Acelere la calidad: Soluciones CAD/CAM de primer nivel para piezas superiores

La eterna pregunta en la fabricación con software CAD/CAM es cómo ayudar a los fabricantes a hacer sus piezas más rápido, más barato y mejor —todo el tiempo. Con las últimas versiones de software CAD/CAM, los desarrolladores siguen ajustando sus ofertas añadiendo nuevas características como capacidades de diseño generativo, más automatización de procesos de taller frecuentes, y más herramientas para el área emergente de la fabricación aditiva.

Además, las simulaciones se han vuelto mucho más críticas, con maquinaria multi-eje altamente compleja que requiere cálculo preciso de elementos de máquina herramienta para evitar colisiones catastróficas durante los procesos de mecanizado, lo que hace altamente deseable que el CAD/CAM ofrezca capacidades de visualización integradas.

Entre estas últimas tendencias, el diseño generativo y la fabricación aditiva están avanzando rápidamente hacia el primer plano. “Seguimos viendo más aplicaciones para fabricación aditiva, nuevas capacidades de manejo de materiales, y mayor capacidad y rendimiento de máquinas”, señala Paul Brown, director senior de marketing, NX Product Engineering, para Siemens Digital Industries Software, con sede en Plano, Texas. “Esto a su vez aumenta las demandas sobre las tecnologías CAD, permitiendo a los ingenieros explorar nuevos diseños y abrazar la potencia y flexibilidad que los nuevos métodos de fabricación ofrecen”.

Las empresas siguen buscando optimizar sus ciclos de diseño a fabricación. Hay un interés continuo en áreas como diseño para fabricabilidad (DFM), verificación para aumentar la confianza en la capacidad de hacer y construir lo que se diseña, señala Brown.

Enfoque generativo

El diseño generativo ha ayudado a los fabricantes a acelerar y refinar el proceso de diseño. Significa diseñar piezas de manera más eficiente y desarrollar piezas que sean más fácilmente fabricables.

“Con los fabricantes bajo más presión que nunca para entregar mejores productos más rápido y a menor coste, la necesidad de conectar y automatizar los procesos de diseño y fabricación para reducir iteraciones, errores y tiempos de entrega se está volviendo crítica”, señala Sanjay Thakore, gerente de estrategia de negocio, Fusion 360 Go-to-Market Strategy, para Autodesk Inc., desarrollador de software CAD/CAM con sede en San Rafael, California.

“La combinación de convergencia industrial y nueva tecnología de fabricación está creando oportunidades de automatización inéditas”, dice Thakore en una entrevista publicada en la edición de septiembre de Manufacturing Engineering. “Complejos desafíos de diseño e ingeniería pueden resolverse a una fracción del coste [de los procesos de diseño tradicionales] con tecnología de diseño generativo como la que presenta Autodesk Fusion 360”.

El diseño generativo es una herramienta de exploración que genera simultáneamente múltiples soluciones listas para CAD basadas en restricciones de fabricación del mundo real, demandas de rendimiento del producto y requisitos de coste. “Los ingenieros pueden explorar el espacio de diseño considerando múltiples materiales y métodos de fabricación y elegir la opción que mejor equilibre los requisitos de rendimiento y coste”, afirma.

Algunas empresas están comenzando a usar enfoques generativos para resolver problemas de diseño, señala Brown de Siemens. “Esto les da más oportunidad de explorar formas y materiales alternativos para resolver un problema”. El reto es cómo integrarlo en un proceso tradicional. “Con Modelado Convergente, tenemos la tecnología que permite a las personas usar diseños generativos resultantes de simulaciones y optimizaciones como geometría de modelado central —combinándolos con técnicas tradicionales de modelado y fabricación”, dice Brown.

Esto se ve impulsado además por el uso de fabricación aditiva que permite formas y enfoques que no pueden crearse con técnicas de fabricación tradicionales, como estructuras de celosía. Estas reducen drásticamente el peso de los componentes pero mantienen propiedades mecánicas de rigidez y otros factores.

“Tener capacidades integradas de programación CNC es crítico para producir piezas terminadas, lo que permite la industrialización de la fabricación aditiva”, dice Brown. “El uso de este tipo de tecnologías integradas se está expandiendo gradualmente desde el prototipo inicial hasta la producción en masa —ahí es donde Siemens está enfocado”. Dice que la empresa está analizando cómo permite la fabricación aditiva a escala industrial, desde tamaño de trabajo 1 hasta 1,000.

Las técnicas de diseño generativo producen formas altamente orgánicas, señala Alan Levine, director gerente, Open Mind Technologies USA Inc., Needham, Massachusetts, desarrollador del software CAD/CAM hyperMILL. “Estas formas pueden fabricarse con técnicas de fresado tradicionales o técnicas aditivas”, dice. “Al usar la técnica aditiva, el fresado se usa comúnmente como proceso secundario para lograr la calidad de acabado superficial deseada”.

Un acabado superior para una pieza mecanizada requiere ajustes precisos en el sistema CAM, portaherramientas de alta calidad y máquinas herramienta precisas, según Levine. “La mayoría de los sistemas CAM comúnmente usan una malla aproximada sobre la topología de la superficie del modelo. La ventaja de este método es tener un proceso de cálculo uniforme independientemente de cómo el sistema CAD o los traductores CAD definan las entidades de superficie”, dice Levine. Open Mind añadió recientemente un modelo de alta precisión para mecanizar directamente sobre las superficies de la pieza, mejorando la calidad superficial.

Crecimiento rápido de la aditiva

Nuevas técnicas para trabajar con aplicaciones aditivas están creciendo rápidamente, especialmente aquellas dentro de sistemas CAM para deposición de energía dirigida (polvo o alambre), añade Levine. “Algunos proveedores de CAM han abordado este potencial de mercado con una nueva estrategia aditiva, o técnicas modificadas que se aplicaban en sistemas de lecho de polvo”, dice Levine. “Usando estas últimas, las estrategias de trayectoria de herramienta están de alguna manera limitadas. Open Mind desarrolló un proceso de programación aditiva que permite adaptar casi todas las trayectorias de fresado para aditiva, e incluye la tecnología extra requerida para este mercado. Esto da a los usuarios la libertad de crear un proceso de programación, incluyendo estrategias de trayectoria 2D y 3D, así como control de cinco ejes cuando se necesita”.

La fabricación aditiva y la fabricación híbrida (aditiva y sustractiva en la misma máquina) están ganando popularidad. ¿Por qué? La mayoría de los procesos aditivos para metal no dejan un acabado superficial adecuado. Las soluciones híbridas permiten un acabado fresado en la misma máquina y configuración que produjo las partes aditivas.

“Estas máquinas son interesantes para los usuarios finales. Open Mind está activo en procesos de fabricación aditiva basados en desarrollos de deposición de energía dirigida”, dice Levine. El uso incluye demostraciones con socios de máquinas, actividades universitarias y de investigación, añade, y también algunos primeros usuarios industriales que trabajan con mecanizado híbrido aditivo y sustractivo de metales.

“La tendencia de fabricación aditiva nos lleva hacia sistemas CAM híbridos”, dice Chuck Mathews, vicepresidente ejecutivo, DP Technology Corp., Camarillo, California, desarrollador del software CAM ESPRIT. “Como ejemplo, ESPRIT Additive para Deposición de Energía Directa está disponible dentro del sistema CAM ESPRIT de espectro completo, ofreciendo programación, optimización y simulación para procesos aditivos y sustractivos en una solución integrada”.

Mathews dice que la App Aditiva de ESPRIT proporciona programación para máquinas herramienta multi-tarea, multi-función, multi-canal, torneado-fresado, aditivas y sustractivas. Los procesos aditivos y sustractivos se programan, optimizan y simulan juntos dentro de una única interfaz.

Las técnicas aditivas están abriéndose camino en casi todos los productos CAD/CAM, ya que la fabricación aditiva da a los usuarios una libertad de diseño que no se encuentra en los métodos sustractivos tradicionales.

“Estas nuevas técnicas han abierto formas innovadoras de crear piezas que no se podían hacer en el pasado”, dice Ben Mund, analista senior de mercado, CNC Software Inc., desarrollador de Mastercam con sede en Tolland, Connecticut. “Al combinar las superficies de alta precisión obtenidas con la fabricación sustractiva en proceso con las técnicas aditivas, se logra lo mejor de ambos procesos”, dice Mund.

El software CAD/CAM necesita permitir al ingeniero controlar el proceso aditivo tanto como el sustractivo, con herramientas similares. Mund dice buscar características como material de soporte, definición de material graduado, junto con técnicas como anidamiento 3D y orientación optimizada de piezas, permitiendo al usuario de software controlar todos los aspectos del proceso de fabricación.

“La fabricación aditiva es parte de nuestro legado en 3D Systems, y vemos mucho fabricación aditiva y sustractiva lado a lado e integrada en la industria”, señala Daniel Remenak, gerente de producto - GibbsCAM, para el fabricante de máquinas aditivas 3D Systems Inc., Rock Hill, Carolina del Sur. “A medida que estos flujos de trabajo se vuelven más comunes, eso está influyendo en las expectativas de los clientes para el software de programación, que necesita ser capaz de ayudar a los programadores a conectar eficientemente estas tecnologías. Nuestro producto 3DXpert está dedicado principalmente a flujos de trabajo aditivos, aprovechando nuestra experiencia CAD en toda la empresa para soporte y generación de celosías, y nuestra experiencia en mecanizado sustractivo para un motor de rebanado avanzado y mecanizado post-impresión”.

Remenak dice que el equipo de GibbsCAM ha estado trabajando con proveedores de máquinas CNC e investigadores en el desarrollo de técnicas dedicadas para programar máquinas híbridas sustractivas y de deposición aditiva durante los últimos años.

Estrategias para producción rápida

El "pan de cada día" del mecanizado puede residir en automatizar funcionalidades frecuentes para usuarios de taller que necesitan resultados rápidos y precisos para hacer sus piezas con alta calidad, a menudo en grandes volúmenes, y a tiempo, todo el tiempo. Clave para esos objetivos son las simulaciones en CAD, que mantienen los talleres funcionando al asegurar que los programas de piezas se ejecuten correctamente, con cero colisiones costosas, y el ámbito algo más mundano de herramientas CAD llamadas "CAD para CAM" que dan a los usuarios las opciones fundamentales necesarias para hacer sus piezas rápidamente.

“El enfoque principal de cada una de nuestras funciones y mejoras CAD se basa en la idea de 'CAD para CAM', lo que significa preparar la pieza para la fabricación”, dice Mund de CNC Software. “Es nuestro objetivo número uno. Ya sea que un usuario haya creado una pieza compleja desde cero dentro de Mastercam, o necesite analizar y reparar áreas problemáticas de una pieza generada en otro sistema CAD, nuestro conjunto de herramientas de alambre, superficies y sólidos están disponibles para dejar todo listo para mecanizar sin demora”.

Mund dice que varios factores influyen en el diseño CAD/CAM, pero la mayoría involucran innovación, reducción de costes, aceleración del tiempo de comercialización y mejora de la eficiencia. “Escuchamos constantemente las necesidades de nuestros clientes sobre las piezas en las que trabajan y los problemas que pueden encontrar, para desarrollar nuevas herramientas que hagan más cosas posibles dentro del conjunto de herramientas CAD de Mastercam”, dice Mund. “Cuanto más rápido un usuario puede crear una nueva pieza o hacer ediciones a una importada en apoyo del proceso de fabricación, más rápido puede ser programada y puesta en una máquina para cortar.

Acelerar el tiempo de comercialización es clave, añade. “Muchos ajustes pueden hacerse dentro de Mastercam con nuestras herramientas CAD, ahorrando el tiempo y gasto de enviarlo de vuelta al sistema CAD original. En este caso, permitimos a los programadores CAM hacer cambios que apoyan el proceso de mecanizado, ya sea diseñando un utillaje, construyendo geometría intermedia temporal, o reparando problemas en el archivo CAD original.

“Eficiencia significa usar todas nuestras herramientas hacia el objetivo de dejar la pieza lista para la máquina —alambre, superficies y sólidos trabajando juntos para ese único propósito”, continúa Mund. Finalmente, la conectividad importa. “En el mundo CAD, esto puede significar leer piezas de cada modelador CAD que soporte formatos estándar de la industria como IGES y STEP y los propietarios comunes como SAT, DXF, DWG, X_T, y así sucesivamente”.

También cree que significa que el modelo CAD en un archivo de pieza Mastercam está asociado a la información CAM; cambie el modelo y las trayectorias de herramienta son conscientes y pueden actualizarse fácilmente sin tener que empezar desde cero.

Otros proveedores toman enfoques similares de CAD dirigido a usuarios tradicionales de CAM. “Open Mind ha diseñado su base hyperCAD-S (dentro de hyperMILL) para ser un módulo CAD-para-CAM. Los sistemas CAD populares no siempre proporcionan la mejor experiencia de usuario para usuarios de CAM”, dice Levine. “El enfoque en hyperCAD-S es simplificar las funciones necesarias para impulsar un sistema CAM. Algunos ejemplos son selecciones de contorno, extensiones de caras, y selecciones de filtro como co-planares y co-axiales, y otras funciones para sanar y reajustar superficies cuando es necesario”.

Open Mind fue más allá al ofrecer secuencias predefinidas de utilidades CAD para el usuario CAM y dentro de las estrategias CAM, sin necesidad de las selecciones subyacentes, añade.

“Por ejemplo, en la industria de moldes y matrices, los bordes afilados son críticos para la geometría de acoplamiento de núcleo y cavidad para evitar rebabas durante el proceso de moldeo”, afirma Levine. “Para obtener un borde limpio y evitar que la fresa ruede sobre un borde, es beneficioso extender estas superficies y guiar la fresa correctamente dentro y fuera de la pieza”.

El módulo de acabado de forma Z-level de hyperMILL incluye una extensión tangente automática para agilizar este proceso para el usuario. El resultado son superficies y bordes mecanizados sin selecciones engorrosas y pasos extra en el proceso de programación CAM.

Para mecanizado multi-eje complejo, las simulaciones son obligatorias, y las simulaciones en CAD se han vuelto populares comparadas con algunas de las simulaciones de terceros más caras en el mercado. “Seguimos viendo fuertes tendencias hacia máquinas multi-tarea complejas y mayor uso y dependencia de la simulación de máquina”, dice Remenak de GibbsCAM. “Los talleres se centran en adquirir software que pueda proporcionar la mejor eficiencia de programación, mayor productividad en máquina, y herramientas de validación más fuertes con post-procesadores probados y fiables”.

Post-procesamiento elimina desvíos

Sin buen post-procesamiento, o CAD/CAM completo que funcione con otras soluciones de software de fabricación, los usuarios pueden terminar con desvíos imprevistos. “Lo que hace un sistema CAM 'bueno' en nuestra opinión se reduce a la calidad de su post-procesador y el soporte técnico del proveedor”, dice Mathews de DP Technology. “Cuando las preguntas de programación se responden rápida y precisamente, y el sistema produce buen código, la programación se simplifica y la utilización de la máquina sube, mientras que tanto los tiempos de preparación como de ciclo bajan”.

DP Technology se esfuerza por proporcionar el mejor post-procesamiento y soporte técnico disponible, sostiene, añadiendo que “la estrategia de ESPRIT es trabajar estrechamente con los fabricantes de máquinas herramienta y construir un Gemelo Digital de cada CNC que incluya post-procesadores desarrollados por fábrica diseñados para emitir código G optimizado para mecanizado, sin ediciones”, dice Mathews. DP Technology respalda ESPRIT proporcionando formación y soporte técnico directo de fábrica a sus clientes norteamericanos a través de un equipo dedicado de ingenieros de aplicaciones ESPRIT.

Compra todo en uno

Los paquetes completos pueden atraer a usuarios que buscan compra todo en uno en CAD/CAM, combinando CAD/CAM con inspección y metrología, o con soluciones PLM, ERP y MES.

“Una de las últimas tendencias que escuchamos de nuestros clientes y nuevos prospectos es su necesidad de que proporcionemos soluciones de fabricación completas, en lugar de solo software CAD/CAM”, dice Nick Spurrett, director regional - Américas, Software de Producción, Hexagon Manufacturing Intelligence, North Kingstown, Rhode Island. “Sus solicitudes representan todo, desde una solución MES hasta soluciones que los lleven hasta la verificación completa de máquina-herramienta. Con la adición de NCSIMUL y WORKPLAN, Hexagon Production Software está alineando nuestro negocio para responder a estas últimas tendencias”.

Hexagon Manufacturing Intelligence mostró recientemente demostraciones de sus soluciones de producción digital que componen la cartera de Software de Producción, que comprende los varios títulos CAD/CAM de Vero Software, que fue adquirida por Hexagon hace un par de años, más NCSIMUL, un paquete de simulación y verificación de alta gama, junto con las soluciones de inspección tradicionales de Hexagon.

“Continuamos desarrollando todos nuestros productos de fabricación, incluyendo creación de trayectorias más rápida y proporcionando estrategias Waveform en toda la gama de productos”, dice Spurrett de la nueva gama fusionada. “También estamos entregando tecnología Advanced Toolform con la introducción de mecanizado de cinco ejes para cualquier forma de herramienta”. Señala que permite formas de herramienta de cinco ejes como barriles, ovales, parabólicas, o cualquier forma dada, para ser calculadas sobre las superficies de la pieza, incluyendo offsets negativos (holguras).

“Diseño para fabricación es una de las soluciones clave que hemos lanzado en los últimos 12 meses”, añade Spurrett. “Estamos proporcionando una solución CAD para CAM, o CAD para Talleres de Mecanizado, para empresas que quieren aprovechar los datos CAD que reciben —o trabajar en un entorno CAD que un taller de mecanizado, o un programador CNC, pueda aprovechar porque proporciona el tipo de funcionalidad que necesitan específicamente para fabricar. El uso de modelado directo permite al usuario modificar directamente la geometría empujando o tirando de piezas del modelo como el usuario considere oportuno”.