COMPUTER-AIDED DESIGN E FABRICAÇÃO

Computer-aided design (CAD), também conhecido como computer-aided design e redacção (CADD), envolve todo o espectro de desenho com o auxílio de um computador a partir de linhas retas para personalizar animação. Na prática, CAD refere – se a software para o projeto de soluções de engenharia e arquitetura, completo com recursos de modelagem bidimensional e tridimensional. A fabricação assistida por computador (CAM) envolve o uso de computadores para auxiliar em qualquer processo de fabricação, incluindo fabricação flexível e robótica. Muitas vezes, as saídas de sistemas CAD servem como entradas para sistemas CAM. Quando esses dois sistemas funcionam em conjunto, o resultado é chamado de CADCAM e se torna parte do processo de fabricação integrada por computador (CIM) de uma empresa.

os sistemas CADCAM destinam-se a auxiliar em muitas, se não todas, as etapas de um ciclo de vida típico do produto. O ciclo de vida do produto envolve uma fase de projeto e uma fase de implementação. A fase de projeto inclui identificar as necessidades e especificações do projeto; realizar um estudo de viabilidade, documentação do projeto, avaliação, análise e otimização; e completar o próprio projeto. A fase de implementação inclui planejamento de Processos, Planejamento de produção, controle de qualidade, embalagem, marketing e Envio. Os sistemas CAD podem ajudar na maioria dos processos de fase de projeto, enquanto os sistemas CAM podem ajudar na maioria dos processos de implementação. As contribuições dos sistemas CAD e CAM são descritas abaixo.

sistemas CAD

os sistemas CAD são uma forma especializada de software gráfico e, portanto, devem aderir aos princípios básicos da programação gráfica. Todos os programas gráficos funcionam no contexto de um dispositivo gráfico (por exemplo, uma janela em um monitor, uma impressora ou um plotter). As imagens gráficas são desenhadas em relação a um sistema de coordenadas 2-D ou 3-D, dos quais existem vários tipos.

um sistema de coordenadas de dispositivo é 2-D e mapeia imagens diretamente para os pontos (pixels) do dispositivo de hardware. Para facilitar gráficos independentes do dispositivo, um sistema de coordenadas de dispositivo virtual abstrai os pontos 2-D em uma estrutura lógica. É claro que os dispositivos que estão sendo projetados são geralmente objetos 3-D, que também exigem um sistema de coordenadas do mundo para representar o espaço em que os objetos residem, e um sistema de coordenadas do modelo para representar cada um dos objetos naquele espaço. O software CAD inclui algoritmos para projetar os modelos 3-D nos sistemas de coordenadas de dispositivos 2-D e vice-versa. Os sistemas CAD incluem várias funções primitivas de desenho, incluindo linhas, polígonos, círculos e arcos, retângulos e outras formas simples. A partir dessas primitivas, os compósitos 3-D podem ser construídos e incluem cubos, pirâmides, cones, cunhas, cilindros e esferas. Essas formas podem ser desenhadas em qualquer cor e preenchidas com cores sólidas ou outros padrões (chamados de incubação). Além disso, as formas básicas podem ser alteradas por filetagem (arredondamento) ou chanfradura (segmentação de linha).

com base na manipulação de formas básicas, os designers constroem modelos de objetos. Um modelo de forma de fio esquelético é uma representação 3-D que mostra todas as bordas e recursos como linhas. Um modelo de aparência mais realista é chamado de modelo sólido, que é um modelo 3-D do objeto sendo projetado como um todo unitário que não mostra recursos ocultos. O modelo sólido representa um volume fechado. Inclui informações de superfície e dados que determinam se o volume fechado contém outros objetos ou recursos. A modelagem sólida envolve funções para criar formas 3-D, combinando formas (através de operações de união, interseção e diferença), varrendo (translacional e rotacional) para converter formas simples em formas mais complexas, esfola (para criação de texturas de superfície) e várias funções de criação de limites. A modelagem sólida também inclui parametrização, na qual o sistema CAD mantém um conjunto de relações entre os componentes de um objeto para que as alterações possam ser propagadas para as seguintes construções.

formas comuns são construídas em recursos (por exemplo, slots, buracos, bolsos), que podem ser incluídos em um modelo sólido de um objeto. A representação de recursos ajuda o usuário a definir partes. Também simplifica o design do software CAD porque os recursos são mais fáceis de parametrizar do que as interações explícitas. Objetos construídos a partir de recursos são chamados de peças. Como um produto que está sendo projetado é composto por várias partes, muitos sistemas CAD incluem um modelo de montagem útil, no qual as peças são referenciadas e suas relações geométricas e funcionais são armazenadas.

os modelos CAD podem ser manipulados e visualizados em uma ampla variedade de contextos. Eles podem ser vistos de qualquer ângulo e perspectiva desejados, separados ou cortados, e até mesmo passar por testes de simulação para analisar pontos fortes e defeitos de design. As peças podem ser movidas dentro de seus sistemas de coordenadas por meio de operações de rotação, que fornecem diferentes perspectivas de uma peça, e tradução, que permite que a peça se mova para diferentes locais no espaço de visualização. Além disso, os sistemas CAD fornecem uma valiosa funcionalidade de dimensionamento, que atribui valores de tamanho com base no desenho do designer.

o movimento dessas imagens é uma forma de animação. Freqüentemente, os sistemas CAD incluem a tecnologia de realidade virtual, que produz imagens animadas que simulam uma interação do mundo real com o objeto que está sendo projetado. Por exemplo, se o objeto é um edifício, o sistema de realidade virtual pode permitir que você visualize a cena como se estivesse andando por dentro e por fora do edifício, permitindo que você visualize dinamicamente o edifício de uma infinidade de perspectivas. Para produzir efeitos realistas, o sistema deve descrever os efeitos esperados da luz refletindo na superfície à medida que se move pelo espaço de visualização do Usuário. Esse processo é chamado de renderização.

a tecnologia de renderização inclui instalações para sombreamento, reflexão e traçado de raios. Essa técnica, que também é usada em videogames sofisticados, fornece uma imagem realista do objeto e geralmente ajuda os usuários a tomar decisões antes de investir dinheiro na construção civil. Algumas interfaces de Realidade virtual envolvem mais do que apenas estímulos visuais. Na verdade, eles permitem que o designer seja completamente imerso no ambiente virtual, experimentando interação cinestésica com o dispositivo projetado.

alguns sistemas CAD vão além de auxiliar no design de peças e, na verdade, incluem funcionalidade para testar um produto contra tensões no ambiente. Usando uma técnica chamada método de elementos finitos (FEM), esses sistemas determinam estresse, deformação, transferência de calor, distribuição do campo magnético, fluxo de fluido e outros problemas de campo contínuo.

a análise de elementos finitos não se preocupa com todos os detalhes do projeto, portanto, em vez do modelo sólido completo, uma malha é usada. A geração de malha envolve a computação de um conjunto de elementos simples, dando uma boa aproximação da parte projetada. Uma boa malha deve resultar em um modelo analítico de precisão suficiente para a computação FEM, mas com um número mínimo de elementos, a fim de evitar complexidade desnecessária. Além do FEM, alguns sistemas CAD fornecem uma variedade de técnicas de otimização, incluindo recozimento simulado e algoritmos genéticos (emprestados do campo da inteligência artificial). Esses métodos ajudam a melhorar a forma, a espessura e outros parâmetros de um objeto projetado, satisfazendo as restrições definidas pelo usuário (por exemplo, níveis de estresse permitidos ou limitações de custo).

quando um designer usa CAD para desenvolver um design de Produto, esses dados são armazenados em um banco de dados CAD. Os sistemas CAD permitem um processo de design no qual os objetos são compostos por sub-objetos, que são compostos por componentes menores e assim por diante. Assim, os bancos de dados CAD tendem a ser orientados a objetos. Como os projetos CAD podem precisar ser usados em sistemas CAM ou compartilhados com outros designers CAD usando uma variedade de pacotes de software, a maioria dos pacotes CAD garante que seus bancos de dados estejam em conformidade com um dos formatos de dados CAD padrão. Um desses padrões, desenvolvido pelo American National Standards Institute (ANSI), é chamado de especificação inicial de troca gráfica (IGES).

outro formato de dados é o DXF, que é usado pelo popular software AutoCAD e está se tornando um padrão da indústria de fato. A capacidade de converter de um formato de arquivo para outro é chamada de troca de dados e é um recurso comum de muitos pacotes de software CAD.

sistemas CAD modernos oferecem uma série de vantagens para designers e empresas. Por exemplo, eles permitem que os usuários economizem tempo, dinheiro e outros recursos gerando automaticamente componentes padrão de um projeto, permitindo a reutilização de componentes projetados anteriormente e facilitando a modificação do projeto. Tais sistemas também prevêem a verificação de projetos em relação às especificações, a simulação e teste de projetos e a produção de projetos e documentação de engenharia diretamente para instalações de fabricação. Enquanto alguns designers reclamam que as limitações dos sistemas CAD às vezes servem para conter sua criatividade, não há dúvida de que eles se tornaram uma ferramenta indispensável no design elétrico, mecânico e arquitetônico.

CAM SYSTEMS

o processo de fabricação inclui planejamento de Processos, Planejamento de produção (envolvendo aquisição de ferramentas, pedidos de materiais e programação de controle numérico), produção, controle de qualidade, embalagem, marketing e Envio. Os sistemas CAM auxiliam em todas, exceto nas duas últimas etapas desse processo. Nos sistemas CAM, o computador interage direta ou indiretamente com os recursos de produção da planta.

o planejamento de processos é uma função de fabricação que estabelece quais processos e parâmetros devem ser usados, bem como as máquinas que executam esses processos. Isso geralmente envolve a preparação de instruções de trabalho detalhadas para máquinas de montagem ou fabricação de peças. Os sistemas de planejamento de processos auxiliados por computador (CAPP) ajudam a automatizar o processo de planejamento, desenvolvendo, com base na classificação familiar da peça que está sendo produzida, uma sequência de operações necessárias para produzir esta parte (às vezes chamada de roteamento), juntamente com descrições de texto do trabalho a ser feito em cada etapa da sequência. Às vezes, esses planos de processo são construídos com base em dados dos bancos de dados CAD.

o planejamento de processos é um problema de agendamento difícil. Para um processo de fabricação complexo, pode haver um grande número de possíveis permutações de tarefas em um processo que requer o uso de métodos sofisticados de otimização para obter o melhor plano de processo. Técnicas como algoritmos genéticos e busca heurística (baseadas em inteligência artificial) são frequentemente empregadas para resolver esse problema.

o aplicativo CAM mais comum é o controle numérico (NC), no qual as instruções programadas controlam as máquinas-ferramentas que trituram, cortam, moem, perfuram ou dobram o estoque bruto em produtos acabados. Muitas vezes, o NC insere especificações de um banco de dados CAD, juntamente com informações adicionais do operador da máquina-ferramenta. Uma máquina-ferramenta NC típica inclui uma unidade de controle de máquina (MCU) e a própria máquina-ferramenta. O MCU inclui uma unidade de processamento de dados (DPU), que lê e decodifica as instruções de um programa, e uma malha de controle unidade (ULC), que converte as instruções para os sinais de controle e opera os mecanismos unidade de máquina-ferramenta.

o programa de peças é um conjunto de instruções que contêm informações geométricas sobre a peça e informações de movimento sobre como a ferramenta de corte deve se mover em relação à peça de trabalho. Velocidade de corte, taxa de alimentação e outras informações também são especificadas para atender às tolerâncias de peças necessárias. A programação parcial é toda uma disciplina técnica em si, exigindo uma linguagem de programação sofisticada e pontos de referência do sistema de coordenadas. Às vezes, os programas de peças podem ser gerados automaticamente a partir de bancos de dados CAD, onde as especificações geométricas e funcionais do design CAD se traduzem automaticamente nas instruções do programa de peças.

os sistemas de controle numérico estão evoluindo para uma tecnologia mais sofisticada chamada prototipagem rápida e fabricação (RP&M). Essa tecnologia envolve três etapas: formar seções transversais dos objetos a serem fabricados, colocar seções transversais camada por camada e combinar as camadas. Esta é uma abordagem sem ferramentas para a fabricação possibilitada pela disponibilidade de sistemas CAD de modelagem sólida. RP&M é frequentemente usado para avaliar projetos, verificar especificações funcionais e engenharia reversa. É claro que os sistemas de controle de máquinas são frequentemente usados em conjunto com a tecnologia robótica, fazendo uso de inteligência artificial e capacidades físicas humanóides controladas por computador (por exemplo, destreza, movimento e visão). Esses” trabalhadores de colarinho de aço ” aumentam a produtividade e reduzem os custos substituindo os trabalhadores humanos em ambientes repetitivos, mundanos e perigosos.

os sistemas CAM geralmente incluem componentes para automatizar a função de controle de qualidade. Isso envolve avaliar as especificações do produto e do processo, testar materiais recebidos e produtos de saída e testar o processo de produção em andamento. Os sistemas de controle de qualidade geralmente medem os produtos que estão saindo da linha de montagem para garantir que estejam atendendo às especificações de tolerância estabelecidas nos bancos de dados CAD. Eles produzem relatórios de exceção para os gerentes de linha de montagem quando os produtos não estão atendendo às especificações.

em resumo, os sistemas CAM aumentam a eficiência da fabricação, simplificando e automatizando os processos de produção, melhorando a utilização das instalações de produção, reduzindo o investimento em estoques de produção e, finalmente, melhorando o atendimento ao cliente, reduzindo drasticamente as situações de falta de estoque.

COLOCANDO TUDO JUNTO: Fabricação integrada por computador

em um sistema CADCAM, uma peça é projetada no computador (via CAD) e depois transmitida diretamente para as máquinas-ferramentas acionadas por computador que fabricam a peça via CAM. Nesse processo, haverá muitas outras etapas computadorizadas ao longo do caminho. Todo o domínio do design, manuseio de materiais, fabricação e embalagem é frequentemente referido como fabricação integrada por computador (CIM).

CIM inclui todos os aspectos de CAD e CAM, bem como gerenciamento de inventário. Para manter os custos baixos, as empresas têm uma forte motivação para minimizar os volumes de ações em seus armazéns. As Políticas de inventário Just-in-time (JIT) estão se tornando a norma. Para facilitar isso, o CIM inclui o planejamento de requisitos de materiais (MRP) como parte de sua configuração geral. Os sistemas MRP ajudam a planejar os tipos e quantidades de materiais que serão necessários para o processo de fabricação. A fusão do MRP com o agendamento de produção da CAM e o controle do Chão de fábrica é chamada de planejamento de recursos de fabricação (MRPII). Assim, a fusão do MRP com a CADCAM systems integra as funções de produção e controle de estoque de uma organização.

as indústrias de hoje não podem sobreviver a menos que possam introduzir novos produtos com alta qualidade, baixo custo e curto prazo de execução. Os sistemas CADCAM aplicam a tecnologia de computação para tornar esses requisitos uma realidade e prometem exercer uma grande influência nos processos de design, engenharia e fabricação no futuro previsível.