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Simulación computacional como herramienta de apoyo a los procesos de manufactura

Los ciclos de desarrollo de productos han evolucionado mucho en los últimos años. Las empresas y fábricas generadoras de bienes de consumo que más éxito han tenido por la calidad de sus productos o por lo innovador de sus conceptos, en su mayoría tienen un factor común en sus procesos: emplean sistemas de diseño basados en simulaciones. 

El diseño basado en simulaciones se puede interpretar como la incorporación de simulaciones computacionales para desde las fases iniciales en sus ingenierías básicas, conceptualizaciones, y luego progresivamente durante los pasos subsiguientes relacionados con diseños finales y evaluación conjunta de sus procesos de fabricación. La intención, disminuir considerablemente las fuentes de error e inclusión de procesos de optimización desde las etapas tempranas de sus procesos productivos.

De este modo, la intención de este artículo es hacer una revisión de algunas de las capacidades de las simulaciones computacionales aplicadas a diferentes procesos de procesamiento de materiales de diversas naturalezas, por ejemplo: metales, polímeros y cerámicas. Existen herramientas muy específicas como Ansys LS-Dyna (basado en dinámica explicita) o el Ansys Polyflow (basado en CFD para estudios de materiales de reología compleja como el plástico o el vidrio fundido) los cuales tienen amplias aplicaciones en empresas de manufactura por la gran precisión con la que se pueden modelar los procesos de fabricación y a su vez el comportamiento de estos materiales durante su transformación.

Técnicas de Procesamiento Metálico:

Algunas de las aplicaciones comunes están asociadas a procesos de:

  • Estampado
  • Doblado
  • Forjado
  • Soldaduras
  • Fundiciones

Por detallar alguna de ellas, en lo referente al proceso de Estampado, son muchos los fenómenos físicos que se pueden modelar, por mencionar algunos:

  • Carga por gravedad de chapa metálica, cierre de carpetas
  • Dibujos profundos,
  • Spring-back y compensación de spring-back
  • Rebordeado y dobladillo (prensa/rodillo)
  • Predicción del desgaste del troquel
  • Análisis de la estructura del troquel
  • Entre otros.

Una de las principales aplicaciones es poder determinar el estado de esfuerzos y deformación residuales debidas al proceso de fabricación tal como se ve en la figura 1.

 

Figura 1. Análisis de deformaciones en pieza estampada.


En la mayoría de los casos se hace indispensable poder realizar estudios de conformabilidad para predecir las zonas en donde ocurrirán problemas cómo agrietamiento, bajo espesor, o arrugas en la superficie metálica. Para ello en Ansys es factible incorporar curvas con los índices de conformabilidad y su relación con las curvas límites de formabilidad (FLD).


Figura 2. Análisis de conformabilidad de pieza estampada.


Técnicas de Procesamiento Polimérico:


Los polímeros para su procesamiento deben llevarse a una temperatura elevada que facilite su transformación. Hay diversas técnicas en las que se pueden emplear actualmente las simulaciones computacionales con Ansys. No sólo es relevante representar el proceso de fabricación sino también el desempeño en servicio, por ende verificaciones específicas como por ejemplo, pruebas de presión, ensayos de caída libre, entre otros son necesarios para garantizar el buen funcionamiento del producto.


Algunas de las principales técnicas en la cual podríamos aplicar simulación tenemos:

 

  • Extrusión (simple, doble, coextrusión)
  • Termo-soplado
  • Termo-formado

Por ejemplo, en el caso de la Extrusión, hay grandes factores que impulsan el desarrollo del producto basado en simulación. En específico es necesario poder conocer como serán las temperaturas de fusión del material granular a medida pasa por los tornillos de extrusión para poder predecir la viscosidad y las velocidades de flujo a la llegada de los dados de extrusión; esta velocidad juega un papel relevante en el balanceo del flujo para evitar distorsiones laterales o fenómenos de excentricidad de las piezas finales. De igual complejidad puede ser predecir la forma del labio de matriz para que garantice la forma deseada considerando fenómenos de expansión, contracción o distorsión lateral producto del proceso de enfriamiento. Adicionalmente es necesario considerar el desempeño mecánico de la pieza extruida por que el proceso de fabricación definirá en gran medida la forma y características mecánicas que dispondrá el componente luego de su fabricación. La simulación se convierte entonces en una herramienta de análisis continuo durante todo el proceso de diseño.

Figura 3. Proceso de diseño y fabricación basado en simulación.



Técnicas de Procesamiento Cerámico:


Es muy común para el vidrio representar sistemas como:

  • Prensado
  • Soplado
Existen algunos desafíos de alta complejidad cuando se trabaja con simulaciones de vidrios, por ejemplo. Por listar una serie de factores cruciales a considerar:
  • La viscosidad del vidrio muy dependiente de la temperatura. Es necesario entonces poder incorporar curvas de materiales en función de T y disponer de algoritmos de simulación que faciliten el modelado preciso de procesos de transferencia de calor. De igual forma, la viscosidad definirá las formas y espesores que se le pueden dar a las piezas, y con ello definir así la resistencia mecánica del componente. 
  • El vidrio es semitransparente, por ende la radiación es factor fundamental a considerar en los fenómenos de transferencia de calor. 
  • El contacto del material fundido con el molde genera: cambio repentino en la condición de contorno térmico y también deslizamiento parcial entre el vidrio y la superficie del molde.
  • Los fuertes cambios geométricos (y topológicos) durante el proceso son complejos de representar, puesto que la pieza usualmente inicia como una gota (o trozo de material fundido) y progresivamente en una secuencia continua termina siendo una botella (por ejemplo).

En el webinar
 “Simulación computacional como herramienta de apoyo a los procesos de manufactura” se muestra con mayor profundidad y detalle las diversas técnicas aquí mencionadas, así como también se hace referencia a como las diversas industrias pueden aprovechar estas tecnologías para impulsar sus procesos de fabricación. 

Para mayor información sobre esta aplicación o productos de simulación computacional ANSYS, visiten: https://www.semco.com.pe/ansys-software-de-simulacion/ 

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