Mejora el diseño de productos y eficiencia con software de simulación avanzado

Los últimos sistemas de visualización permiten a los fabricantes diseñar y fabricar productos más rápido y eficientemente que nunca.

La simulación en manufactura se está volviendo mucho más pervasiva. Las visualizaciones avanzadas se usan en todas partes, desde el mecanizado en CNC de planta hasta la programación offline CAD/CAM de equipos NC. En el ámbito de gestión del ciclo de vida del producto (PLM), los desarrolladores de productos dependen en gran medida de sofisticadas aplicaciones de ingeniería asistida por computadora (CAE) basadas en multifísica en múltiples etapas del proceso de diseño para determinar con precisión si sus creaciones resistirán una multitud de tensiones térmicas, de fluidos y fatiga de materiales típicamente encontradas en entornos hostiles, como automotriz y aeroespacial, para asegurar que los nuevos diseños de productos cumplan con estrictos controles de calidad.

Las últimas iteraciones de paquetes de software de visualización 3D dan a los fabricantes formas de acelerar las pruebas de sus operaciones de corte y ensamblaje de manufactura, a menudo con precisión cercana al 100 por ciento. Esa capacidad es esencial para mejorar tanto las eficiencias de procesos de mecanizado tradicional como de nuevos procesos de manufactura aditiva.

Resultados más precisos

Una tendencia importante es el uso de simulaciones que ofrecen a los usuarios resultados mucho más precisos, usando herramientas sofisticadas para derivar propiedades de materiales, dijo Hendrik Schafstall, cofundador, socio gerente y CEO de Simufact Engineering GmbH, con sede en Hamburgo, Alemania, una unidad de negocio de MSC Software, desarrollador de CAE con sede en Newport Beach, Calif. Los fabricantes ahora pueden obtener «una simulación de cadena de proceso de todos los pasos de proceso relevantes e interfaces relacionadas —principalmente para capturar historial de manufactura para choques subsiguientes y vida a fatiga, y predecir propiedades locales en la pieza para rendimiento de pieza», dijo Schafstall. Para OEMs, las simulaciones tienen un acoplamiento totalmente automatizado con sistemas PDM [gestión de datos de producto], agregó.

Otra tendencia es usar más información de la simulación del proceso de manufactura, que debe ser tenida en cuenta durante la fase de diseño, señaló Schafstall. «Un gran impulsor es la manufactura aditiva y ensamblaje de láminas», dijo. También hay más uso de la pieza «como manufacturada» para simulación de estructura para resultados más precisos, agregó, y las simulaciones tienen ventanas de proceso más robustas para detectar los principales parámetros de influencia que deben ser monitoreados y controlados durante la producción.

El «realismo» práctico aumentado y una capacidad analítica más avanzada siguen siendo tendencias clave para todos los tipos de simulación, dijo Ben Mund, analista senior de CNC Software Inc., Tolland, Conn., desarrollador del software CAD/CAM Mastercam. Mund señaló que las simulaciones actuales ofrecen a los usuarios «un modelo matemático más profundamente comprendido de todas las partes móviles de una máquina, cómo interactúan con el herramienta y la pieza de trabajo, y la capacidad de identificar exactamente dónde y por qué podría ocurrir movimiento no deseado. Estas áreas se están desarrollando en tándem, proporcionando más confianza al programador y más productividad en la planta».

La simulación precisa es más importante que nunca en manufactura, agregó Mund. «Con el advenimiento de máquinas cada vez más complejas, hay una necesidad tanto de alta precisión en programación NC como de confianza a prueba de balas de que una máquina ejecutará ese programa correctamente», declaró Mund. «También es útil para los talleres tener diferentes tipos de simulación dependiendo de lo que necesiten. La simulación solo de trayectorias de herramienta permite una vista rápida y limpia del movimiento del cortador en la pieza, con análisis profundos disponibles en cualquier punto a lo largo de la trayectoria. La simulación a nivel de máquina expande ese enfoque al agregar el entorno de la máquina, mostrando cualquier conflicto potencial de elementos que se mueven dentro de la propia máquina».

«La simulación se está volviendo más crítica para cada taller; a medida que las máquinas y herramientas se vuelven más avanzadas, el impulso por la productividad aumenta, y la necesidad de retroalimentación conectada se vuelve más común», continuó. «La simulación realista está en auge en todos los frentes. La simulación matemática profunda de interacciones entre máquina, herramienta, material y pieza final prevista impulsa la mayoría de las aplicaciones prácticas que un taller necesita. Este es el 'núcleo' de la simulación en el que las empresas de software de manufactura invierten la mayor parte de su presupuesto pesado de desarrollo y pruebas».

Este nuevo nivel de realismo matemático se mejora y hace más atractivo con la adición de realismo «en pantalla». «Esto toma los modelos de física y los hace ver lo más realistas posible para el usuario», dijo Mund. «Aquí verás construcciones visuales de máquinas y todas sus partes móviles (ocasionalmente incluyendo logotipos de fabricantes), elección de color y material visual, y otras opciones de visualización que permiten al programador ver fácilmente y confiar en los resultados de su programa».

Democratizando la simulación

La accesibilidad a herramientas de simulación ha sido una barrera para muchas personas en manufactura, ya que las simulaciones de alta gama —especialmente en CAE— generalmente han sido manejadas por especialistas en simulación altamente capacitados. En años recientes, sin embargo, se está proporcionando mayor acceso a estas visualizaciones en toda la organización de manufactura. Este acceso se proporciona mediante conexiones a sistemas de datos anfitriones, ya sea a través de aplicaciones cliente ligeras o aprovechando el poder de la nube con computación de alto rendimiento (HPC) y llevando poder de nivel de supercomputadora a análisis de visualización extremadamente grandes y complejos.

«Una de las tendencias clave en software de simulación es continuar reduciendo las barreras para su uso. Todos aceptan que la simulación puede proporcionar información valiosa y ahorrar tiempo y dinero, pero a menudo hay barreras para la adopción», dijo Brian Frank, gerente senior de producto para soluciones de diseño generativo y simulación en Autodesk Inc., San Rafael, Calif.

«Algunas de esas se manifiestan en el costo y la capacidad de acceder. Autodesk ha trabajado muy duro para hacer más fácil que nunca acceder a tecnología de simulación de clase mundial a través de nuestras ofertas de suscripción, y continuamos trayendo más de la tecnología a ofertas de diseño central como Fusion 360. También continuamos asegurando que los usuarios no necesiten conocimiento especializado de simulación para obtener valor del acto de simular automatizando y guiando a los usuarios a través de los flujos de trabajo que necesitan ejecutar».

El movimiento hacia la digitalización de la manufactura subraya la necesidad esencial de llevar herramientas de simulación a una audiencia más amplia para lidiar con la velocidad de las transformaciones de manufactura digital/Industria 4.0 de hoy, según Ravi Shankar, director global de marketing de producto para Simcenter, Siemens PLM Software, con sede en Plano, Texas. La simulación es crítica para empresas que están digitalizando su proceso de desarrollo de producto porque cuando el proceso de diseño y manufactura se simula correctamente en el mundo virtual, las empresas pueden llevar sus diseños al mercado más rápido.

Expandir el acceso a la simulación es un tema importante, acordó Shankar. «Se ha hecho una cantidad significativa de progreso en años recientes», dijo, «pero aún queda camino por recorrer. Podemos ver la democratización tanto como la capacidad de más personas dentro de una organización para realizar simulaciones como para que más personas consuman simulaciones sin tener que ser expertos en simulación».

Siemens está a la vanguardia de esta transformación, afirmó Shankar, debido a su fortaleza en servir las necesidades de los diseñadores. «Algunos ejemplos de esto incluyen la integración de tecnologías de simulación dentro del entorno Siemens NX [que incluye capacidades CAD/CAM y CAE]; integración de capacidades de simulación en otras ofertas CAD comerciales a través de nuestra solución Simcenter FloEFD [dinámica de fluidos computacional de Mentor Graphics]; y también más ampliamente a través de nuestras inversiones en diseño generativo y visualización, incluyendo métodos avanzados de VR para explorar resultados de simulación».

El acceso en la nube a soluciones CAE también agregó accesibilidad muy necesaria para usuarios no expertos en simulación en manufactura. «Históricamente, el software de manufactura y software de simulación CAE han sido productos de nicho desconectados usados por ingenieros de manufactura y expertos en simulación, respectivamente», señaló Subham Sett, vicepresidente, marketing de Simulia e iniciativas estratégicas, en Dassault Systèmes, con sede en Waltham, Mass. y Vélizy-Villacoublay, Francia.

«Sin embargo, con las demandas actuales de calidad a la primera con costos de producción reducidos, las empresas buscan aprovechar los beneficios de simular procesos de manufactura antes de implementarlos. Para hacer esto, se necesita un enfoque integrado para vincular la lista de materiales (BOM) del producto al proceso de manufactura —incluyendo simulación realista de ambos».

Las ofertas de simulación 3DExperience de Dassault Systèmes en la nube definitivamente están ayudando a que la simulación sea más democratizada, señaló Sett, porque «requieren solo hardware local limitado y soporte de TI para acceder a grandes cantidades de poder computacional y capacidades de simulación».

Mund de CNC Software agregó que «la simulación se ha democratizado al punto de ser un componente esperado de cualquier oferta de software CAD/CAM. A medida que la simulación general se volvió más extendida, el tipo y profundidad de simulación también se expandió dramáticamente. En las últimas dos décadas, la industria ha pasado de retroproyección básica de trayectorias de herramienta a visualización de remoción de material a simulación completa del entorno de máquina herramienta». Las expectativas de los usuarios sobre lo que debería estar disponible como componente estándar de CAD/CAM se han movido con ello, dijo Mund.

«Si bien las soluciones autónomas excepcionales permanecen —y tienen un lugar vital en muchos talleres— la simulación se ha vuelto una parte tan arraigada del flujo de trabajo del taller que la mayoría de los proveedores de CAD/CAM la consideran casi tan importante como el movimiento de la herramienta en sí», declaró.

Invirtiendo en simulación

En los últimos años, los mayores actores de simulación —Autodesk, Dassault, Siemens y ahora Hexagon— han hecho inversiones sustanciales en el ámbito de la simulación, particularmente en aplicaciones CAE multifísica. Siemens gastó 4.5 mil millones de dólares para adquirir al gigante de automatización de diseño electrónico (EDA) Mentor Graphics en 2016, y también compró LMS International y CD-adapco para construir su cartera de simulación. Más recientemente, el gigante de metrología Hexagon AB, Estocolmo, Suecia, adquirió Spring Technologies, desarrollador del software de simulación y verificación de trayectorias de herramienta NCSIMUL, en 2018.

«Siemens ha sido muy activo en adquirir e integrar soluciones en el espacio de simulación como parte de un enfoque mayor en entregar una plataforma de innovación digital», dijo Shankar de Siemens. «Con Simcenter, ofrecemos una de las carteras más amplias y profundas de la industria para simulación y prueba. Esto incluye capacidades de nuestras adquisiciones de LMS y CD-adapco, que nos ayudaron a expandirnos en áreas como simulación de sistemas, simulación 3D avanzada, pruebas y simulación de fluidos, todas las cuales combinamos con soluciones para exploración de diseño y gestión de datos de simulación».

Con Mentor Graphics, Siemens obtuvo capacidades sofisticadas en el espacio eléctrico y electrónico, y también fortaleció sus ofertas para el ingeniero de diseño, específicamente a través de simulación de flujo embebida en CAD, agregó, señalando que las soluciones de prueba de hardware de Mentor también son una gran adición a la cartera. También, en enero Siemens lanzó una actualización completa de su plataforma Simcenter 3D, agregando modelado más rápido y simulaciones más precisas.

«Las aplicaciones de cliente de alto valor en todas las industrias requieren cada vez más capacidad de simulación para todas las físicas, en todas las escalas», señaló Sett de Dassault. «Para complementar nuestra fortaleza existente en estructuras y simulación multibody, Dassault Systèmes recientemente obtuvo una fuerte capacidad para simulación de fluidos y acústica a través de la adquisición de las líneas de productos PowerFlow, XFlow y Wave6. Además, hemos adquirido la línea de productos CST Studio suite, que proporciona una capacidad complementaria para simulación electromagnética».

Precisión mejorada, facilidad de uso

Con expectativas de alcanzar verdaderos gemelos digitales en operaciones de manufactura, los desarrolladores están entregando mayor realismo y precisión. «Las simulaciones CAE para fabricantes hoy son extremadamente realistas y precisas, al punto donde las distorsiones de manufactura predichas pueden usarse para compensar negativamente un diseño, de modo que la pieza como manufacturada está dentro de las tolerancias requeridas de la pieza como diseñada», dijo Sett. «En lenguaje sencillo, podemos anticipar la distorsión en la forma de la pieza debido al proceso de manufactura, luego contabilizar esa distorsión para que la pieza terminada coincida con la geometría deseada.

«Los usuarios de simulación buscan precisión, velocidad, facilidad de uso e integración con software de manufactura», agregó. «Adicionalmente, el ingeniero de manufactura requiere herramientas de simulación que sean fáciles e intuitivas de usar, sin un fondo profundo en simulación». El uso de simulación en aditiva también está creciendo rápidamente, ya que la capacidad de crear diseños no posibles en manufactura tradicional conduce a una mayor necesidad de simular iteraciones de diseño. «Gran parte del trabajo de simulación de vanguardia en manufactura está relacionado con manufactura aditiva», dijo Sett.

En las instalaciones de manufactura avanzada y conectadas de hoy, la simulación tiene mucho potencial para acelerar diseños al mercado, reducir costos y minimizar o eliminar defectos de manufactura. La simulación puede llevar a «mucho potencial de ahorro de costos diferente, dependiendo de la aplicación», señaló Schafstall de MSC Software, «así como tiempo más rápido al mercado, insights más profundos, comprensión de proceso y transferencia de conocimiento interno». Otras ventajas incluyen variaciones de manufactura adicionales potenciales, con una ventana de proceso más robusta donde más ideas pueden probarse, dijo.

La simulación ofrece a los usuarios información mucho más detallada antes de que comience la producción, agregó. «Una mejor comprensión del proceso de manufactura y sus problemas ayudará a [crear] un diseño más manufacturable, optimizado», declaró Schafstall. «Esto también significa que la simulación de manufactura se moverá cada vez más a la fase de diseño [en aditiva]».

En febrero, MSC Software lanzó su nuevo motor CoSim desarrollado para proporcionar una interfaz de co-simulación para el acoplamiento directo de diferentes solvers/disciplinas dentro de un marco multifísico. La versión CoSim V1.6 permite a los ingenieros configurar modelos de co-simulación entre Adams de dinámica multibody (MBD), Marc (FEA) y scFLOW (CFD) de MSC, y cubre una amplia gama de aplicaciones a escala industrial. El motor CoSim ofrece precisión, exactitud y rendimiento mejorados para aplicaciones multifísicas complejas, según MSC.

El alto nivel de precisión realista nunca ha sido más alcanzable que con las ofertas de hoy, según Frank de Autodesk. «Con el poder de cómputo disponible hoy, podemos capturar insights en el proceso de manufactura como nunca antes, y también diseñar experimentos para entender qué combinación de materiales, configuraciones de proceso y parámetros de diseño pueden usarse para lograr los mejores resultados. Ya sea simulación NC para operación de máquinas o simulación de proceso de algo como rendimiento de moldeo por inyección o impresión 3D de metal aditivo, los usuarios tienen la mayor visión de lo que pueden esperar en la planta», dijo Frank.

Señaló que Autodesk mantiene sus propios laboratorios de producción y prueba, evaluando constantemente su software para precisión y predictibilidad.

Simulando corte NC

En simulación NC, simular y verificar procesos de herramientas de corte proporciona a los fabricantes una imagen clara del movimiento de corte de trayectoria de herramienta, incluyendo todos los otros elementos móviles en la máquina herramienta además de la herramienta de corte real. Con el último software de simulación y verificación de NCSIMUL Hexagon Production Software, Boston, los usuarios obtienen un sistema totalmente automatizado que hace gran parte del trabajo, con nuevas características de automatización de simulación ahora siendo integradas en la línea de software CAD/CAM Vero Software de Hexagon Manufacturing Intelligence, que incluye las marcas EdgeCAM, WorkNC, AlphaCAM y otras marcas Vero, así como 15 aplicaciones de terceros, incluyendo Mastercam y Siemens NX CAM.

Una actualización NCSIMUL 2020, que estaba programada para lanzamiento en abril, presenta una integración mucho mejor con sistemas CAM a través de su interfaz de programación de aplicaciones (API), una interfaz gráfica de usuario actualizada, y lista de materiales completa a través de producción, incluyendo medición y control, dijo el Gerente General de NCSIMUL, Silvère Proisy. Una capacidad de auto control ayuda a mejorar la conexión a máquinas CNC, agregó, con la capacidad de leer todos los parámetros en la planta. «Conectamos a los programadores con la planta», dijo, «para que no tengan que dejar sus computadoras. Esto es aún más crítico con máquinas de cinco ejes que necesitan CAV (verificación asistida por computadora)».

El último sistema NCSIMUL ofrece simulaciones más realistas, agregó. «Cortamos volumen a volumen; puedes ver las marcas de corte, ver el corte real en la pieza», dijo Proisy. «Realmente llega a la realidad, con detalle muy fino. Realmente estamos automatizando el proceso, con plantillas que envían tus modificaciones a NCSIMUL, que ejecuta la simulación en una caja negra, y muestra si tu programa es seguro o no seguro. Lo nuevo es el detalle sobre cuánta automatización podemos hacer, y también nueva optimización no solo para fresado, que agregamos el año pasado, sino también para máquinas de torneado».

Simular y verificar el proceso de corte nunca ha sido más crítico con la última generación de máquinas herramienta. «Los nuevos CNC se están haciendo cada vez más complejos y de movimiento más rápido que sus predecesores», señaló Gene Granata, gerente de producto Vericut en el desarrollador de simulación/verificación NC CGTech, Irvine, Calif. «Las máquinas de hoy tienen más partes móviles, capacidades añadidas, y muchos nuevos códigos M y G requeridos para hacer que las cosas funcionen correctamente. Incluso una acción aparentemente simple como un 'cambio de herramienta' ocurre a tasas aterradoramente rápidas. El fallo catastrófico puede llegar muy rápido e inesperadamente cuando las herramientas de corte y máquinas CNC son empujadas a sus límites máximos».

Optimizar códigos NC y los procesos usados para crearlos es el enfoque para la mayoría de talleres NC, dijo Granata. «Márgenes de ganancia decrecientes y competencia aumentada son razones primarias para esto; optimizar de cualquier manera posible y estimación de costos precisa son críticos para la supervivencia del negocio», agregó. «Usar software como Vericut con optimización Force asegura que todos los programas NC corten con cargas de viruta óptimas, mantengan fuerzas de corte dinámicas dentro de límites seguros, y permitan predicciones de tiempo de mecanizado más precisas».

La simulación precisa es clave para la productividad, dijo Granata. «Simular código NC ejecutado en modelos de gemelo digital de máquinas CNC mantiene a las máquinas CNC fabricando piezas en lugar de desperdiciar valioso tiempo de máquina en pruebas. Usando simulación, 'virtualmente' elimina choques potenciales y errores de mecanizado que podrían causar problemas serios en la planta, y así evita costosos tiempos de inactividad y retrasos en cronogramas.

«La simulación puede hacer un mejor trabajo cuando hay datos más precisos accesibles», continuó. «Por ejemplo, modelos de máquina precisos son deseables para detección precisa de colisiones potenciales de máquina. De manera similar, modelos detallados de herramientas de corte ayudan a verificar que las características de la pieza pueden alcanzarse con confianza durante el mecanizado y se usan correctamente [ej. con ángulos de rampa seguros]. Cuando las herramientas de corte se descargan de la nube con parámetros de rendimiento de corte recomendados, los programadores también pueden estar seguros de que están usando avances y velocidades apropiados para mecanizado y optimización».

Según Granata, la simulación a nivel NC en una máquina CNC gemelo digital se ve como la forma más completa de verificar que los programas NC funcionarán bien en la máquina CNC prevista y producirán la pieza mecanizada como se espera, sin encontrar colisiones, exceder límites de recorrido de ejes, o crear percances por códigos NC incorrectos o faltantes. «La simulación a nivel NC también es la mejor opción para optimización de programas NC, porque métodos de corte óptimos y capacidades/límites de la máquina pueden aplicarse simultáneamente», señaló.

La última versión Vericut 9 usa capacidades gráficas OpenGL más avanzadas para proporcionar calidad de visualización gráfica y rendimiento superiores, según CGTech. Los gráficos mejorados mejoran la función y consistencia entre vistas, permitiendo todas las funciones del software para tomar mediciones, aplicar cortes de sección, y comparar el modelo de diseño teórico versus pieza cortada simulada.

Algunas características que vienen para usuarios de Vericut incluyen una nueva capacidad de Reinicio, dijo Granata. «Cuando se identifica un error en un programa NC, los usuarios pueden hacer correcciones y reiniciar la simulación un bloque o dos antes de donde ocurrió el error, luego reproducir hacia adelante para verificar que el cambio es lo que quieren». Los optimizadores Force ofrecerán mecanizado mejor optimizado e interacciones de Gráfico Force mejoradas. También habrá una nueva oferta de producto Force Calibration para talleres que quieran probar sus propias condiciones de corte herramienta-a-material, y usar los datos recopilados para impulsar el análisis y optimización de programas NC Force de Vericut.