Fabricación asistida por ordenador (CAM): Cómo impulsa la producción moderna

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Fabricación Asistida por Ordenador (CAM): La Introducción Completa para la Mente Principiante

En un mundo lleno de cosas físicas, ya sean productos, piezas o lugares, la Fabricación Asistida por Ordenador (CAM) lo hace todo posible. Somos los que damos el poder del vuelo a los aviones o el rugido de la potencia a los automóviles. Cuando necesitas que algo se haga, no solo se diseñe, CAM es tu respuesta. ¿Qué sucede detrás de escena? Sigue leyendo y lo descubrirás.

¿Qué es CAM? La Fabricación Asistida por Ordenador (CAM) es el uso de software y maquinaria controlada por computadora para automatizar un proceso de fabricación.

Basándonos en esa definición, necesitas tres componentes para que un sistema CAM funcione:

• Software que le dice a una máquina cómo hacer un producto generando trayectorias de herramienta.
• Maquinaria que puede convertir materia prima en un producto terminado.
• Postprocesado que convierte las trayectorias en un lenguaje que las máquinas pueden entender.

Estos tres componentes están unidos con toneladas de trabajo y habilidad humana. Como industria, hemos pasado años construyendo y refinando la mejor maquinaria de fabricación. Hoy, no hay diseño demasiado duro para que cualquier taller de mecanizado capaz pueda manejar.

Proceso de CAD a CAM

Sin CAM, no hay CAD. CAD se enfoca en el diseño de un producto o pieza. Cómo se ve, cómo funciona. CAM se enfoca en cómo hacerlo. Puedes diseñar la pieza más elegante en tu herramienta CAD, pero si no puedes fabricarla eficientemente con un sistema CAM, entonces mejor dedícate a otra cosa.

El inicio de cada proceso de ingeniería comienza en el mundo de CAD. Los ingenieros harán un dibujo 2D o 3D, ya sea un cigüeñal para un automóvil, el esqueleto interno de un grifo de cocina o la electrónica oculta en una placa de circuito. En CAD, cualquier diseño se llama modelo y contiene un conjunto de propiedades físicas que serán usadas por un sistema CAM.

Cuando un diseño está completo en CAD, puede cargarse en CAM. Tradicionalmente, esto se hace exportando un archivo CAD y luego importándolo en software CAM. Si estás usando una herramienta como Fusion 360, tanto CAD como CAM existen en el mismo mundo, así que no se requiere importación/exportación.

Una vez que tu modelo CAD se importa en CAM, el software comienza a preparar el modelo para mecanizado. El mecanizado es el proceso controlado de transformar materia prima en una forma definida a través de acciones como corte, taladrado o mandrinado.

El software de Fabricación Asistida por Ordenador prepara un modelo para mecanizado trabajando a través de varias acciones, incluyendo:

• Verificar si el modelo tiene errores de geometría que afectarán el proceso de fabricación.
• Crear una trayectoria de herramienta para el modelo, un conjunto de coordenadas que la máquina seguirá durante el proceso de mecanizado.
• Establecer parámetros de máquina requeridos, incluyendo velocidad de corte, voltaje, altura de corte/perforación, etc.
• Configurar anidamiento (nesting) donde el sistema CAM decidirá la mejor orientación para una pieza para maximizar la eficiencia de mecanizado.

Una vez que el modelo está preparado para mecanizado, toda la información se envía a una máquina para producir la pieza físicamente. Sin embargo, no podemos simplemente dar a una máquina un montón de instrucciones en español. Necesitamos hablar el lenguaje de la máquina. Para hacer esto, convertimos toda nuestra información de mecanizado a un lenguaje llamado G-code. Este es el conjunto de instrucciones que controla las acciones de una máquina, incluyendo velocidad, avance, refrigerantes, etc.

El G-code es fácil de leer una vez que entiendes el formato. Un ejemplo se ve así:

G01 X1 Y1 F20 T01 S500

Esto se desglosa de izquierda a derecha como:

• G01 indica un movimiento lineal basado en coordenadas X1 e Y1.
• F20 establece una velocidad de avance, que es la distancia que la máquina recorre en una revolución del husillo.
• T01 le dice a la máquina que use la Herramienta 1, y S500 establece la velocidad del husillo.

Una forma más visual de entender las coordenadas G-code. Imagen cortesía de Make:.

Una vez que el G-code se carga en la máquina y un operador pulsa start, nuestro trabajo está hecho. Ahora es hora de dejar que la máquina haga el trabajo de ejecutar el G-code para transformar un bloque de materia prima en un producto terminado.

Máquinas CNC de un Vistazo

Hasta este punto, hemos hablado de la maquinaria en un sistema CAM simplemente como máquinas, pero eso realmente no les hace justicia. Ver una fresadora Haas deslizarse a través de un bloque de metal como si fuera mantequilla pone una sonrisa en mi cara cada vez. Sin estas máquinas, mi trabajo sería imposible.

Imagen cortesía de Haas Automation.

Todos los centros de fabricación modernos ejecutarán varias máquinas de Control Numérico Computarizado (CNC) para producir piezas de ingeniería. El proceso de programar una máquina CNC para realizar acciones específicas se llama mecanizado CNC.

Antes de que existieran las máquinas CNC, los centros de fabricación eran operados manualmente por veteranos mecanizadores. Por supuesto, como todas las cosas que tocan las computadoras, la automatización pronto siguió. Hoy en día, la única intervención humana requerida para ejecutar una máquina CNC es cargar un programa, insertar materia prima y luego descargar un producto terminado.

En el taller Autodesk Pier 9, tenemos una muestra decente de máquinas CNC, incluyendo:

Routers CNC

Estas máquinas cortan piezas y tallan una variedad de formas con componentes giratorios de alta velocidad. Por ejemplo, un router CNC usado para carpintería puede hacer fácil trabajo de cortar contrachapado en piezas de gabinetes. También puede abordar fácilmente grabados decorativos complejos en un panel de puerta. Los routers CNC tienen capacidades de corte de 3 ejes, lo que les permite moverse a lo largo de los ejes X, Y y Z.

Cortadores de Agua, Plasma y Láser

Estas máquinas usan láseres precisos, agua a alta presión o una antorcha de plasma para realizar un corte controlado o acabado grabado. Las técnicas de grabado manual pueden tomar meses en completarse a mano, pero una de estas máquinas puede completar el mismo trabajo en horas o días. Los cortadores de plasma son útiles para cortar materiales eléctricamente conductivos como metales.

Fresadoras

Estas máquinas desbastan una variedad de materiales como metal, madera, compuestos, etc. Las fresadoras tienen una enorme versatilidad con una variedad de herramientas que pueden cumplir requisitos específicos de material y forma. El objetivo general de una fresadora es eliminar masa de un bloque de materia prima de la manera más eficiente posible.

Tornos

Estas máquinas también desbastan materias primas como una fresadora. Lo hacen de manera diferente. Una fresadora tiene una herramienta giratoria y material estacionario, donde un torno gira el material y corta con una herramienta estacionaria.

Imagen cortesía de Halsey Manufacturing.

Máquinas de Electroerosión (EDM)

Estas máquinas cortan la forma deseada de la materia prima a través de una descarga eléctrica. Se crea una chispa eléctrica entre un electrodo y la materia prima, con la temperatura de la chispa alcanzando 8,000 a 12,000 grados Celsius. Esto permite a un EDM derretir casi cualquier cosa en un proceso controlado y ultra-preciso.

Imagen cortesía de Absolute Wire EDM.

El Elemento Humano de la Fabricación Asistida por Ordenador (CAM)

El elemento humano siempre ha sido un tema delicado desde que CAM llegó a la escena en los años 90. En los años 50, cuando John T. Parsons introdujo por primera vez el mecanizado CNC, operar máquinas hábilmente requería una enorme cantidad de entrenamiento y práctica. El video a continuación de NYC CNC muestra un gran ejemplo de cuán diferentes son las máquinas manuales de las máquinas CNC de hoy:

En los días del mecanizado manual, ser un Mecanizador era una insignia de honor que tomaba años de entrenamiento perfeccionar. Un Mecanizador tenía que hacerlo todo: leer planos, saber qué herramientas usar, definir avances y velocidades para materiales específicos y cortar cuidadosamente una pieza a mano. No se trataba solo de destreza manual precisa. Ser un Mecanizador era, y sigue siendo, tanto un arte como una ciencia.

Imagen cortesía de ITABC.CA

Hoy en día, el Mecanizador Moderno está vivo y bien como humano, máquina y software se combinan para mover nuestra industria hacia adelante. Habilidades que solían tomar 40 años dominar ahora pueden conquistarse en una fracción del tiempo. Nuevas máquinas y software CAM nos han dado más control que nunca para diseñar y hacer productos mejores y más innovadores que nuestros antepasados, lo que admitirán... a regañadientes.

¿Qué significa todo esto para el elemento humano de la fabricación? El rol del Mecanizador Tradicional está cambiando. Hoy vemos un entorno de Mecanizadores Modernos desarrollado con tres roles típicos:

• El Operador. Este individuo carga materias primas en una máquina CNC y pasa las piezas terminadas por el proceso final de empaquetado.
• El Operador de Configuración. Este individuo realiza la configuración inicial para una máquina CNC, incluyendo cargar un programa G-code y configurar herramientas.
• El Programador. Este individuo toma el dibujo para un modelo CAD y decide cómo hacerlo con sus máquinas CNC disponibles. Su trabajo es definir las trayectorias, herramientas, velocidades y avances en el G-code para hacer el trabajo.

En un flujo de trabajo típico, el Programador pasará su programa al Operador de Configuración, quien luego cargará el G-code en la máquina. Una vez que la máquina está lista para rodar, el Operador hará la pieza. En algunos talleres, estos roles pueden combinarse y solaparse en las responsabilidades de una o dos personas.

Fuera de las operaciones diarias de máquina, también está el Ingeniero de Fabricación en plantilla. En una configuración de nuevo taller, este individuo típicamente establece sistemas y determina un proceso de fabricación ideal. Para configuraciones existentes, un Ingeniero de Fabricación monitoreará el equipo y la calidad del producto mientras maneja otras tareas gerenciales.

El Impacto del CAM

Tenemos a John T. Parsons que agradecer por introducir un método de tarjetas perforadas para programar y automatizar maquinaria. En 1949, la Fuerza Aérea de EE. UU. financió a Parsons para construir una máquina automatizada que pudiera superar a las máquinas NC manuales. Con algo de ayuda del MIT, Parsons pudo desarrollar el primer prototipo NC.

Desde allí, el mundo del mecanizado CNC empezó a despegar. En los años 50, el Ejército de EE. UU. compró máquinas NC y las prestó a fabricantes. La idea era incentivar a las empresas a adoptar la nueva tecnología en su proceso de fabricación. Durante este tiempo, también vimos al MIT desarrollar el primer lenguaje de programación universal para máquinas CNC: G-code.

Los años 90 trajeron la introducción de CAD y CAM a la PC y han revolucionado completamente cómo abordamos la fabricación hoy. Los primeros trabajos de CAD y CAM estaban reservados para aplicaciones costosas de automoción y aeroespacial, pero hoy software como Fusion 360 está disponible para talleres de fabricación de cualquier forma y tamaño.

Desde su inicio, CAM ha entregado un montón de mejoras al proceso de fabricación, incluyendo:

• Mejora de capacidades de máquina. Los sistemas CAM pueden aprovechar maquinaria avanzada de 5 ejes para entregar piezas más sofisticadas y de mayor calidad.
• Mejora de eficiencia de máquina. El software CAM de hoy proporciona trayectorias de herramienta de alta velocidad que nos ayudan a fabricar piezas más rápido que nunca.
• Mejora de uso de material. Con maquinaria aditiva y sistemas CAM, podemos producir geometrías complejas con desperdicio mínimo, lo que significa costos más bajos.

Por supuesto, estos beneficios tienen algunas compensaciones. Los sistemas de Fabricación Asistida por Ordenador y la maquinaria requieren un costo inicial masivo. Por ejemplo, una Haas VF-1 cuesta unos $45k salida de fábrica; ahora imagina una planta completa de esas. También está el problema de rotación. Con la operación de máquina convirtiéndose en menos un oficio calificado, es difícil atraer y retener buen talento.

CAM es el Hombre

CAM no se trata solo de controlar máquinas en una planta. Se trata de reunir software, máquinas, procesos y personas para construir piezas realmente geniales. Si es tu primera vez sumergiéndote en el mundo de CAM, te animo encarecidamente a contactar con un taller local para obtener una visita interna. Siente el zumbido de las máquinas CNC en tus pies, o desliza tu mano sobre una pieza recién salida de la máquina. Es una experiencia increíble que espero que las generaciones futuras puedan disfrutar. CAM se trata del toque humano.

¿Sigues liándote con herramientas CAD y CAM separadas? Fusion 360 tiene ambas. Prueba Fusion 360 hoy.