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El rol de la simulación de procesos en el
diseño de moldes y troqueles
Dr. Victor H. Vazquez, victor.vazquez@consultorescpm.com.mx
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Resumen Industrial
Las empresas en la actualidad se ven acosadas por presiones de competitividad en los mercados internacionales. Se tienen que mejorar
los procesos y productos de una manera acelerada, de tal forma que estos deben de ser más baratos y con mejores propiedades que
aquellos producidos por los competidores. Por lo tanto, es necesario adoptar tecnologías que nos permitan mejorar nuestros procesos y
productos al mismo o mayor ritmo con el que lo demanda nuestro cliente o nuestro competidor. La tecnología de simulación o modelación
de procesos ofrece la oportunidad de experimentar con las variables de proceso dentro de una computadora para encontrar la siguiente
mejora a implementar. De tal forma, que una vez que se decide realizar una corrida piloto hay un gran porcentaje de certidumbre de que
el proceso va a funcionar y que se van a lograr los beneficios esperados. Este artículo revisa el estado actual de la tecnología de
simulación y varias aplicaciones en forja, estampado, hidroformado de tubos y fundición.
Palabras clave: Simulación de Procesos, Forja, Estampado, Hidroformado, Fundición.
1. Introducción
Las empresas en la actualidad se ven acosadas por presiones
de competitividad en los mercados internacionales como:
• Hacerlo bien a la primera
• Producir con alta calidad (mínimos rechazos)
• Reaccionar rápido a los cambios de mercado
• Reducción de costos (aumento de utilidad)
• Eliminar desde el diseño posibles problemas de
calidad (Diseño para 6 sigma)
• Diseño para manufactura
• Ingenieros y mano de obra experta en edad de
retirarse
• Ingenieros novatos no tienen suficiente experiencia o
entrenamiento en tecnología de manufactura
• Los competidores cuentan con tecnología avanzada
de manufactura. Tanto para el diseño como para la
fabricación de componentes.
Es decir, se tienen que mejorar los procesos y productos de una
manera acelerada, de tal forma que estos deben de ser más
baratos y con mejores propiedades que aquellos producidos por
los competidores. La competitividad basada en mano de obra
barata ha ido en descenso. El nuevo ambiente industrial
demanda que las empresas manufactureras también agreguen
contenido y valor técnico a sus productos y procesos. Los
fabricantes de equipo original con mayor frecuencia licitan
proyectos en los que se indican las especificaciones que debe
de cumplir un sub-ensamble y la empresa manufacturera es
responsable del desarrollo del producto y del proceso. Los altos
costos de desarrollo de productos y procesos de manufactura
de la manera convencional, esto es, a prueba y error, hacen
prohibitivo para las empresas manufactureras competir
exitosamente en el desarrollo de productos.
Por lo tanto, es necesario adoptar tecnologías que nos permitan
mejorar nuestros procesos y productos al mismo o mayor ritmo
con el que lo demanda nuestro cliente o nuestro competidor,
pero a menores costos.
2. Modelar para Mejorar
Para poder mejorar un producto es necesario modificar sus
atributos de manera que sean más deseables por nuestro
cliente. Al inicio del proceso de mejora es necesario visualizar al
objeto o proceso por cuál se produce como un sistema. Dentro
de este sistema debemos de entender cuales son las variables
de proceso relevantes para mejorar los atributos o propiedades
deseables de nuestro producto (ver Figura 1). Una vez que se
entienden estas relaciones es posible desarrollar un modelo
que nos permite la “experimentación virtual” con las variables
del proceso. De tal forma que una vez que se decide realizar
una corrida piloto hay un gran porcentaje de certidumbre de que
el proceso va a funcionar y que se van a lograr los beneficios
esperados.
Un requisito indispensable para una modelación efectiva es la
validación de los modelos a través de mediciones en el campo
de las variables cuantificables. La medición tiene el objetivo de
adquirir suficiente información para desarrollar un modelo
confiable. Posteriormente se llega al entendimiento del
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desempeño del proceso con respecto a las variables y atributos
del producto. El mismo modelo combinado con el entendimiento
de nuestro proceso nos puede ayudar a establecer los limites
aceptables que puede alcanzar una variable para un cierto
proceso, de tal manera que se pueda controlar el proceso para
producir únicamente partes con la calidad requerida.
Los objetivos principales para la simulación numérica de los
procesos tales son:
a) Mejorar la calidad y complejidad de la parte mientras se
reducen los costos de manufactura a través de:
• Predecir y controlar la microestructura y las propiedades
de la parte fabricada
• Reducir el número de operaciones requeridas, pruebas
piloto y tiempos de entrega
• Reducir el rechazo y mejorar la utilización de material
b) Desarrollar un diseño adecuado de la matriz y establecer
los parámetros del proceso para:
Fig. 1: Variables de proceso y tecnologías de apoyo para
procesos de manufactura que utilizan dados, troqueles y
moldes.
Un modelo válido no está limitado a mejorar el proceso para el
que se desarrollo. Su mayor valor está en que éste servirá para
resolver una variedad problemas en los que las variables
relevantes del proceso sean similares a las del problema
original. De tal manera que los costos para el desarrollo de
familias de procesos y productos se reducen.
Un beneficio adicional del modelo es que nuestras mejoras e
innovaciones se vuelven ordenadas, dependiendo menos de la
intuición. Adicionalmente contamos con una herramienta para
evaluar las estrategias de manufactura antes de invertir en
equipo. Lo que trae a su vez competitividad de la empresa en el
desarrollo de tecnología, porque podemos descartar ideas más
rápidamente y concentrarnos en aquellas ideas con las que
vamos a ganar mercados.
3. Modelación de Procesos
En la modelación de procesos la interacción de las variables y
propiedades del material de la pieza de trabajo y del
herramental es traducida al lenguaje matemático como una
serie de ecuaciones. Debido al número de ecuaciones y su
complejidad éstas se resuelven con la ayuda de un programa
computacional.
• Predecir el flujo de material y las dimensiones finales de la
parte fabricada
• Asegurar el llenado de la matriz y prevenir defectos
inducidos por el flujo, como pliegues y rechupes (en forja y
fundición), arrugas y adelgazamiento excesivos (en
conformado de chapas), y porosidad (en fundición)
• Predecir las temperaturas de tal manera que se puedan
controlar las propiedades de la parte.
• Predecir y controlar la vida y falla del herramental
Los pasos necesarios para el diseño integrado del proceso y de
producto se ilustran esquemáticamente en la Fig. 2. La
actividad de diseño representa sólo una pequeña porción, 5 a
15 por ciento, de los costos totales de producción. Sin embargo
las decisiones tomadas en la etapa de diseño determinan los
costos totales de manufactura, mantenimiento y soporte
asociados con un producto específico.
4. Simulación de Procesos de Conformado
Para la aplicación confiable de la modelación de procesos al
menor costo es necesario considerar el efecto de las
propiedades de material, la representación geométrica, el
tiempo de cálculo y la capacidad de malleo y remalleo del
programa de simulación.
4.1. Geometría:
En general es necesario eliminar todas las características
geométricas menores, como pequeños radios de filete en los
herramentales, que no tienen un efecto significativo en el flujo
del material. En casos como en el microformado, hidroformado
de tubos, o embutido profundo los efectos de tamaño deben de
tomarse en cuenta en la simulación [Messner, et al., 1994].
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Fig. 2: diseño del producto y el proceso para manufactura de formas netas
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4.2. Generación de Malla y Remalleo
Para poder simular los procesos es necesario discretizar los
objetos en unidades regulares, llamados elementos. En el caso
de modelos bidimensionales se utilizan elementos cuadriláteros
o triangulares. En el caso de problemas tridimensionales se
utilizan elementos tetraedros o primas rectangulares. El
conjunto de elementos recibe el nombre genérico de malla. La
densidad de la malla, el tamaño de los elementos, debe de
conformarse con las características geométricas de la pieza de
trabajo y los gradientes de las variables de proceso para cada
paso del proceso de manufactura [Wu et al, 1992].
En los procesos de conformado la pieza de trabajo sufre una
deformación plástica muy grande. En la simulación de tales
procesos la distorsión de la malla de la pieza de trabajo es
severa. De modo que es necesario generar una malla nueva e
interpolar los datos de la malla vieja a la malla nueva para
obtener resultados exactos.
4.3. Propiedades del la Pieza de Trabajo y de los
Materiales de Herramienta
Para predecir exactamente el flujo del material, las fuerzas de
conformado o las presiones de llenado es necesario usar datos
de entrada confiables. La curva de flujo se obtiene
generalmente de una prueba de compresión para el
conformado masivo y de una prueba de embutido hidrostático
para la conformación de chapas. En el caso de fundición se
deben de obtener las propiedades reo lógicas y de solidificación
del metal fundido.
En la mayoría de las simulaciones los herramentales se
consideran rígidos. Sin embargo en algunos procesos de forja
de precisión y conformado de lámina las deformación del
herramental puede influenciar tanto las condiciones de carga
térmica como mecánica y la distribución de presiones de
contacto en la interfase herramental-pieza de trabajo. Por lo
tanto, las deformaciones elásticas de las matrices deben
considerarse.
4.4. Condiciones en la Interfase (Fricción y
Transferencia de Calor)
Las condiciones de fricción y transferencia de calor en la
interfase entre la matriz y la pieza metálica tienen un marcado
efecto en el flujo del metal, las cargas requeridas para producir
la parte y la solidificación en su caso. En la simulación de
conformado masivo, como en la forja, debido a las altas
presiones de contacto en la interfase el factor de fricción a corte
constante da mejores resultados que el coeficiente de fricción
de Coulomb. Este último es usado para operaciones de
conformado de lámina. El coeficiente de transferencia de calor
tiene una influencia significativa en el comportamiento de
solidificación para los procesos de fundición.
4.5. Características del Programa de Simulación
(Confiabilidad y Requerimientos de Tiempo de
Cálculo)
El uso eficiente de la simulación de procesos no sólo requiere
de un programa de elementos finitos confiable sino también de:
i) Programas de:
ii)
a) Pre-proceso interactivo para dar al usuario control
sobre los datos de entrada,
b) Remalleo automático para permitir que la simulación
continúe cuando la distorsión de la malla sea excesiva
c) Post-proceso interactivo para un análisis más
avanzado de los datos como el rastreo de puntos y el
cálculo de las líneas de flujo.
Datos de entrada apropiados que describan:
a) Propiedades térmicas y físicas de los materiales del
herramental y de la barra,
b) Coeficientes de transferencia de calor y fricción en la
interfase herramental-pieza de trabajo
c) Curva de flujo del material para deformaciones
unitarias típicas de operaciones de conformado.
iii) Las capacidades de análisis deben de poder realizar:
a) La simulación de procesos con herramientas rígidas
para reducir el tiempo de cálculo
b) Usar las distribuciones de presión de contacto y
temperatura para realizar el análisis de esfuerzos
elástico -plástico de los herramentales.
El tiempo requerido para correr una simulación varia
dependiendo de la computadora que se usa, de la cantidad de
memoria y de la carga de trabajo que tenga tal computadora.
Sin embargo, con las computadoras de hoy en día es posible
correr simulaciones en 2D en cuestión de minutos, mientras que
las simulaciones en 3D pueden tomar de varias horas a varios
días o semanas.
5. Aplicaciones de Conformado Masivo
5.1. Diseño de Secuencias de Conformado
Para establecer las secuencias de forja se emplea un
procedimiento basado en el conocimiento del proceso
[Osakada, et al., 1990]. En las etapas del diseño detallado es
necesario predecir las fuerzas de forjado, las presiones sobre
los herramentales y el flujo del material para asegurar que no
habrá problemas con el proceso.
La forja de un disco a partir de la aleación de aluminio semisólida
A356 fue simulada como se muestra en la Figura 3. Las
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características de deformación estimadas están de acuerdo con
la evidencia experimental. En particular las fuerzas de formado
y los defectos de pliegue fueron predichos con suficiente
precisión.
5.2. Predicción de la Fractura de Piezas Forjadas en Frío
En un estudio reciente el concepto de valor crítico de daño fue
introducido para evaluar varios criterios de fractura dúctil con el
programa DEFORM-2D. Los experimentos y las simulaciones
numéricas demostraron que se podían predecir fracturas
dúctiles con suficiente exactitud [Kim et al., 1995]. La Fig. 4
muestra una secuencia de deformación en un proceso de
extrusión de tres pasos. Puede observarse que fracturas
centrales se forman en el tercer paso debido a la acumulación
de daño. Este programa se usa para predecir la fractura y
corregir los procesos y eliminar la probabilidad de fractura de
componentes forjados en frío [Cerreti, et al., 1997].
Fig. 4: Predicción de formación de defectos internos en
extrusión en frío de múltiples pasos.
5.3. Mejora de Vida del Herramental
En la mayoría de las aplicaciones de forja es recomendable
hacer un análisis de esfuerzos del herramental después de la
simulación del proceso. La capacidad de la modelación del
proceso para predecir la distribución de presión en la interfase
herramental-pieza de trabajo fue usada para mejorar la vida de
servicio de una herramienta. La geometría de un punzón para
forja en frío mostrado sometido a esfuerzos muy grandes se
muestra en la Fig. 5 [ Meidert, et al., 1992, Knoerr, et al., 1994].
Al variar la geometría del punzón sin cambiar las dimensiones
críticas de la parte a producir fue posible reducir los esfuerzos
pico y distribuirlos más uniformemente, ver Figura 6. Como
resultado la vida del punzón aumentó de 7,000 partes a 42,000
partes, es decir 600%.
Fig. 5: Punzón para forja en frío con fractura por fatiga .
(a)
Fig.6: distribución de esfuerzos en a) el punzón original y
b) punzón modificado para mejorar la vida de herramienta
(Esfuerzo en MPa)
(b)
5.4. Análisis Integral de Tratamientos Térmicos
Fig. 3: Secuencia de forja semi-sólida para disco de A356,
predicción de defectos de pliegue. Temperatura en ºC.
La forja de un engrane cónico de acero al manganeso de medio
carbono fue analizado usando DEFORM-3D en una
computadora personal. Este engrane fue formado en caliente
con rebaba. Archivos STL fueron importados de un sistema de
CAD y se aplicó simetría de rotación para reducir el problema
de tal manera que sólo fue necesario simular un veintavo del
volumen total. Ventanas de densidad fueron usadas para hacer
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un refinamiento local de la malla durante la simulación. La
forma final del engrane se muestra en la Fig.7a.
Después del conformado la geometría fue modificada en un
sistema de CAD para simular la remoción de la rebaba y para
taladrar el agujero central del engrane.
a)
6. Aplicaciones en Conformado de Lámina
En el diseño de procesos de conformado de lámina y de sus
respectivos troqueles se usan los mismos pasos que en el
conformado masivo, Fig. 2. Sin embargo, en el conformado de
lámina a menudo es necesario conducir la validación del
proceso mediante el análisis de “un paso” (One Step). Esto se
hace antes del diseño del proceso y del troquel. Este paso le
permite al diseñador de troqueles estimar la facilidad de
conformado del diseño y hacer los cambios necesarios
(Konieczny, et al., 1996]. La simulación de procesos de
estampado es ampliamente aceptada por la industria automotriz
y sus proveedores [Thomas y Altan, 1998].
6.1. Diseño de Proceso y Troquel para Estampado del
Panel Interior de la Puerta de un Excavador
Un panel de producción con problemas potenciales fue
seleccionado por Komatsu y el Centro de Investigación en
Ingeniería para la Manufactura de Formas Netas (ERC/NSM por
sus siglas en inglés) de la Universidad Estatal de Ohio. Esta
geometría fue simplificada en un troquel experimental,
manteniendo las principales características del panel. Se
condujeron una serie de experimentos en Komatsu. Tres
fuerzas de prensachapas fueron utilizadas (100, 300, y 500 kN).
Simulaciones para cada condición experimental fueron
conducidas en el ERC/NSM usando el programa PAM-
STAMP
b)
Fig. 7: a) Simulación de forja en caliente de un engrane con
rebaba, b) Fracción de volumen de martensita (oscuro es lo
más alto) en un engrane de acero después del templado.
(Cortesía de Scientific Forming Technologies)
El engrane fue austenizado a una temperatura de 850ºC y fue
enfriado por 60 segundos con un coeficiente de transferencia de
calor representativo de temple en aceite. Con un diagrama TTT
para aceros al manganeso de medio carbono fue posible
determinar el comportamiento de difusión durante la
transformación de austenita a perlita/bainita, mientras que la
ecuación de Magee fue usada para modelar la respuesta de la
martensita. En la Fig. 7b, la fracción de volumen de martensita
se muestra después del templado. Las regiones oscuras
representan una transformación de martensita más completa y
las áreas más claras indican una mezcla de bainita y perlita
[Walters et al., 1998].
Arrugas
Fig. 8: Arrugas en el panel experimental del interior de
cabina, fuerza de prensa chapas = 10 ton
A los 100 kN, se observaron arrugas en las partes
experimentales como se muestra en la Fig. 8. A los 300 kN, las
arrugas fueron eliminadas. Estas observaciones experimentales
coinciden con las simulaciones de PAM-STAMP (ver Fig. 9).
El panel estampado a 300 KN de fuerza de presa chapas fue
medido para determinar el patrón de embutido. La correlación
entre simulación y los experimentos fue satisfactoria con un
error máximo de 10 mm (ver Fig. 10). Con una fuerza de
presachapas de 500 KN es obvio que la lámina fallará por
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fractura. Las deformaciones unitarias predichas por las
simulaciones de elemento finito (FEM) (ver Fig. 10) están de
acuerdo con los experimentos en cuanto a su distribución pero
difieren un poco en cuanto al effecto de la fuerza de presachapas.
Línea Punteada: Simulada
Línea Sólida: Medida
6.2. Aplicación en Hidroformado Tubos
En el hidroformado de tubos, un blanco tubular recto o
predoblado es puesto en un troquel cerrado, sus extremos son
sellados y se llena con un fluido hidráulico (Dohman y
Bohm,1991). La combinación de la presurización interna y la
aplicación de una carga axial (ver Fig. 11) deforma el tubo para
adoptar la forma del troquel. Un ejemplo de la simulación de
una parte en forma de T se muestra en la Fig. 12. La
comparación de las distribuciones del adelgazamiento del
espesor tanto para la simulación como el experimento indicaron
que las predicciones son muy cercanas al caso real. El mayor
beneficio del hidroformado de tubos son los ahorros
significativos en peso sin sacrificar resistencia.
Fig. 10: Comparación de la predicción y la medición del
material embutido para el panel experimental interior de la
cabina, fuerza de prensa chapas = 30 ton, µ=0.06
Matriz Die
Punches
Punzón
a) 10 ton
Tube
Tubo
Fig. 11: Simulación del proceso de hidroformado de un
tubo en forma T
b) 30 ton
Fig. 9: Predicción y eliminación de arrugas en el panel
experimental interior de la cabina, µ=0.06
Fig. 12: Geometría final del proceso de hidroformado de un
tubo en forma T
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7. Aplicaciones en Fundición
La aplicación de simulación de procesos a problemas de
fundición tiene como objetivo final mejorar la calidad del
producto. Los objetivos principales en la fabricación de
componentes por fundición son el llenado de la matriz con
mínima porosidad y distorsión del producto. Por lo tanto los
programas para simular fundición se utilizan para mejorar la
disposición de los sistemas de alimentación y líneas de
enfriamiento en el molde. De tal manera que antes de comenzar
a vaciar material es posible optimizar el proceso de manera que
solo se requieren pequeños ajustes para producir componentes
de alta calidad.
7.1. Predicción de la Fracción de Sólidos
Para asegurar la correcta predicción del llenado de la matriz es
necesario calcular la fracción de sólidos en un componente a un
cierto tiempo, como se muestra en la Figura 13. Si se alcanza la
solidificación completa de una de las porciones de la fundición
antes de terminar de vaciar el material, esto indicará que puede
haber problemas de llenado. Lo que resulta en cambios tanto
del sistema de alimentación como de los rebosaderos. Inclusive
puede ser necesario cambiar el diseño de la parte dentro del las
dimensiones aceptables para garantizar el llenado.
Fig. 13: Fracción de sólidos durante el enfriamiento de una
fundición automotriz. calculada por ProCAST. Cortesía
UES Software Inc.
7.2. Predicción de Llenado y Flujo de Metal
En los procesos de inyección de aluminio y magnesio se utilizan
moldes permanentes. En estos moldes a menudo se fabrican
pequeños rebosaderos que tienen la función de aportar material
para el llenado de la parte, así como dejar salir el aire de la
cavidad del molde. Este puede quedarse atrapado por el mismo
flujo del material. Al inyectarse el material y llenarse la cavidad,
el aire atrapado en ciertas regiones no puede comprimirse. Esto
origina una falta de llenado o un exceso de porosidad.
Una práctica para evitar la falta de llenado es el uso de bombas
de vacío que extraen el aire de la cavidad momentos antes de
que el metal entre en el sistema de alimentación del molde.
Para saber si se requiere equipar al molde con un sistema de
vacío se puede realizar una prueba de física. Pero esto implica
fabricar el herramental lo cuál puede resultar en un costo
elevado, dependiendo del tamaño del molde. La alternativa de
menor costo es contar con un sistema de simulación que nos
permita tomar en cuenta los efectos de aire o gases atrapados
en la cavidad. La Figura 14 muestra el llenado de una parte
automotriz por el método convencional y con sistema de vacío.
Se puede apreciar en esta figura que es necesario extraer el
aire excedente de la cavidad para producir esta parte dentro de
especificación.
Fig. 14: Simulación de inyección de una parte automotriz de
aluminio con un molde convencional y con un molde con
sistema de vacío calculada por ProCAST. Cortesía UES
Software, Inc.
7.3. Predicción de Esfuerzos Residuales en Fundición
Los esfuerzos residuales generados durante la solidificación y
enfriamiento de las fundiciones pueden ocasionar los siguientes
problemas:
• rotura de los componentes al desmoldarlos
• falla del componente en el servicio
Estos problemas pueden significar gastos significativos debido
a rechazos o aún más importante reclamos de los clientes y la
eventual pérdida del mercado. De manera que es necesario
contar con un sistema capaz de predecir los esfuerzos
residuales en fundiciones que experimentarán cargas elevadas
en servicio. La Figura 15 muestra los esfuerzos residuales en
una fundición (rojo indica el máximo esfuerzo y el púrpura el
mínimo esfuerzo). En estos la brida de sujeción se ha
rediseñado para reducir los esfuerzos a valores aceptables.
Esto llevará a un mejor desempeño del producto en el campo.
8. Requerimientos para la Adopción de Tecnología de
Simulación de Procesos
Adicional a los requerimientos de equipo computacional. Este
tipo de sistemas requieren de personas calificadas y con
conocimientos de los fundamentos de proceso específico y de
las prácticas del taller. Para poder construir modelos robustos
es necesario entrelazar la práctica con la teoría.
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Es una suposición común que los diseñadores que son usuarios
de sistemas CAD, CAM y CAE, aprenderán por si solos el uso
de un programa de simulación de procesos. Sin embargo es
recomendable que reciban el entrenamiento ya que tendrán la
oportunidad desarrollar estrategias de simulación con la ayuda
de un experto que de otra manera tomarían varios meses para
desarrollarse.
Fig. 15: Predicción de esfuerzos residuales calculados por
ProCAST. Cortesía UES Software Inc.
Parlo lograr beneficios a corto plazo de la simulación de
procesos necesario enfocar el esfuerzo a la mejora de procesos
actuales de producción. Es decir, desarrollar proyectos para
aumentar el rendimiento de material y mejorar la durabilidad de
los herramentales.
9. Resumen y Conclusiones
La simulación numérica de procesos asiste al ingeniero a
establecer y optimizar las variables del proceso y el diseño del
herramental. Como resultado, el tiempo y costos de desarrollo
se reducen.
Al hacer simplificaciones basadas en suposiciones educadas,
las simulaciones pueden proporcionar la información de diseño
requerida en una fracción del tiempo requerido por una
simulación detallada.
En el futuro próximo, será posible analizar el proceso de
manufactura por completo en una computadora. Esto permitirá
a los diseñadores incluir los esfuerzos residuales y el flujo de
grano en su análisis del diseño del producto y su aplicación. Los
beneficios deben incluir una reducción en el costo del ciclo de
vida del producto y un aumento en los márgenes de seguridad
en componentes de servicio crítico.
La implementación de programas de simulación de procesos se
pueden usar como ayuda para soportar la innovación en las
empresas y con esto llevar a la empresa manufacturera de la
mera fabricación de componentes al desarrollo de tecnología.
La simulación de procesos también permite a través del uso de
casos resueltos en la misma compañía en entrenamiento de
ingenieros novatos tanto en el proceso como en la tecnología
de simulación de procesos.
10. Referencias
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