Fabricación asistida por ordenador

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La fabricación asistida por computadora ( CAM ), también conocida como modelado asistido por computadora o mecanizado asistido por computadora ^{[1] [2] [3]} es el uso de software para controlar máquinas herramienta en la fabricación de piezas de trabajo. ^{[4] [5] [6] [7] [8]} Esta no es la única definición de CAM, pero es la más común. ^[4] También puede referirse al uso de una computadora para ayudar en todas las operaciones de una planta de fabricación , incluida la planificación, la gestión , el transporte y el almacenamiento. ^{[9] [10]} Su propósito principal es crear un proceso de producción más rápido y componentes y herramientas con dimensiones más precisas y consistencia del material, que en algunos casos, utiliza solo la cantidad requerida de materia prima (minimizando así el desperdicio), al mismo tiempo que reduce el consumo de energía. ^{[ cita requerida ]} CAM es ahora un sistema utilizado en escuelas y propósitos educativos inferiores. ^{[ ¿dónde? ]} CAM es un proceso asistido por ordenador posterior al diseño asistido por ordenador (CAD) y, a veces, a la ingeniería asistida por ordenador (CAE), ya que el modelo generado en CAD y verificado en CAE se puede introducir en el software CAM, que luego controla la máquina herramienta. CAM se utiliza en muchas escuelas junto con CAD para crear objetos.

Tradicionalmente, CAM ha sido una herramienta de programación de control numérico (NC), en la que se generan modelos bidimensionales (2-D) o tridimensionales (3-D) de componentes en CAD . Al igual que con otras tecnologías "asistidas por computadora", CAM no elimina la necesidad de profesionales capacitados como ingenieros de fabricación , programadores de NC o maquinistas . CAM aprovecha tanto el valor de los profesionales de fabricación más capacitados a través de herramientas de productividad avanzadas, como el desarrollo de las habilidades de nuevos profesionales a través de herramientas de visualización, simulación y optimización.

Una herramienta CAM generalmente convierte un modelo a un lenguaje que la máquina de destino en cuestión entiende, normalmente el código G. El control numérico se puede aplicar a herramientas de mecanizado o, más recientemente, a impresoras 3D.

Las primeras aplicaciones comerciales de CAM se dieron en grandes empresas de las industrias automotriz y aeroespacial; por ejemplo, Pierre Béziers trabajó en el desarrollo de la aplicación CAD/CAM UNISURF en la década de 1960 para el diseño de carrocerías y herramientas de automóviles en Renault . ^[11] Alexander Hammer, de DeLaval Steam Turbine Company, inventó una técnica para perforar progresivamente álabes de turbina a partir de un bloque de metal sólido con el taladro controlado por un lector de tarjetas perforadas en 1950. Boeing obtuvo las primeras máquinas NC en 1956, fabricadas por empresas como Kearney y Trecker , Stromberg-Carlson y Thompson Ramo Waldridge . ^[12]

Históricamente, se ha visto que el software CAM tiene varias deficiencias que requieren un nivel excesivamente alto de participación por parte de maquinistas CNC expertos. Fallows creó el primer software CAD, pero tenía graves deficiencias y rápidamente se volvió a llevar a la etapa de desarrollo. ^{[ cita requerida ]} El software CAM generaría código para la máquina menos capaz, ya que cada control de la máquina herramienta se agregaría al conjunto de código G estándar para una mayor flexibilidad. En algunos casos, como la configuración incorrecta del software CAM o de herramientas específicas, la máquina CNC requería edición manual antes de que el programa se ejecutara correctamente. Ninguno de estos problemas era tan insuperable que un ingeniero reflexivo o un operador de máquina experto no pudiera superar para la creación de prototipos o pequeñas tiradas de producción; el código G es un lenguaje simple. En los talleres de alta producción o alta precisión, se encontró un conjunto diferente de problemas en los que un maquinista CNC experimentado debe codificar manualmente los programas y ejecutar el software CAM.

La integración de CAD con otros componentes del entorno de gestión del ciclo de vida del producto (PLM) CAD/CAM/CAE requiere un intercambio eficaz de datos CAD . Por lo general, ha sido necesario obligar al operador de CAD a exportar los datos en uno de los formatos de datos comunes, como IGES , STL o Parasolid , que son compatibles con una amplia variedad de software. El resultado del software CAM suele ser un archivo de texto simple de códigos G/M, a veces de miles de comandos de longitud, que luego se transfiere a una máquina herramienta mediante un programa de control numérico directo (DNC) o, en los controladores modernos, mediante un dispositivo de almacenamiento USB común .

Los paquetes CAM no podían, y aún no pueden, razonar como lo hace un maquinista. No podían optimizar las trayectorias de las herramientas en la medida requerida para la producción en masa . Los usuarios seleccionarían el tipo de herramienta, el proceso de mecanizado y las trayectorias que se utilizarían. Si bien un ingeniero puede tener un conocimiento práctico de la programación de código G, los pequeños problemas de optimización y desgaste se acumulan con el tiempo. Los artículos producidos en masa que requieren mecanizado a menudo se crean inicialmente mediante fundición o algún otro método no mecánico. Esto permite un código G escrito a mano, breve y altamente optimizado que no se podría producir en un paquete CAM.

Al menos en los Estados Unidos, hay una escasez de maquinistas jóvenes y capacitados que ingresan a la fuerza laboral y que pueden desempeñarse en los extremos de la fabricación: alta precisión y producción en masa. ^{[13] [14]} A medida que el software CAM y las máquinas se vuelven más complicados, las habilidades requeridas de un maquinista u operador de máquina avanzan para acercarse a las de un programador e ingeniero de computadoras en lugar de eliminar al maquinista CNC de la fuerza laboral.

Áreas típicas de preocupación

• Mecanizado de alta velocidad, incluida la optimización de las trayectorias de las herramientas
• Mecanizado multifunción
• Mecanizado de 5 ejes
• Reconocimiento de características y mecanizado
• Automatización de procesos de mecanizado
• Facilidad de uso

Con el tiempo, las deficiencias históricas de la CAM se están atenuando, tanto por parte de los proveedores de soluciones de nicho como de los proveedores de soluciones de alta gama. Esto está ocurriendo principalmente en tres ámbitos:

1. Facilidad de uso
2. Complejidad de fabricación
3. Integración con PLM y la empresa extendida ^[15]

Facilidad de uso

Para el usuario que recién comienza como usuario de CAM, las capacidades listas para usar que brindan asistentes de proceso, plantillas, bibliotecas, kits de máquinas herramienta, mecanizado automatizado basado en funciones e interfaces de usuario personalizables específicas para cada función del trabajo generan confianza en el usuario y aceleran la curva de aprendizaje.

La confianza del usuario se fortalece aún más en la visualización 3D mediante una integración más estrecha con el entorno CAD 3D, incluidas simulaciones y optimizaciones que evitan errores.

Complejidad de fabricación

El entorno de fabricación es cada vez más complejo. La necesidad de herramientas CAM y PLM por parte de los ingenieros de fabricación, los programadores de control numérico o los maquinistas es similar a la necesidad de asistencia informática por parte de los pilotos de los sistemas de las aeronaves modernas . La maquinaria moderna no se puede utilizar correctamente sin esta asistencia.

Los sistemas CAM actuales son compatibles con toda la gama de máquinas herramienta, entre las que se incluyen: torneado , mecanizado de 5 ejes , corte por chorro de agua , corte por láser / plasma y electroerosión por hilo . El usuario de CAM actual puede generar fácilmente trayectorias de herramientas optimizadas, inclinación optimizada del eje de la herramienta para velocidades de avance más altas, mejor vida útil de la herramienta y acabado de la superficie, y profundidad de corte ideal. Además de programar operaciones de corte, los software CAM modernos también pueden controlar operaciones que no sean de corte, como el sondeo de la máquina herramienta .

Integración con PLM y la empresa extendida LM para integrar la fabricación con las operaciones empresariales desde el concepto hasta el soporte de campo del producto terminado.

Para garantizar una facilidad de uso adecuada a los objetivos del usuario, las soluciones CAM modernas se pueden escalar desde un sistema CAM independiente hasta un conjunto de soluciones 3D multi-CAD totalmente integradas. Estas soluciones se crean para satisfacer todas las necesidades del personal de fabricación, incluida la planificación de piezas, la documentación del taller, la gestión de recursos y la gestión e intercambio de datos. Para evitar que estas soluciones incluyan información específica de las herramientas, se ha creado un sistema de gestión de herramientas dedicado.

La mayor parte del mecanizado progresa a través de muchas etapas, ^[16] cada una de las cuales se implementa mediante una variedad de estrategias básicas y sofisticadas, dependiendo del diseño de la pieza, el material y el software disponible.

Desbaste

Este proceso suele comenzar con un material en bruto, conocido como tocho , o una pieza de fundición en bruto que una máquina CNC corta de forma aproximada para darle la forma del modelo final, ignorando los detalles finos. En el fresado, el resultado suele dar la apariencia de terrazas o escalones, porque la estrategia ha dado varios "pasos" hacia abajo en la pieza a medida que elimina material. Esto aprovecha al máximo la capacidad de la máquina al cortar el material horizontalmente. Las estrategias comunes son el desbaste en zigzag, el desbaste descentrado, el desbaste por inmersión, el desbaste con restos y el fresado trocoidal (desbaste adaptativo). El objetivo en esta etapa es eliminar la mayor cantidad de material en el menor tiempo posible, sin preocuparse demasiado por la precisión dimensional general. Al desbastar una pieza, se deja deliberadamente una pequeña cantidad de material adicional para eliminarlo en las operaciones de acabado posteriores.

Semiacabado

Este proceso comienza con una pieza desbastada que se aproxima de manera desigual al modelo y se corta dentro de una distancia de desplazamiento fija desde el modelo. La pasada de semiacabado debe dejar una pequeña cantidad de material (llamada festón) para que la herramienta pueda cortar con precisión, pero no tan poco como para que la herramienta y el material se desvíen de las superficies de corte. ^[17] Las estrategias comunes son pasadas de trama , pasadas de línea de flotación, pasadas de paso constante y fresado de lápiz .

Refinamiento

El acabado implica muchas pasadas ligeras a través del material en pasos finos para producir la pieza terminada. Al terminar una pieza, los pasos entre pasadas son mínimos para evitar la deflexión de la herramienta y el retroceso del material. Para reducir la carga lateral de la herramienta, se reduce el acoplamiento de la herramienta, mientras que las velocidades de avance y las velocidades del husillo generalmente se aumentan para mantener una velocidad de superficie objetivo (SFM). Una carga de viruta ligera a alto avance y RPM a menudo se conoce como mecanizado de alta velocidad (HSM), y puede proporcionar tiempos de mecanizado rápidos con resultados de alta calidad. ^[18] El resultado de estas pasadas más ligeras es una pieza de alta precisión, con un acabado superficial uniformemente alto . Además de modificar las velocidades y los avances, los maquinistas a menudo tendrán fresas de extremo específicas para acabado, que nunca se utilizan como fresas de extremo de desbaste. Esto se hace para proteger la fresa de desarrollar virutas y fallas en la superficie de corte, lo que dejaría rayas e imperfecciones en la pieza final.

Fresado de contornos

En aplicaciones de fresado en hardware con ejes de cabezal rotatorio y/o mesa giratoria, se puede realizar un proceso de acabado independiente llamado contorneado. En lugar de realizar pasos de reducción en incrementos de grano fino para aproximarse a una superficie, se gira la pieza de trabajo o herramienta para hacer que las superficies de corte de la herramienta sean tangentes a las características ideales de la pieza. Esto produce un excelente acabado de superficie con alta precisión dimensional. Este proceso se utiliza comúnmente para mecanizar formas orgánicas complejas, como álabes de turbinas e impulsores, que debido a sus curvas complejas y geometría superpuesta, son imposibles de mecanizar con máquinas de solo tres ejes. ^[19]

• Fabricación integrada por computadora (CIM)
• Modelado y fabricación digital
• Control numérico directo (DNC)
• Sistema de fabricación flexible (FMS)
• Fabricación integrada asistida por ordenador (ICAM)
• Gestión de procesos de fabricación (MPM)
• PASO-NC
• Prototipado rápido y fabricación rápida : fabricación de formas libres sólidas directamente a partir de modelos CAD
• Fresado de cavidades CNC

• Yong, Loong Tee; Moy, Peter K. (septiembre de 2008). "Complicaciones de la colocación quirúrgica de implantes guiada por ordenador (NobelGuide™) y diseño asistido por ordenador: una evaluación de los primeros resultados clínicos". Implantología clínica e investigación relacionada . 10 (3): 123–127. doi :10.1111/j.1708-8208.2007.00082.x. PMID  18241215.
• https://patents.google.com/patent/US5933353A/en
• Amin, SG; Ahmed, MHM; Youssef, HA (diciembre de 1995). "Diseño asistido por ordenador de bocinas acústicas para mecanizado ultrasónico mediante análisis de elementos finitos". Journal of Materials Processing Technology . 55 (3–4): 254–260. doi :10.1016/0924-0136(95)02015-2.

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Fabricación asistida por computadora (CAM) .

• Modelos CAD de CADSite.ru
• Cimatron Brasil sobre Software CAD/CAM CimatronE
• Dragomatz y Mann revisaron los algoritmos de trayectoria de herramientas en 1997.
• Mecanizado de cavidades basado en curvas de desplazamiento de Martin Held
• Universidad de Purdue Centro de investigación y educación de Purdue para sistemas de información en ingeniería
• Cómo evaluar un sistema CAM Artículo de Sheetmetalworld.com