, pero también vemos mucho potencial para expandir el uso y llevar el valor de estas tecnologías al ingeniero de manufactura", añadió Shankar. "Tecnologías de simulación se están usando para análisis estructural, simulación de flujo y enfriamiento de moldes, manufactura de compuestos y otros. En la mayoría de casos, estos aún son realizados por especialistas de simulación dedicados. Así que es nuestra creencia que la democratización de CAE, aunque en marcha, aún no ha alcanzado su pleno potencial."

Taladrado optimizado

Mecanizar materiales costosos resistentes a la corrosión es extremadamente duro para brocas, y un estudio reciente de investigadores de la Universidad Técnica de Dortmund (Dortmund, Alemania) usó herramientas de flujo de fluido y análisis estructural de Ansys Inc. (Pittsburgh) para analizar distribución de flujo de refrigerante de proceso y lograr mayor vida de herramienta.

En el Instituto de Tecnología de Mecanizado (ISF) de la Universidad Técnica de Dortmund, un equipo de investigación liderado por el Profesor Dirk Biermann analizó métodos para extender la vida de brocas para uso en la superaleación Inconel 718. La baja conductividad térmica de esta aleación significa que una gran cantidad de calor debe ser transportada lejos de la zona de taladrado usando métodos externos, o la herramienta puede deformarse. Esto puede llevar a mala calidad de taladro o rotura de la broca de carburo. Se usan velocidades de taladrado relativamente bajas bajo 50 m/min para mantener temperaturas más bajas en la zona de corte, pero aún se requiere refrigerante líquido. Para dirigir el fluido refrigerante donde se necesita, se bombea a través de dos canales diminutos dentro de la tierra, el patrón helicoidal sólido de la broca.

Para entender la compleja interacción entre la estructura de la broca, el fluido refrigerante y la pieza de Inconel, el equipo ISF usó herramientas de simulación de Ansys para optimización de proceso realizando un análisis de interacción fluido-estructura (FSI). El proceso incluyó crear mallas de fluido completas, luego los ingenieros usaron el software de dinámica de fluidos computacional (CFD) Ansys CFX para modelar la distribución de refrigerante a través del dominio de fluido. El equipo también usó Ansys Mechanical con una condición de frontera añadida de las fuerzas de refrigerante calculadas por CFX para completar el análisis FSI. Incluyendo todas las diferentes simulaciones CFD y Mechanical, ISF completó su análisis computacional en cuatro semanas. "Taladrar en una aleación Inconel se gestiona cuidadosamente para prevenir desgaste rápido y daño a máquinas-herramienta", señaló Biermann. "El equipo modificó su proceso de refrigeración para mejorar la vida de la herramienta en aproximadamente un 50%."

Validando la fábrica digital

Además de desarrollos aditivos y CAE, la necesidad de los fabricantes de diseñar rápidamente layouts de planta nunca ha sido mayor. Nuevas herramientas de simulación de manufactura digital como FastSuite Edition 2 de Cenit North America (Auburn Hills, MI) ayudan a los fabricantes a diseñar layouts de fábrica y validar todos los procesos de manufactura por adelantado, acelerando el proceso y optimizando diseños.

"IoT o Industria 4.0 representa el cambio radical que está sacudiendo los cimientos mismos de la planta de manufactura. Software de fábrica digital y herramientas 3D están impulsando ese cambio hacia adelante", señaló Lee Van Every, gerente senior de cuentas de Cenit North America. "El software de fábrica digital ayuda a las empresas a entrar eficientemente en manufactura inteligente. Hoy en día, el software debe ser compatible con todos los sistemas CAD y funcionar con robots y máquinas de cualquier fabricante. Este es un prerrequisito obligatorio para relaciones con clientes que se están volviendo cada vez más diversas con sistemas más complejos y demandantes."

El software de simulación basado en 3D de hoy permite visualización y validación de procesos y tareas de producción, señaló Van Every. "Las plantas de producción rara vez se establecen desde cero, sino que a menudo se re-planifican mientras la producción está en marcha. Tener fábricas virtuales y plantas modelo como representación exacta de los sistemas de producción reales, no solo geométrica y cinemáticamente, sino también en cuanto al comportamiento lógico y control de las unidades de manufactura, garantiza unidades de producción ágiles y auto-organizadas", dijo.

"La fábrica digital permite implementar nuevos procesos de manufactura, conceptos de planta y tecnologías que serían demasiado costosos o incluso imposibles sin soluciones basadas en simulación", añadió. "Cuantas más aplicaciones robóticas se usen —no solo para tareas de manipulación simples, sino también para pasos de producción complejos— mayor la ventaja de usar herramientas de programación y simulación. Las soluciones de software están liderando el camino a estas aplicaciones complejas, dando al operador el entorno necesario de programación y simulación para hacer aplicaciones que antes se representaban mediante teach-in manual o no mostraban la calidad de proceso necesaria."

En lugar de construir un layout rápido con componentes 3D CAD del catálogo, y luego programar los scripts y macros para simular el flujo de material y comportamiento de la celda, FastSuite Edition 2 usa componentes mecatrónicos y recursos para la definición del layout y al mismo tiempo está definiendo una lógica esquemática para la isla de producción, según Van Every. "De esta manera, se asegura que el comportamiento simulado y real coincidan —porque la simulación se basa en la misma lógica usada durante la programación del PLC y por lo tanto corresponde al comportamiento del sistema real más tarde."

El nuevo software FastSuite de Cenit proporciona funciones amigables para el usuario para integrar nuevos componentes específicos de proyecto en el layout, dijo Van Every. "Este proceso debe ser rápido y fácil de completar para usuarios sin conocimiento de programación."

La infraestructura de software se basa en estándares abiertos, añadió, con uso consistente de AML (Automation Markup Language) como lenguaje descriptivo para modelos de sistema, por ejemplo, lo que Van Every dijo permite una interacción considerablemente más simple con socios de ingeniería a través de intercambio estandarizado, neutral al sistema, de datos completos de sistema o equipo, incluyendo definiciones cinemáticas y lógicas. Además, PLC Open asegura que la lógica del sistema en la base de los primeros conceptos de simulación también pueda usarse para posterior programación PLC. El software usa una memoria compartida en la que los controles escriben los datos de simulación y desde la cual la visualización 3D lee los datos de simulación.

"Procesos de producción como hembrado por rodillos, sellado, adhesión o pintura requieren un entorno de programación y simulación virtual, para que también puedan operarse eficientemente cuando vienen lotes pequeños o cambios de ingeniería tienen lugar, requiriendo una actualización de nuevos programas offline para celdas robot", declaró Van Every. "Luego hay otro aspecto que muestra la ventaja de una fábrica digital moderna: Es mucho más eficiente reutilizar no solo los datos CAD, sino también los metadatos proporcionados por ingeniería [como para sujetadores] en lugar de redefinirlos en producción cada vez."

En el lado de producción, Line Designer es una aplicación avanzada para diseñar y visualizar layouts de líneas de producción en software NX, dijo Shankar de Siemens. "La plataforma integrada de Siemens PLM Software permite a ingenieros asociar fácilmente el layout diseñado a la planificación de manufactura. Así que el layout diseñado con Line Designer puede usarse para validar el proceso de manufactura usando software Tecnomatix para manufactura digital. Usando la aplicación Process Simulate, puedes validar una amplia gama de aplicaciones robóticas, permitiéndote simular sistemas de producción completos, incluyendo validación de celda y optimización de colocación de robot. Al simular procesos de producción, puedes definir el proceso de manufactura óptimo."