Aplicación de la metodología MfM (Models for Manufacturing) para la fabricación de piezas aeronáuticas de chapa metálica

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Trabajo Fin de Máster Ingeniería Aeronáutica Aplicación de la metodología MfM (Models for Manufacturing) para la fabricación de piezas aeronáuticas de chapa metálica Autor: Manuel Roldán Reyes Tutor: Domingo Morales Palma Dpto. Ingeniería Mecánica y Fabricación Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 Trabajo Fin de Máster Ingeniería Aeronáutica Aplicación de la metodología MfM (Models for Manufacturing) para la fabricación de piezas aeronáuticas de chapa metálica Autor: Manuel Roldán Reyes Tutor: Domingo Morales Palma Profesor Titular Dpto. Ingeniería Mecánica y Fabricación Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2023 Trabajo Fin de Máster: Aplicación de la metodología MfM (Models for Manufacturing) para la fabricación de piezas aeronáuticas de chapa metálica Autor: Manuel Roldán Reyes Tutor: Domingo Morales Palma El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: Agradecimientos Hoy me encuentro poniendo fin a una etapa que comencé con enorme ilusión, que me ha supues- to un gran esfuerzo, y que finalizo orgulloso por haberlo conseguido, aunque no habria sido posible sin el apoyo de todos aquellos que me rodean y a los que tengo que mostrar mi agradecimiento. A mi familia, por ayudarme, motivarme y mostrarme su aprecio y orgullo, por sus sabios consejos y por mirar por mí incluso más que yo mismo. A mi pareja, por estar a mi lado y ser capaz de hacerme feliz. Gracias a mis amigos de siempre por el apoyo diario, y su compañía tanto en los buenos momentos como en los malos. Sabéis lo que sois para mí y espero que sigamos creciendo juntos. A mis compañeros de la universidad, con los que he crecido en esta bonita etapa, gracias por todo lo que hemos aprendido juntos y por hacerme disfrutar como lo hacéis. A mis compañeros de trabajo, por enseñarme a crecer personal y profesionalmente. Finalmente a los profesores que he tenido a lo largo de mi vida, por su esfuerzo y vocación para enseñar. Manuel Roldán Reyes Ingeniero Aeronáutico Sevilla, 2023 I Resumen La evolución de los productos aeronáuticos, cada vez con mayor número de componentes, mayores exigencias en los plazos de entrega y costes reducidos, llevan a las empresas a optar por sistemas de gestión cada vez más integrados. El futuro de la industria aeronáutica está ligado inevitablemente al desarrollo de tecnologías que favorezcan la digitalización y estandarización, como la Ingeniería de Sistemas Basada en Modelos (MBSE). En las dos últimas décadas, el uso de estructuras semánticas, como los modelos ontológicos, con el objetivo de mejorar los sistemas de información ha demostrado ser muy eficaz en el ámbito industrial. Models for Manufacturing (MfM) es una reciente metodología OBE (Ontology Based Engineering) para definir y reproducir datos, funciones y comportamientos de sistemas de fabricación complejos mediante modelos gráficos. Se trata de una metodología novedosa, aun en construcción, basada en herramientas agnósticas y que se estructura en una arquitectura de 3 capas independientes, siendo la principal la capa de ontología compuesta a su vez por 4 modelos: alcance, datos, comportamiento y semántico En este proyecto se aplica la metodología MfM para caracterizar el proceso de fabricación de piezas metálicas en dos modelos diferentes. Un primer modelo general, esto es, incluyendo las diferentes tecnologías de fabricación de piezas metálicas, del que únicamente se desarrolla el modelo de alcance de la capa de ontología; y otro más específico enfocado en el conformado de chapa metálica. En este último, se desarrollan los 4 modelos de la capa de ontología y además, se propone una estructura para realizar las capas de datos y de servicios en trabajos futuros. Para mejorar la comprensión del modelo, se muestran dos ejemplos prácticos para dos piezas fabricadas con los procesos de conformado de chapa más utilizados en la industria aeronáutica: plegado e hidroconformado. El objetivo del modelo es caracterizar el proceso de conformado, esto es, reconocer el proceso de fabricación más apropiado, y posteriormente definir las operaciones y recursos necesarios, partiendo del modelo CAD de la pieza. Además, el modelo se complementa con otras herramientas MfM ya existentes para el conformado de chapa. III XÍndice 4.1.2 Prototipo del método de reconocimiento automático de características 36 4.2 Determinación de parámetros de conformado a partir de las características de la pieza 39 4.2.1 Modelo de Gupta y Sreenu para la determinación de parámetros de procesado 39 4.3 Aplicación del MfM en el conformado de chapa incremental (SPIF) 40 5 Modelado MfM de la definición del proceso de conformado de una pieza de chapa 43 5.1 Capa de ontología 43 5.1.1 Modelo de alcance 43 5.1.2 Modelo de datos 46 5.1.3 Modelo de comportamiento 48 5.1.4 Modelo semántico 53 5.2 Capa de datos 54 5.3 Capa de servicios 55 5.4 Ejemplos prácticos 57 5.4.1 Ejemplo 1: Pieza fabricada por plegado 57 5.4.2 Ejemplo 2: Pieza fabricada por hidroconformado 63 5.5 Aplicaciones 69 6 Discusión, conclusiones y trabajos futuros 71 6.1 Discusión y conclusiones 71 6.2 Líneas futuras de estudio 72 Índice de Figuras 75 Índice de Tablas 79 Índice de Códigos 79 Bibliografía 81 1 Introducción El mercado aeronáutico se encuentra en permanente crecimiento. Las necesidades de transporte de viajeros para los próximos 20 años indican que se va a pasar de las más de 20.000 aeronaves comerciales actuales a más de 43.000 en 2036. Este incremento del número de aviones, unido a la aparición en el mercado de nuevos agentes competidores, exige la actualización de los conceptos que envuelven la aeronáutica. Desde la innovación en técnicas de fabricación y manufactura, hasta la implementación de nuevas tecnologías de sistemas y aeroestructuras, que sean más respetuosas con el medio ambiente y reduzcan los costes actuales. El futuro de la industria aeronáutica está ligado inevitablemente al desarrollo de tecnologías que hagan posible la llegada de la digitalización de la industria. Tecnologías como las herramientas y procedimientos de Ingeniería de Sistemas Basada en Modelos (MBSE) y Gestión del Ciclo de Vida del Producto (PLM) son cada vez más importantes en la industria y desempeñan un papel clave en la transformación de este sector hacia una actividad más eficiente y sostenible. La fabricación de aviones ha sido tradicionalmente reacia a la introducción de saltos tecnológicos en el proceso de producción debido a la complejidad y los estrictos requisitos de garantía de seguridad que implica el sector aeronáutico, pero también a un tremendo prejuicio contra la asunción de cualquier tipo de riesgo, y cualquier innovación es riesgo. No obstante, los fabricantes de aeronaves están pasando poco a poco a un nuevo concepto de fábrica en el que los datos son la base y el activo más preciado de la empresa. Uno de los retos principales, suele ser el manejo de las grandes cantidades de datos que intervienen en estos proyectos. En las dos últimas décadas, el uso de estructuras semánticas, como los modelos ontológicos, con el objetivo de mejorar los sistemas de información ha demostrado ser muy eficaz en el ámbito industrial. El desarrollo de modelos ontológicos se ha convertido ya en una disciplina de ingeniería, la ingeniería ontológica, que se refiere al "conjunto de actividades que conciernen al proceso de desarrollo de ontologías y el ciclo de vida de las ontologías, los métodos y metodologías para construir ontologías, y los conjuntos de herramientas y lenguajes que las soportan". Models for Manufacturing (MfM) es una reciente metodología OBE (Ontology Based Engineering) para definir y reproducir datos, funciones y comportamientos de sistemas de fabricación complejos mediante herramientas de creación de modelos gráficos asistidos por ordenador. Nace del concepto de la metodología MBSE, utilizando modelos y su enfoque de comportamiento abstracto para permitir una definición de ingeniería más sólida. La metodología MfM propone una arquitectura de modelo de 3 capas (3LM), que se describirá en detalle en este trabajo. 1 2Capítulo 1. Introducción 1.1 Motivación del trabajo Personalmente, me resulta un proyecto motivador y de gran interés, que me permitirá acercarme a las líneas de tendencia actuales de la industria aeronáutica. La metodología MBSE es aún un campo pendiente en la industria de la fabricación, pero que sin duda, teniendo en cuenta su potencial, llegará a convertirse en uno de los ejes principales durante todas las fases de los proyectos industriales. El hecho de ser algo emergente, y aun no muy extendido, supone un gran reto pues no hay demasiadas fuentes de información, y las aplicaciones son aún muy limitadas. Del mismo modo que el Trabajo Fin de Grado se desarrolló en el marco de una de las iniciativas tecnológicas a nivel europeo, denominada Clean Sky, en este caso la metodología MBSE también ha sido ampliamente utilizada para proyectos en este ámbito. Por ejemplo, en el artículo [ 10 ], los autores han hecho uso de la metodología MfM y de los conceptos del MBSE, para integrar el entorno de diseño de ingeniería 3D con la ecoeficiencia y la evaluación de la eficiencia en el proyecto DILECO, que tiene como objetivo trabajar en el desarrollo de herramientas de gestión del ciclo de vida del producto para pruebas funcionales en tierra de aeronavez con criterios de diseño ecológico con el fin de mejorar las líneas de ensamblaje final y la eficiencia del proceso de pruebas de sistemas en tierra. 1.2 Objetivos Con este proyecto se pretende hacer uso de la metodología MfM para crear un prototipo de modelo que ayude a caracterizar el proceso de fabricación de una pieza de chapa metálica, centrándose en las aplicaciones aeronáuticas más habituales. Entre los objetivos perseguidos con el desarrollo de esta memoria, se incluyen los siguientes. Introducir los conceptos de la Ingeniería sistemas basada en modelos (MBSE), y de su metodología MfM basada en el modelo de 3 capas (3LM). Centrándose en las aplicaciones de esta metodología en la fabricación de piezas metálicas aeronáuticas, y las investigaciones ya existentes, se pretende proporcionar un modelo básico para determinar qué proceso de fabricación puede resultar más conveniente para fabricar la pieza, conociendo el modelo CAD, e información relevante como el material, el número de piezas, o la apliación. Posteriormente, se particularizará para la caracterización del proceso de fabricación de una pieza de chapa metálica. Todo ello, se hará haciendo uso de los diagramas representativos típicos de esta metodología, para los que se utilizan algunas herramientas informáticas de software libre. 1.3 Estructura del proyecto Este proyecto se compone de tres cuerpos fundamentales: descripción de la metodología MBSE, introducción a los procesos de fabricación de piezas metálicas y aplicación del MfM al conformado de piezas de chapa metálica. En el Capítulo 2 se exponen los conceptos de la ingeniería de sistemas basada en modelos (MBSE), de su aplicación en la fabricación y el concepto de MfM. Se detalla la arquitectura de esta metodología, y se presentan las 3 capas que componen el modelo: datos, ontología y servicios. En el Capítulo 3 se presentan los diferentes procesos de fabricación más utilizados para producir piezas metálicas. De este modo, se presentará un modelo básico para ayudar en la caracterización del proceso de fabricación de una pieza metálica, desde la elección del proceso más conveniente 1.3 Estructura del proyecto 3 hasta la definición del mismo, en cuanto a operaciones y recursos. El Capítulo 4 contiene una recopilación de aplicaciones de MBSE desarrolladas para distintos objetivos en el conformado de chapa metálica. Por un lado, un modelo para el reconocimiento automatizado de características de una pieza. Posteriormente, un modelo para el reconocimiento y evaluación de parámetros de fabricación. Por último, la aplicación del MfM en un proceso de conformado de chapa incremental. Finalmente, en el Capítulo 5, se presenta un prototipo de modelo para la definición de operaciones y recursos necesarios el proceso de conformado de una pieza de chapa metálica, donde se hará uso de todos los conceptos desarrollados en los capítulos anteriores. 2 La metodología Models for Manufacturing (MfM) 2.1 Introducción Model-Based Systems Engineering (MBSE) es una metodología que ha cogido impulso en los ultimos 20 años, y que hoy en día continúa teniendo grandes posibilidades de mejora. Uno de los objetivos principales es sustituir el clásico modelado 3D basado en documentos, en favor de una definición basada en modelos, que cuenta con grandes beneficios. Autores como Bergenthal o Frechette definen el MBSE como: "Un enfoque de la ingeniería que utiliza modelos como una parte integral de las bases técnicas, desde los requisitos, el análisis, el diseño, la implementación, la verificación de capacidades, los sistemas o el producto a lo largo del ciclo de vida". "Una organización que utiliza las tecnologías de modelado y simulación para integrar y gestionar sus procesos técnicos y económicos para definir, ejecutar, controlar y gestionar todos los procesos del negocio". El MBSE ha sido aceptado mundialmente por la industria aeronáutica, y ya se han hecho cientos de desarrollos sobretodo centrados en el ámbito del diseño de sistemas. Muchas investigaciones, desarrollos y proyectos se han realizado utilizando MBSE, no obstante, las aplicaciones en el ámbito de la fabricación no han tenido demasiada atención. Si bien, es cierto que el diseño industrial del producto, de los procesos de ensamblaje, balance de lineas, gestión de configuración, son algunas de las tareas más comunes durante la fase productiva del ciclo de vida del producto, y están originando en los últimos años cierto interés. Algunos autores están dedicando sus esfuerzos en introducir los sistemas MBSE en la industria de fabricación. En el artículo [ 8 ] se plantea un ejemplo, cuyo objetivo es proponer una nueva metodología basada en los sistemas MBSE capaz de aplicarse a lo largo de las fases de diseño industrial, fabricación en serie y soporte a cliente del ciclo de vida de las aeronaves. Entre la fase de diseño, y la fase productiva y operativa, se reúnen aproximadamente 50 años en los que se practican actividades de todo tipo. No obstante, la información de cada una de estas fases esta dispersa en múltiples bases de datos de diferentes software (tanto comerciales como propios). Las bases de datos, los modelos de procesado y las interfaces con otros sistemas, son en la mayoría de los casos provistas por software comercial sin contar con las necesidades del usuario. Esto provoca, que la información que manejan las 5 6Capítulo 2. La metodología Models for Manufacturing (MfM) empresas esté ligada al uso de estos programas comerciales. Por otro lado, hay que tener en cuenta que en el proceso de desarrollo, cada producto podrá evolucionar de forma independiente, motivando cambios sobre otros productos, y dificultando la posibilidad de tener una visión clara del desarrollo en un momento concreto. Otra de las dificultades que se encuentran habitualmente, suele ser la definición de familias de productos y sistemas, que a pesar de tener una base de diseño común, se despliegan una serie de diferencias entre productos para satisfacer las necesidades de los clientes. Como se explicará mas adelante, la solución propuesta para acercar el MBSE a la fabricación, se ha denominado MfM (Models for Manufacturing). Y para garantizar el éxito en la aplicación del MfM en el proceso de desarrollo de un producto, se debe contar con una estructura de gestión de ciclo de vida. Parece razonable utilizar como base, las herramientas de PLM (Product Lifecycle Management) ya existentes para la gestión de productos, dada su robustez y valía para este propósito. La estructura basada en PLM aplicada a modelos se denomina MLM (Model Lifecycle Management). Del mismo modo que el PLM gestiona los modelos CAD y sus relaciones, el MLM debe gestionar los modelos y objetos de la capa de ontología definida en el 3LM. En [6] se expone a través de un ejemplo una arquitectura preliminar para el MLM, en terminos de inferfaz, procesos, restricciones y comportamientos, utilizando un sistema de PLM como núcleo del sistema MLM para soportar la metodología MfM, gestionado con ARAS Innovator como software libre. Un sistema MLM representa una estructura para apoyar la metodología MfM, con el objetivo de colaborar y co-crear en el desarrollo de modelos entre diferentes departamentos, organizaciones o empresas. El MLM conlleva 3 tareas diferentes: crear y desarrollar la ontología, gestionar la ontología en el ciclo de vida y generar estructuras de datos. Los avances con el MLM, han generado la necesidad formalizar los conceptos, es decir, crear un modelo de modelos, a lo que se denominará metamodelos. 2.2 Modelo de arquitectura de 3 capas (3LM) para la metodología MfM La metodología MfM está basada en un modelo de arquitectura de 3 capas (3LM, 3-Layer Model) [ 8 ]: capa de datos, capa de ontología y capa de servicios. El 3LM se apoya en herramientas de modelado de fácil uso y garantiza la independencia entre las tres capas, manteniendo aisladas tanto la capa de datos, como la de ontología y la de servicios. De hecho, el 3LM desacopla el sistema vertical tradicional desarrollado por los proveedores de software dando a los usuarios la independencia de migrar servicios de software dentro de la capa de servicios fácilmente. La capa de datos recoge toda la información en términos de bases de datos: bases de datos heredadas de software, bases de datos de software comerciales, o disponibles en la nube. La capa de ontología es el núcleo central del marco 3LM, ya que contiene el conocimiento de la empresa en sí, los modelos de datos y semánticos, así como los requisitos de simulación o comportamiento asociados. Por último, la capa de servicios comprende los servicios de software, herramientas de simulación, visualizadores, servicios de análisis de datos, cuadros de mando, etc. En resumen, la ventaja principal de esta metodología es su carácter agnóstico, ya que no se basa en ningún lenguaje o herramienta de modelado concreta. 2.3 Reglas de oro de la metodología MfM La metodología MfM establece un conjunto de reglas, conocidas como reglas de oro para el desarrollo de ontologías, que pueden resumirse como: 2.3 Reglas de oro de la metodología MfM 7 Figura 2.1 Estructura conceptual del modelo de 3 capas (3LM). •La metodología MfM proporciona un conjunto de metamodelos para definir ontologías. • La metodología MfM es agnóstica en cuanto a las herramientas, y no se decanta por utilizar una concreta. • La metodología MfM promueve un mecanismo para gestionar el ciclo de vida y el control de configuración haciendo uso del MLM. Regla 1: Metamodelos MfM Durante la investigación y desarrollo de la metodología MfM, se han ido desarrollando y perfeccionando muchos conceptos hasta alcanzar el estado actual. La definición clara de estos conceptos se recoge en lo que se denomina metamodelos MfM, y su objetivo es evitar ambigüedades o posibles confusiones en el desarrollo de los modelos ontológicos, especialmente debido al uso de diferentes herramientas para representar modelos, teniendo en cuenta que cada una tienen sus respectivos esquemas de representación y objetos. Con la definición de estos metamodelos, se proporcionan las especificaciones que cualquier herramienta debe cumplir para poder usarse en el modelado MfM. Las especificaciones de los metamodelos MfM desarrollados para la capa ontológica (alcance, datos, comportamiento y semántico) y las relaciones entre ellos, respaldan los conceptos de la metodología MfM al ser independientes de cualquier herramienta comercial, al mismo tiempo que no incluye información propia de la visualización de los diagramas, como puede ser la posición de los elementos, el tamaño, etc. 8Capítulo 2. La metodología Models for Manufacturing (MfM) Regla 2: Herramientas de software agnósticas La metodología MfM promueve que el desarrollo de los modelos se haga a partir de herramientas agnósticas que permitan la escritura, lectura y comprensión fácil por parte de los usuarios. Además, se debe garantizar que estos modelos se pueden compartir y discutir. Por este motivo, los modelos ontológicos MfM se han construido en torno a aplicaciones FOSS (Free and Open Source Software). Tal y como se verá reflejado más adelante, los modelos se desarrollan con herramientas de modelado como Ramus, CmapTools, Graphviz y hojas de cálculo. En cualquier caso, se garantiza que estas herramientas se puedan sustituir en cualquier momento por otras que se adhieran a los metamodelos MfM. Regla 3: Gestión del ciclo de vida del modelo (MLM) La metodología MfM se caracteriza porque su definición se realimenta de forma iterativa, en base a las experiencias de uso en diferentes aplicaciones. Del mismo modo, los modelos ontológicos, que recogen el conocimiento de un sistema en un momento determinado de su ciclo de vida, se definen y perfeccionan progresivamente. El conjunto de modelos, sus elementos, las conexiones entre modelos ontológicos e incluso entre elementos de distintos modelos u otras ontologías se convierten en un sistema complejo. Complejidad que se ve incrementada aún más si se tienen en cuenta los métodos, el software y las bases de datos que hay que gestionar durante el desarrollo de la ontología. Para garantizar la evolución de los modelos, se acaban convirtiendo en requisitos indispensables la accesibilidad y reutilización de los mismos. Por este motivo, la capa ontológica del MfM debe estar guiada por un sistema de MLM (Model Life cicle Management), lo que se podría definir como un sistema de gestión que sincroniza las operaciones de creación, lectura, actualización y borrado en modelos heterogéneos dentro de las herramientas de modelado de soporte y repositorios de modelos, a lo largo del desarrollo del sistema.Como se adelantaba anteriormente, parece que lo más lógico es utilizar las herramientas de PLM (Product Lifecycle Management) ya existentes para la gestión de productos, dada su robustez y similitud conceptual. 2.4 Capa de datos La capa de datos comprende todos los datos que definen los metamodelos MfM, los modelos ontológicos y las propias instancias de los modelos. En cuanto a las instancias del modelo, se requiere que los datos tengan una cierta estructura lógica para poder gestionarlos. Es habitual que los datos no se almacenen de forma estructurada, sino que estén dispersos en diferentes hojas de calculo o documentos. No obstante, resulta conveniente que los datos estén lo más organizado posible, y para ello existen diferentes técnicas, con capacidad para agrupar mucha información en un único documento y además, es de fácil lectura y comprensión por el usuario. 2.5 Capa de ontología El núcleo del 3LM es la capa de ontología, donde se recoge, almacena, gestiona y utiliza el conocimiento de la empresa. La capa ontología se desarrolla en cuatro modelos: Alcance, Datos, Comportamiento y Semántica. Siguiendo una de sus reglas de oro, la capa de ontología se define de forma agnóstica; no está vinculada a ningún lenguaje ni a ninguna herramienta de software concreta. 2.5 Capa de ontología 9 Figura 2.2 Descripción de la capa de ontología. La Figura 2.2 muestra un resumen de los 4 modelos con el tipo de diagrama que se utiliza en la actualidad, el software de modelado y un esquema sencillo para ilustrar el tipo de diagrama. Modelo de alcance El modelo de alcance es el primer paso para crear la ontología, y define los límites dentro de los cuales actúa la ontología. Definir el alcance es necesario porque un ámbito puede ser una parte amplia y extensa del ciclo de vida de un producto y los modelos por tanto, pueden abarcar varios temas. El alcance define claramente los límites en los que trabaja el modelo y contiene las principales actividades del sistema, los medios o recursos utilizados para su realización y los principales objetos de datos requeridos y arrojados por las actividades. El modelo de alcance es un modelo clave para el debate entre expertos y debe ser lo más sencillo posible. Para modelar el modelo de alcance, se decidió usar diagramas IDEF0, al ser una herramienta ampliamente utilizada en el sector aeroespacial desde hace décadas y que cumple uno de los requisitos de la metodologís MfM, ser "fácil de escribir" y "fácil de leer". El lenguaje IDEF0 hace uso de elementos como actividades y objetos, y ayuda al usuario a identificar qué actividades se realizan y qué objetos son necesarios para llevarlas a cabo en cuatro categorías: entradas, salidas, controles y recursos. Un diagrama IDEF0 representa cómo se realiza una actividad determinada dividiéndola en subactividades. En estos diagramas, las actividades se representan como cajas rectangulares etiquetadas (véase en la Figura 2.3). Las entradas, los controles y los recursos son flechas etiquetadas que entran en una caja de función por el lado izquierdo, superior e inferior respectivamente, mientras que las salidas salen por el lado derecho. En IDEF0 sólo son posibles determinadas configuraciones de flechas, por ejemplo, la salida de una función puede apuntar a otra función como entrada o control, pero no como recurso. Figura 2.3 Modelo de alcance. 16 Capítulo 3. Modelado MfM de la definición del proceso general de fabricación de una pieza Las operaciones de mecanizado están caracterizadas por tres movimientos: corte, avance y penetración (véase la Figura 3.1). Cada uno de ellos está definido por un conjunto de parámetros que resulta necesario cuantificar antes de comenzar la operación de mecanizado. Fundamentalmente, hay que tener en cuenta la velocidad de corte, velocidad de avance, la penetración, el ángulo de incidencia de la herramienta, así como el ángulo de desprendimiento, de inclinación, y de deslizamiento. Obviamente también será necesaria la potencia de corte, aunque existen métodos para estimarla. Además, las herramientas destinadas al mecanizado tienen que estar preparadas para los efectos asociados a la formación de viruta, como el filo recrecido que puede dañar la superficie de la pieza. En el diseño del proceso de mecanizado, el diseñador del proceso define la secuencia de operaciones de mecanizado, la estrategia de cada operación (desbaste/acabado, tipo de movimiento, etc), selecciona la herramienta más adecuada y cuantifica los movimientos. Los sistemas CAD/CAM permiten definir todos estos parámetros y programar los movimientos de una máquina CNC. La Figura 3.2 muestra un ejemplo del mecanizado de una pieza compleja en un centro de mecanizado CNC. Figura 3.2 Ejemplo de un compresor centrífugo fabricado por mecanizado. 3.2.2 Extrusión La extrusión es un proceso estacionario de conformado que presiona el material y lo obliga a pasar por el orificio de una matriz, para así fabricar perfiles con una determinada sección transversal. En este proceso, se parte de un material en forma de barras cilíndricas para transformarlo en tubos y perfiles de diferentes secciones (Figura 3.3). De este modo, las piezas producidas por extrusión suelen requerir operaciones posteriores de acabado, como taladrado, corte o mecanizado. El equipo está formado por la matriz de extrusión (que define la sección del producto), el contenedor y el pistón. Los procesos de extrusión se pueden clasificar según la dirección, directa o indirecta (véase la Figura 3.4), según el equipo, horizontal o vertical, y según la temperatura, en frío o en caliente. No obstante, la extrusión en caliente presenta algunos inconvenientes que resulta apropiado tener en cuenta a la hora de elegir el proceso: puede aparecer una capa de óxido abrasiva, las matrices sufren un mayor desgaste, y la deformación puede no ser uniforme debido al enfriamiento de la preforma en la cámara. No obstante, la extrusión en caliente puede hacer piezas más grandes y de 3.2 Procesos de fabricación de piezas metálicas 17 extrema complejidad. Por el contrario, la extrusión en frío fabrica piezas más pequeñas con menos complejidad. En cuanto a los parámetros del proceso, dependerán del tipo de extrusión, ya que por ejemplo, en el caso de extrusión directa el material fluye a través del contenedor empujado por el pistón, y la fricción con el contenedor incrementa apreciablemente la presión total de extrusión. Será necesario tener en cuenta factores como la relación de extrusión (relación de áreas entre el contenedor y la matriz), el ángulo de la matriz, la temperatura o la velocidad de extrusión. Finalmente, es necesario calcular la presión de extrusión, para lo que igualmente existen métodos aproximados que dependen de coeficientes obtenidos experimentalmente. Figura 3.3 Ejemplos de perfiles de aluminio fabricados por extrusión. Figura 3.4 Diagramas de extrusión directa e indirecta. Por su lado, en la extrusión indirecta el movimiento del pistón y el de salida del material son opuestos. El pistón empuja a la matriz de extrusión. De este modo, no hay fricción en el contenedor. Por contra, el pistón no podrá ser tan robusto como en la extrusión directa, por lo que no se podrán desarrollar fuerzas tan grandes, estando limitadas la complejidad de la pieza y la longitud del producto (restringida por la longitud del pistón). Los parámetros serán los mismos que en la extrusión directas eliminando la influencia de la fricción con el contenedor. Como alternativa a estos procesos, existe una variante de la extrusión directa denominada extrusión hidrostática, que consiste en introducir un fluido entre el material y el contenedor, eliminando así la fricción y teniendo todas las prestaciones de la extrusión directa. 18 Capítulo 3. Modelado MfM de la definición del proceso general de fabricación de una pieza 3.2.3 Conformado de chapa Gran parte de la actividad que concierne la producción metálica industrial, está dedicada a productos de chapa conformada, motivado principalmente por la buena resistencia mecánica y la alta relación resistencia/peso. Los productos de chapa conformada tienen aplicación en múltiples sectores, como el sector aeronáutico, la industria automovilística, en construcción, e incluso en la alimentación. Las operaciones de conformado de chapa, se caracterizan por ser una deformación plástica que en muchas ocasiones se produce en una zona muy localizada del material. Generalmente, son operaciones en frío, si bien para casos de espesores elevados o baja ductilidad se conforman en caliente, o al menos con aporte de temperatura. Por otro lado, las operaciones de conformado se pueden clasificar por varios tipos: plegado, embutición, cizallado, estampación, estirado, conformado rotativo, conformado por rodillos, hidroconformado, etc. En un proceso de conformado de chapa, se distinguen varias etapas como puede reflejarse en la Figura 3.5, es decir, partiendo de una chapa, en primer lugar se necesita una operación de corte, y posteriormente se somete a una operación de conformado, para ser terminada eliminando creces o aplicando protección superficial. Figura 3.5 Procesos de conformado de chapa. En la mayoría de los procesos convencionales de conformado de chapa es necesario disponer de una prensa, ya sea hidráulica o mecánica. A continuación, se describen brevemente las operaciones más habituales. 3.2 Procesos de fabricación de piezas metálicas 19 Corte El corte de chapa como proceso de conformado, hace referencia al proceso en el que una hoja metálica se corta al someterla a esfuerzos cortantes localizados, mediante la acción conjunta de dos cuchillas o matrices, una fija y otra móvil. En este proceso, es importante tener en cuenta un factor denominado holgura, pues tiene un gran efecto en la fuerza de corte y en la rebaba. Las operaciones de corte con prensa, son muy básicas y de geometrías sencillas. Se denomina cizallado al corte en línea recta, y punzonado o perforado al corte en línea cerrada. En este tipo de procesos, hay que tener en cuenta que siempre habrá que considerar una pequeña rebaba en el plano de corte, consecuencia de la holgura (c en la Figura 3.6). Para mejorar la calidad del corte previo, se emplean operaciones de rasurado. Figura 3.6 Proceso de cizallamiento. No obstante, hay otros métodos distintos del conformado plástico para cortar chapas, como son el aserrado por fricción, corte con soplete, corte con rayo láser, y corte con chorro de agua (véase la Figura 3.7). Estos últimos típicamente son controlados por ordenador y permiten generar cortes de geometría muy compleja. Figura 3.7 Procesos de corte por aserrado (a), por soplete (b). por láser (c) y por agua (d). 20 Capítulo 3. Modelado MfM de la definición del proceso general de fabricación de una pieza Doblado El doblado es el proceso de conformado en el que una hoja metálica se somete a esfuerzos de flexión, obteniendo una deformación permanente. Existen diferentes operaciones de doblado según la geometría y las partes utilizadas para generar el doblado. En la Figura 3.8 se muestran los más relevantes, como el doblado en V, el doblado de bordes, doblado al aire o el rebordeado. Figura 3.8 Procesos de doblado. Además, existen otros procesos de doblado que no requieren de una prensa, sino de rodillos. El más interesante es el conformado con rodillos. En este proceso, la chapa desliza por un conjunto de rodillos que la van doblando progresivamente hasta conseguir la forma deseada. Véase el esquema de la Figura 3.9. Figura 3.9 Procesos de doblado con rodillos. En el diseño de las operaciones de doblado, hay que tener en cuenta efectos asociados como la recuperación elástica negativa. Esto significa que la chapa tiende a recuperarse elásticamente después de doblarla, generalmente provocando un aumento del radio y del ángulo de doblado. Por este motivo, en las operaciones de doblado será necesario considerar métodos para compensar la recuperación elástica. 3.2 Procesos de fabricación de piezas metálicas 21 Embutición La embutición es un proceso de conformado en el que se obtienen piezas huecas de forma cilindrica o prismática con la base cerrada a partir de una chapa, mediante la acción de un punzón que la impulsa y la introduce en la cavidad de una matriz. La chapa suele estar sujeta a la matriz mediante un prensachapa (véase la Figura 3.10). La fuerza de sujección del prensachapa y la fricción con la chapa controlan la cantidad de material que entra en la matriz y el estiramiento de éste. La embutición es un proceso complejo, en el que es necesario conocer las tensiones que aparecen en la chapa durante el proceso para entender los posibles efectos asociados tanto en la brida, como en la pared y la base. Figura 3.10 Procesos de embutición. En el proceso de embutición, se definen algunos parámetros esenciales como el radio del punzón, radio de la matriz, diámetro del punzón y la holgura. Con ellos se puede determinar la fuerza de embutición, ejercida por el punzón, y la fuerza de sujección del prensachapa, que deberá evitar el arrugamiento de la brida a la vez que controla el nivel de estirado que sufre la pared de la pieza embutida. La embutición tiene asociados muchos defectos, como el arrugamiento, pliegues, desgarros, orejeteado o rayas superficiales en la pared. Para medir la capacidad del embutido se emplean relaciones y factores de tendencia propios del proceso. Como alternativa a estos problemas, se han incorporado soluciones como los cordones de estirado, o directamente métodos de embutición sin prensachapa. Conformado con caucho El conformado con caucho pertenece al grupo de conformado con elementos flexibles, como es el caucho. En este proceso, en vez de utilizarse una matriz metálica rígida, se usa un cojín flexible de caucho o poliuretano (Figura 3.11). La resistencia la abrasión, al corte por rebabas y la larga vida a fatiga hacen de él un material ideal para este tipo de usos. Hidroconformado Finalmente, el hidroconformado es una derivada del conformado con caucho, pero en este caso se controla la presión sobre la membrana de caucho para evitar pliegues o desgarres (véase la Figura 3.12). En este caso, la presión del fluido empuja las paredes de la chapa contra el punzón, mejorando la capacidad de embutido. 22 Capítulo 3. Modelado MfM de la definición del proceso general de fabricación de una pieza Figura 3.11 Procesos de conformado con caucho. Figura 3.12 Procesos de hidroconformado. 3.2.4 Forja y estampación La forja o estampación es un proceso de conformado mediante la compresión del material entre dos matrices, que por lo general una es móvil y la otra fija. Según la fuerza sea de impacto o gradual, serán necesarios martinetes/ martillo pilón o bien una prensa. Del mismo modo, según si el flujo de material es libre o impuesto por las matrices, el proceso se denomina forja libre o estampación (Figura 3.13). Las operaciones de forja y estampación estarán limitadas por los equipos que se utilicen para realizarlas. En el martinete o martillo pilón, el proceso está limitado por la energía cinética del martillo, y las operaciones se caracterizan por ser impactos a gran velocidad o con periodos de contacto cortos. Por su lado, la prensa hidráulica tiene una velocidad constante controlada, y están limitadas por la carga. La prensa también puede ser mecánica, aunque a pesar de aportar una fuerza muy alta está limitada por la carrera de la biela. Figura 3.13 Procesos de forja y estampación. 3.3 Definición del modelo de alcance 23 Centrándonos en las piezas de geometría compleja, lo habitual es utilizar operaciones de estampación con rebaba, por su buena precisión dimensional y gran capacidad de producción. Si bien, al requerir unas estampas, el costo es más elevado. Además, las piezas están sujetas a operaciones de mecanizado para el acabado. 3.2.5 Fundición Finalmente, la fundición es el proceso de conformado en el que un metal fundido fluye por gravedad u otra fuerza dentro de un molde, donde solidifica y adopta la forma de la cavidad del molde. Es uno de los procesos de fabricación de piezas metálicas más flexibles. La fundición es ideal para una amplia gama de piezas de formas complejas. Se puede decir que es la solución económica a los problemas de fabricación de metal que, de otro modo, requerirían varios métodos para resolverse. El proceso vierte el metal fundido en un molde, que es una cavidad hueca prefabricada de la pieza deseada para luego dejarla enfriar. Existen muchos procesos de fundición (véase la Figura 3.14), y la diferencia entre ellos radica fundamentalmente en los diversos procedimientos y materiales empleados en la elaboración del molde y la realización de la colada. En este caso, la caracterización del proceso pasará por decidir los medios que se van a emplear, y posteriormente definir las características de la colada (temperatura, velocidad de llenado, colabilidad, etc). En aeronáutica, muchos componentes del motor son fabricados por fundición. Figura 3.14 Procesos de fundición. 3.3 Definición del modelo de alcance En este apartado se va a desarrollar un modelo ontológico básico, definiendo únicamente el modelo de alcance. La idea es que, conociendo el modelo CAD de la pieza, e información relevante como el material, el número de piezas o la finalidad de uso, el sistema sea capaz de reconocer los procesos de fabricación que resultan más apropiados para fabricar la pieza y provea una descripción del mismo identificando las operaciones y los recursos necesarios. El núcleo de un modelo ontológico que sigue la arquitectura de 3 capas está definido por la capa de ontología, al ser donde se almacena el conocimiento en sí. A su vez, el modelo de alcance es el primer paso que hay que dar cuando se crea la ontología. 24 Capítulo 3. Modelado MfM de la definición del proceso general de fabricación de una pieza Para la elaboración del modelo de alcance se han desarrollado diagramas IDEF0 elaborados con Ramus, tal y como se verán más adelante. Para comenzar con el desarrollo del modelo es necesario tener claramente definido cual es el objetivo, y cuales son los datos de partida que se quieren transformar. La fase de desarrollo en sí, es un proceso iterativo bastante complejo, y siempre existirán diferentes formas de agrupar actividades, procesos y sub-procesos. Es por ello, que lo habitual sea contar con un equipo multidisciplinar que aporte diferentes ideas y puntos de vista, según sus necesidades, siendo el modelo final un consenso de los distintos actores que harán uso de este modelo. Para la aplicación en cuestión, se desarrolló una primera versión tal y como se muestra en las Figura 3.15-3.19. El primer diagrama contiene la actividad que se pretende llevar a cabo con el modelo, en este caso se ha denominado "Characterization of a sheet metal manufacturing process". Se representa como una única caja A0 en el modelo IDEF0 ()Figura 3.15). Todos los recursos necesarios para llevar a cabo la actividad, se representan como entradas en la parte inferior , como por ejemplo el "Procesador de datos", la "Interfaz de usuario" o el "CAD System". Del mismo modo, los datos como el catálogo de parámetros o el catálogo de propiedades de materiales entran por la parte superior, mientras que aquellos datos que se pueden transformar y que sirven como base en la actividad, entran por el lado izquierdo, por ejemplo el modelo CAD. Por ultimo, los datos de salida se representan por el lado derecha, como las características de la pieza o las operaciones de fabricación. Figura 3.15 A-0. "Characterization of a metal part manufacturing process" (v0.12). El nivel al que hay que descomponer las actividades, debe ser por un lado el mínimo necesario para generar un modelo que sea fácil de interpretar, y por otro lado, suficiente para crear un modelo de comportamiento robusto y eficiente. Esto es, aunque a priori una actividad pueda parecer lo suficientemente desarrollada en las primeras versiones del modelo, puede surgir la necesidad de crear sub-actividades internas cuando se elabore el modelo de comportamiento. A su vez, la descomposición en sub-actividades da lugar a la necesidad de incorporar nuevos datos. 3.3 Definición del modelo de alcance 25 Para entender la primera versión del modelo de alcance, cabe recordar cual es el objetivo principal que se pretende llevar a cabo con este modelo: a partir del modelo CAD de una pieza metálica, reconocer de forma automática el proceso de fabricación más adecuado para ello, y elaborar las operaciones de fabricación así como los recursos necesarios. Esta actividad, "Characterization of a sheet metal manufacturing process", se muestra en la Figura 3.15, y se corresponde con el diagrama A0, ya definido. En una primera instancia, se consideró necesario dividir esta actividad en dos sub-actividades: A1 ("Reconocimiento de características") y A2 ("Definición del proceso de fabricación"). Los datos y recursos asociados al A0 se reasignan ahora a estas sub-actividades, y se generan además vínculos entre ellas, como por ejemplo las "características de la pieza" que son resultado de extraer las features o características del modelo CAD, y que se utilizarán para definir el proceso de fabricación. En A1, se podría poner en práctica por ejemplo, el método de reconocimiento automático de características propuesto por Seyedmorteza Ghaffarishahri y Louis Rivest en [ 1 ], que se describe más adelante junto al concepto de features o características. Figura 3.16 A0 Caracterización del proceso de fabricación de una pieza (v0.12). Estas características o features serían la base de la actividad A2 para definir el proceso de fabricación, esto es, decidir el proceso adecuado para fabricar la pieza, crear la secuencia de operaciones y asignar los recursos necesarios. La actividad A2 se divide a su vez en 3 sub-actividades A21 "Análisis de viabilidad de los procesos de fabricación", A22 "Selección del proceso de fabricación" y A23 "Descripción del proceso de fabricación": •A21 "Análisis de viabilidad de los procesos de fabricación" . El objetivo de esta subactividad sería aportar al usuario una propuesta de los procesos de fabricación, en base a las tecnologías disponibles seleccionadas por el usuario, de una base de datos con propiedades de diferentes metales, así como de un catálogo base de parámetros típicos de los diferentes procesos de fabricación. Para ello, la actividad A211 utilizaría las características de la pieza 4 Herramientas para el modelado MfM en conformado de chapa Durante la evolución de la industria aeronáutica y aeroespacial se han desarrollado múltiples herramientas de modelado de productos de chapa metálica, que resultan muy útiles en las distintas fases de ciclo de vida del producto. No obstante, a pesar de la relevancia que tiene la chapa metálica en los aviones, aún no existen, por ejemplo, aplicaciones específicas que faciliten las tareas de gestión de ciclo de vida del producto, como son la planificación de procesos o la identificación de diferencias entre modelos para compararlos. En este capítulo se describen dos aplicaciones software que se han desarrollado dentro del campo del conformado de chapa cuya integración dentro de una aplicación MfM se prevé muy beneficiosa. La primera es una aplicación para el reconocimiento automático de las características de una pieza a partir de su modelo 3D. La segunda toma las características geométricas de la pieza para generar automáticamente los parámetros del proceso de conformado. También se presenta un ejemplo en el que se ha utilizado la metodología MfM en el conformado de chapa. 4.1 Reconocimiento automatizado de las características de una pieza de chapa metálica El reconocimiento automático de características se remonta a la década de 1980. Desde entonces, investigadores de todo el mundo se han centrado en el desarrollo de métodos de clasificación y reconocimiento de características a partir de modelos CAD y en los últimos años las investigaciones realizadas se han centrado más en su aplicación, optimización e implementación que en la propuesta de nuevos métodos. Una característica (o feature) puede definirse como una porción de un modelo geométrico que es significativa en al menos una de las fases del ciclo de vida del producto y que puede describirse mediante sus atributos [ 1 ]. De este modo, las especificaciones de una pieza y la información transmitida por su modelo que no se reflejan a través de su geometría, como el material o el color, no son características sino rasgos de la pieza en sí. Por ello, debe entenderse como característica a la geometría, las relaciones entre características, y los parámetros [1]. Entendiendo una pieza como una combinación de características individuales, donde cada una de ellas esta relacionada con otra directa o indirectamente, parece que lo más coherente es que los modelos de una pieza tengan una representación formal e inequívoca de estas características, 33 34 Capítulo 4. Herramientas para el modelado MfM en conformado de chapa que pueda ser interpretada por distintas aplicaciones a lo largo del ciclo de vida del producto. La representación debe ser única e independiente de cada aplicación. Aunque actualmente existen soluciones de reconocimiento en el mercado, como FeatureWorks o Sheet Metal Feature Recognition Library, para características genéricas de deformación de chapa metálica, la mayoría están orientados a la identificación de características de cizalladura, deformación genérica o chapa metálica de forma libre. No obstante, las características de cizalladura se crean mediante operaciones como corte, entalladura o perforación. En este caso, los métodos de reconocimiento pueden basarse en el reconocimiento geométrico y topológico. En cambio, las características genéricas de deformación de chapa metálica son resultado de operaciones de deformación únicamente o una combinación de cizalladura y deformación, pero siempre habrá una huella de deformación [3]. De todos los estudios que se han centrado en el AFR (Automated Feature Recognition) para chapa metálica, cabe destacar el trabajo de Gupta y Gurumoorthy, en uno de sus estudios más recientes, “Classification, representation and automatic extraction of deformation features in sheet metal parts” [ 4 ] , donde propusieron una solución general para reconocer características de deformación, considerando las caras cilíndricas, cónicas, esféricas y toroidales como entidades de transición para caracterizar la deformación, siendo así este método el más general geométricamente hablando que cualquier otro trabajo anterior. Los procedimientos de representación, clasificación y extracción de características de la chapa metálica se basan en la topología y la geometría. La definición presentada para una característica es inequívoca e independiente de la aplicación [4]. No obstante, la mayoría de los métodos AFR existentes para chapa metálica, no tienen en cuenta algunos aspectos que tienen especial relevancia en la industria aeroespacial. En este trabajo se van a desarrollar algunos conceptos basados en el estudio “Feature recognition for structural aerospace sheet metal parts” [ 1 ], de los investigadores Seyedmorteza Ghaffarishari y Louis Rivest, de la Universidad de Quebec. Ambos han desarrollado un método de AFR que se inspira en las últimas aplicaciones de la literatura y en las directrices de diseño de 168 piezas de chapa metálica diferentes, para definir y reconocer las características de productos de chapa metálica en la industria aeroespacial y la semántica del diseño a partir de modelos 3D. Para el desarrollo de este modelo los autores han creado una ontología y utilizado la metodología MfM, aunque no se describe en esta memoria. Si bien, teniendo en cuenta que más adelante se hará uso de este modelo y de los resultados que arroja, se detallan a continuación los conceptos utilizados y se proporciona una visión resumida del objetivo del modelo. A grandes rasgos, este método comienza con el procesado de modelos CAD 3D para elaborar lo que se conoce como modelo B-Rep (Boundary representation). Se define B-Rep o Boundary Representation al método de representación de modelos 3D basado en la definición de los límites de su volumen. La estructura de estos modelos suele estar basada en la definición proporcionada por la norma ISO 10303-42 Integrated generic resource: Geometric and topological representation, habitualmente denominada STEP (Standard). Los elementos geométricos objeto de estudio son superficies, curvas y puntos, así como las conexiones entre ellos. Así, se define una cara como una superficie acotada, una arista se corresponde con una curva que tiene principio y fin, y un vértice hace referencia a un punto [2]. A partir de los elementos identificados, se utiliza esta información para crear conjuntos y subconjuntos que se asocian a las características típicas de las piezas de chapa metálica en la industria aeroespacial. Es decir, se utiliza este método para organizar los elementos B-rep extraídos de los modelos STEP de las piezas, reconocer las características, clasificarlos y mejorarlos. 4.1 Reconocimiento automatizado de las características de una pieza de chapa metálica 35 4.1.1 Clasificación de características Las características de las piezas de chapa metálica que utilizaron los autores en [ 1 ], se observaron estudiando 168 piezas de diversa geometría ubicadas en el fuselaje y en la cabina de una aeronave. Estas piezas se habían fabricado mediante procesos de plegado e hidroconformado. Por lo general, en la industria aeronáutica las piezas de chapa metálica se fabrican en dos pasos: recorte y deformación, por tanto, tiene sentido clasificar las características siguiendo estas pautas. Las características de deformación que se consideran típicamente son las siguientes: "web", "cutout", "hole", "stringer cutout", "bend relief", "corner", "lightening cutout", "lightening hole", "flange", "lip", "joggle", "twin joggle", "deformed flange", "deformed web" y "bead". Se ha decidido mantener la nomenclatura original de Seyedmorteza Ghaffarishahri y Louis Rivest utilizada en su estudio. Figura 4.1 Clasificación de características propuesta [1]. Características de contorno (Trim features) • “Web” hace referencia a la parte plana de la pieza de chapa metálica que tiene mayor superficie. • “Cutouts” o recortes. Se forman eliminando una parte del elemento principal (web), siempre y cuando no se modifique su límite perimetral, es decir, serán geometrías cerradas. •“Holes” son “cutouts” circulares. • “Stringer cutouts” modifican el límite de la parte que lo contiene y divide las “flange” en dos partes resultando un “twin joggle”. Se crean para dejar libre el paso de un larguerillo (stringer). • “Bend relief” son “cutouts” creados para impedir la interferencia entre “flanges” y así facilitar la fabricación y evitar roturas. •“Corners” se identifican por el redondeo de esquinas convexas. 36 Capítulo 4. Herramientas para el modelado MfM en conformado de chapa Figura 4.2 Representación gráfica de caracteristicas típicas de piezas de chapa metálica [1]. Características de deformación (Deformation features) • “Lightening cutouts" y "lightening holes” son características creadas por la eliminación de una parte del cuerpo principal y la formación de faldillas de rigidización en el límite o contorno interior de la parte eliminada. • “Flanges” son elementos de deformación generalmente ubicados en el contorno de la pieza y siempre estarán asociados a la “web” o a otros “flange”. •“Lips” es un elemento similar a las “flange” pero rigidizado. • “Joggles” y “twin joggles” son deformaciones escalonadas que producen rebajes en la “web” o en los “flanges”. • “Recessed portions” son “webs” deformadas o “flanges” deformadas, dependiendo de la característica principal del “joggle”. • “Beads” hace referencia a una porción del elemento que sobresale del plano principal de la chapa. Otros conceptos Del mismo modo, se pueden diferenciar dos tipos de "holes" y "flanges" en función de su composición y funcionalidad. El concepto "hole", taladro o agujero, se divide a su vez en "Attachement hole" o "Tooling hole" dependiendo si la finalidad del taladro es ensamblar la pieza con otra, esto es, facilitar un punto de unión con otra pieza, o bien servir como punto de coordinación para ubicar la pieza en un lugar concreto respecto al resto del montaje. Así mismo, los "flanges" se dividen en "stiffening flanges" y "attachment flanges", y la unica diferencia entre ambos es la presencia de taladros. 4.1.2 Prototipo del método de reconocimiento automático de características El método de reconocimiento automatizado de características de chapa metálica, aplicado a la industria aeroespacial y desarrollado en [ 2 ], consta de dos pasos principales: en primer lugar, clasificar y agrupar los elementos del modelo 3D B-REP de las piezas; y por último reconocer las características de la pieza. 4.1 Reconocimiento automatizado de las características de una pieza de chapa metálica 37 Figura 4.3 Algoritmo para el reconocimiento de características desarrollado en [2]. El algoritmo utilizado para el procesado de los modelos puede consultarse en detalle en “A Prototype of an Automated Feature Recognition Algorithm for Aerospace Sheet Metal Parts” [ 2 ], y está fuera del alcance de este proyecto. No obstante, en la Figura 4.3 se representa un diagrama extraído de [2], donde se describe gráficamente los pasos seguidos por el algoritmo. Tras procesar la información, el prototipo diseñado por Ghaffarishahri y Rivest arroja un fichero de texto con las características. En el archivo se detalla el nombre de la pieza, seguido de su grosor y a continuación, de sus características. Las características están estructuradas de “padres” a “hijos” esto es, en orden descendente en la jerarquía de características. Cada característica se define por su nombre, ID, ID del padre o sub-característica que la contiene y un conjunto de parámetros o atributos. Figura 4.4 Ejemplo de pieza de chapa metálica. 38 Capítulo 4. Herramientas para el modelado MfM en conformado de chapa Código 4.1 Resultado de aplicar el prototipo de identificación de caracteristicas al ejemplo propuesto. Part name: Example item Part thickness is: 1.5 mm web (ID: 1; Position point:(75,0,-25); Position normal:(0,1,0)) attachment flange (ID: 2; Parent ID: 1; Width: 65.05 mm; Length: 20 mm; Bend radius: 3 mm; Type: Down, Single, Immediate, Planar, Perpendicular; Position point:(150,0,-50); Position normal :(-0.196,0,-0.981)) corner (ID: 4; Parent ID: 2; Radius: 7.5 mm) corner (ID: 5; Parent ID: 2; Radius: 7.5 mm) attachment hole (ID: 13; Parent ID: 2; Diameter: 4 mm; Position point:(41.72,12.5,-28.344); Position normal:(0.196,0,0.981)) attachment hole (ID: 14; Parent ID: 2; Diameter: 4 mm; Position point:(7.354,12.5,-21.471); Position normal:(0.196,0,0.981)) attachment hole (ID: 15; Parent ID: 2; Diameter: 4 mm; Position point:(22.063,12.5,-24.413); Position normal:(0.196,0,0.981)) attachment hole (ID: 16; Parent ID: 2; Diameter: 4 mm; Position point:(56.429,12.5,-31.286); Position normal:(0.196,0,0.981)) attachment flange (ID: 3; Parent ID: 1; Width: 150 mm; Length: 20 mm ; Bend radius: 3 mm; Type: Down, Single, Immediate, Planar, Perpendicular; Position point:(0,0,0); Position normal:(0,0,1)) corner (ID: 6; Parent ID: 3; Radius: 7.5 mm) corner (ID: 7; Parent ID: 3; Radius: 7.5 mm) attachment hole (ID: 17; Parent ID: 3; Diameter: 4 mm; Position point:(7.5,12.5,-0); Position normal:(0,0,-1)) attachment hole (ID: 18; Parent ID: 3; Diameter: 4 mm; Position point:(142.5,12.5,-0); Position normal:(0,0,-1)) attachment hole (ID: 8; Parent ID: 1; Diameter: 4 mm; Position point :(7.5,0,-11.302); Position normal:(0,1,0)) attachment hole (ID: 9; Parent ID: 1; Diameter: 4 mm; Position point :(142.5,0,-34.223); Position normal:(0,1,0)) attachment hole (ID: 10; Parent ID: 1; Diameter: 4 mm; Position point :(142.5,0,-11.223); Position normal:(0,1,0)) attachment hole (ID: 11; Parent ID: 1; Diameter: 4 mm; Position point :(142.5,0,-22.723); Position normal:(0,1,0)) attachment hole (ID: 12; Parent ID: 1; Diameter: 4 mm; Position point :(19.757,0,-13.753); Position normal:(0,1,0)) Llegados a este punto, resulta interesante nombrar el artículo "Feature-Based Model difference identification for Aerospace Sheet Metal Parts" [ 3 ], donde han desarrollado un modelo para la identificación de diferencias entre piezas, haciendo una comparación de sus características. 4.2 Determinación de parámetros de conformado a partir de las características de la pieza 39 4.2 Determinación de parámetros de conformado a partir de las características de la pieza Hasta ahora, se han comentado los trabajos desarrollados para el reconocimiento y procesado de características, pero limitándonos a la información geométrica. No obstante, la extracción automática de los parámetros útiles para los procesos de fabricación sigue siendo una asignatura pendiente. Investigadores del Instituto Nacional de Tecnología de India, Pothala Sreenu y Ravi Jumar Gupta, han dedicado esfuerzos en encontrar un método para la extracción automática de parámetros a partir de un modelo CAD 3D que resultan útiles para la fabricación. La necesidad de tener un proceso automático y robusto surge teniendo en cuenta la importancia de la planificación de la fabricación a la hora de asignar recursos y medios productivos [ 11 ]. En este sentido, los avances han sido especialmente rápidos en el campo de los métodos de simulación por ordenador de las operaciones de conformado. En la actualidad se utilizan numerosas técnicas y programas de simulación específicos, y los sistemas CAD/CAM proporcionan flexibilidad. Aún así, existe un vacío entre la interacción CAD/CAM que solo puede satisfacerse con actividades automáticas de fabricación y planificación de procesos. Para una pieza de chapa metálica, esto implica determinar las operaciones y parámetros necesarios para fabricar la pieza a partir de una chapa plana. Centrándonos en piezas de chapa metálica, el conformado es un proceso industrial que depende en gran medida de numerosas variables como parámetros geométricos, parámetros de proceso, y las propiedades intrínsecas del material. Así, es de gran utilidad disponer de una herramienta que en primer lugar sea capaz de reconocer las características de un modelo de pieza de chapa metálica a partir de su modelo CAD 3D [ 2 ], y a continuación, utilice esa información junto a las propiedades del material para extraer los parámetros de proceso [11]. Cobra sentido que se utilicen estos modelos para definir las herramientas necesarias, o la secuencia de operaciones, cerrando así el circulo entre el diseño y el producto final. De hecho, en [ 6 ] "Processing of 3D sheet metal components in STEP", Kannan y Shunmugam propusieron un método de razonamiento de características simple para extraer información útil en la fabricación, como el tamaño de la preforma, los tipos de herramientas necesarios y la secuencia de operaciones. El método se basa en obtener el desarrollo plano de la pieza, y seleccionar la herramienta dependiendo del tipo característica, simples o múltiple. No obstante, no se tienen en cuenta los parámetros de proceso reales. De este modo, como se comentaba al principio, los métodos de reconocimiento de características están relativamente asentados, pero el razonamiento de la información orientado a los procesos de fabricación y la identificación de parámetros sigue pendiente. 4.2.1 Modelo de Gupta y Sreenu para la determinación de parámetros de procesado Para diseñar el proceso de fabricación de una pieza de chapa metálica se requieren: el modelo 3D, la materia prima con la que debe fabricarse, la operación de fabricación, el utillaje, y los parámetros y valores para la operación. La información del modelo puede procesarse utilizando las técnicas de reconocimiento de características descritas en el apartado anterior [ 4 ]. La información extraída junto con las propiedades del material y los recursos, permite determinar los parámetros de proceso necesarios para fabricar la pieza. Los parámetros de proceso son necesarios para controlar la operación y obtener el producto final acorde a unas especificaciones de diseño. El método propuesto por Gupta y Sreenu, para obtener estos parámetros se detalla en el artículo Extraction of process parameters from a sheet metal part model [11]. No obstante, se describen brevemente a continuación los pasos principales: 40 Capítulo 4. Herramientas para el modelado MfM en conformado de chapa Figura 4.5 Algoritmo de identificación de parámetros de proceso propuesto en [5] . 1. Lectura del modelo de la pieza de chapa metálica para extraer sus características. Se utiliza aquí unos de los módulos descritos anteriormente para obtener información sobre las caras, aristas y vértices. Se extraen algunos parámetros como el espesor de la chapa, la altura de la pieza, la identificación de la cara principal (web). 2. Se clasifican las aristas entre aristas interiores y aristas exteriores. Se clasifican las aristas según estén en el exterior, interior o si es compartida con otra característica. 3. Conociendo el material, se extraen sus propiedades de una base de datos. 4. Finalmente se determinan parámetros como fuerzas de cizalladura, fuerza de deformación, recorridos de herramienta, etc. El ejemplo propuesto por los autores se desarrolla para un proceso de punzonado. Véase el diagrama de la Figura 4.5. 4.3 Aplicación del MfM en el conformado de chapa incremental (SPIF) El conformado incremental de chapa metálica (SPIF) es un proceso de conformado innovador con importantes ventajas respecto a los procesos de fabricación convencionales. Utiliza la tecnología 4.3 Aplicación del MfM en el conformado de chapa incremental (SPIF) 41 CNC para deformar plásticamente el material mediante presión progresiva y localizada utilizando una herramienta de conformado de pequeño tamaño y de punta semiesférica, sin necesidad de tener una matriz. Figura 4.6 Rebordeado de agujeros por SPIF. En el artículo [ 9 ], los autores utilizan la metodología MfM para gestionar los resultados de una campaña de ensayos de operaciones de rebordeado de agujeros mediante SPIF en una sola etapa, que tenia como objetivo evaluar la conformabilidad de una aleación de aluminio 7075-O. Mediante una trayectoria helicoidal definida en CNC, la punta de la herramienta deforma progresivamente el material recorriendo la chapa a partir de un agujero circular. A partir de algunos parámetros y mediciones, se evalúa el mecanismo de fallo del material, y se extraen conclusiones así como la dependencia de la velocidad del husillo, la fuerza aplicada y el efecto de la fricción. Por tanto, en esta aplicación el uso de la metodología MfM consiste en definir el proceso para realizar una serie de ensayos, recopilar y procesar la información obtenida, analizando posteriormente los resultados. Figura 4.7 Modelos de la capa de ontología utilizado en [9]. 48 Capítulo 5. Modelado MfM de la definición del proceso de conformado de una pieza de chapa Figura 5.7 Datos asociados a las características de la pieza. 5.1.3 Modelo de comportamiento El siguiente modelo de la capa de ontología es el modelo de comportamiento. Se requiere un modelo de comportamiento para cada actividad elemental del modelo de alcance, es decir, para cada actividad que no tenga ninguna sub-actividad. De este modo, para la aplicación en cuestión se han definido 7 modelos de comportamiento, que se detallan a continuación. Para desarrollar los diagramas de comportamiento, el primer paso es definir las tareas y el flujo de tareas, y posteriormente se representan los objetos de datos y recursos que forman parte de la actividad. En cuanto a los datos, sólo se muestran las propiedades que se utilizan en esa actividad. El flujo de tareas se completa utilizando flechas que conectan las cajas sombreadas, y está comprendido entre las tareas auxiliares Start yEnd. Estas cajas resultan útiles para asociar aquellos recursos que apliquen a todas las tareas de la actividad, de modo que se simplifica el diagrama. Finalmente, el diagrama de comportamiento se completa definiendo las reglas y las restricciones. Figura 5.8 Modelo de comportamiento de la actividad A11. En primer lugar, la Figura 5.8 representa el comportamiento de la actividad A11 Manufacturing features recognition. La tarea principal es el reconocimiento de las características de la pieza en cuestión. Para desarrollar esta actividad, será necesario un software de reconocimiento de características, que en este caso se utilizará el desarrollado por Seyedmorteza Ghaffarishahri y 5.1 Capa de ontología 49 Louis Rivest en [ 1 ] [ 2 ]. En cuanto a los datos, la información necesaria se extrae del modelo CAD de la pieza. Nótese que se ha definido una restricción, de modo que si el modelo de la pieza no está disponible, no es viable desarrollar la actividad. Como resultado, se obtienen las características de la pieza. A la tarea principal se ha asociado una regla con el objetivo de explicar su función. Figura 5.9 Modelo de comportamiento de la actividad A12. Una vez reconocidas las características de la pieza, la actividad A12 consiste en asignar a cada característica dos propiedades adicionales: "Feature Type" y "Operation Type". Para ello se hace uso de un objeto de datos denominado "Process Catalog", que en definitiva es una tabla donde se expresa una relación unívoca entre estas dos propiedades y el "Feature name". El modelo de comportamiento se representa en la Figura 5.9. El siguiente diagrama, describe el comportamiento de la actividad A2 (véase la Figura 5.10). El sistema, debe reconocer el tipo de operación de cada característica (asignado en A12), y en caso de existir al menos una del tipo "Operation Type = Hydroforming", es decir, que haya alguna característica para la cual se necesite una operación de hidroconformado, el proceso elegido para fabricar la pieza completa será hidroconformado ("is hydroformin process = yes"). En caso contrario, todas las características pueden generarse con operaciones de plegado ("is bending process = yes"). Esta decisión está basada en los fundamentos del propio proceso. El hidroconformado es un proceso complejo en el que la chapa se deforma sobre un molde mientras es empujada por una membrana de caucho, generando todas las deformaciones en un solo paso. No tendría mucho sentido dejar las características que pueden hacerse por plegado para una operación posterior, ya que normalmente se incurrirá en mayores costes de operación. Una vez decidido el proceso de fabricación, se puede proceder a describir el proceso y a definir el desarrollo plano. En la Figura 5.11 se representa el modelo de comportamiento de la actividad A3, que tiene como objetivo reconocer el desarrollo plano de la pieza. Hay múltiples herramientas 50 Capítulo 5. Modelado MfM de la definición del proceso de conformado de una pieza de chapa Figura 5.10 Modelo de comportamiento de la actividad A2. comerciales que permiten obtener esta información, y podría evaluarse el uso de cualquiera de ellas. No obstante, teniendo en cuenta el sentido agnóstico de la metodología MfM, se propone un software que a partir del modelo de la pieza y las propiedades geométricas de las características, extrae la geometría de la preforma. Figura 5.11 Modelo de comportamiento de la actividad A3. En este caso, el modelo de comportamiento para determinar el desarrollo plano, esta condicionado al proceso de fabricación. Es decir, si el proceso de fabricación es un proceso de plegado, en el reconocimiento del desarrollo plano se tendrán en cuenta todas las características de corte (Feature Type = trim), es decir, contornos exteriores e interiores y agujeros. De esta forma, se asume que las operaciones de plegado provocan deformaciones localizadas, y no se altera la posición, tamaño o forma del resto de características. En cambio, si el proceso de fabricación es un proceso de hidroconformado, en el desarrollo plano sólo se tendran en cuenta las operaciones de corte (Operaton Type = cutting), es decir, contornos exteriores e interiores, pero no los agujeros. Como se verá mas adelante, este proceso requerirá de operaciones de taladrado y operaciones de repaso tras la deformación por hidroconformado. 5.1 Capa de ontología 51 La última actividad del modelo, está compuesta por 3 sub-actividades que gestionan y caracterizan las operaciones del proceso: A41, "Agrupar las operaciones del proceso"; A42, "Ordenar las operaciones de cada grupo"; A43, "Definición de las operaciones". Figura 5.12 Modelo de comportamiento de la actividad A41. Para la agrupación de las operaciones de cada proceso, se identifican en la Figura 5.12 dos tareas que dependen del proceso de fabricación. Si bien, los datos de salida guardan la misma estructura independientemente de la tarea. Para un proceso de plegado, se definen 2 grupos de operaciones: corte de la preforma y plegado. Nótese, que en este caso, los taladros forman parte de la preforma y por tanto, en este modelo básico no es necesaria ninguna operación de taladrado posterior. Todas las características del tipo "Feature Type = trim" estarán incluidas en la preforma, que se convierte en la única operación del grupo de corte. Por otro lado, el resto de características será del tipo "Feature Type = deformation", "Operation Type = bending", y estarán en el grupo de plegado. A su vez, para un proceso de hidroconformado, se definen 3 grupos de operaciones: corte de la preforma, hidroconformado y taladrado. En este caso, la preforma sólo contiene la información del contorno ("Operation type = cutting"), por lo que es necesario hacer los agujeros después de deformar la pieza. En el grupo de hidroconformado, se incluyen todas las características del tipo "Feature type = deformation", independientemente "Operation Type" que tenga asignado, por las razones que ya se han comentado. El objeto de datos "Manufacturing operations" queda así definido en función del proceso de fabricación por lo grupos de operaciones, en los que se identifican las diferentes características con su "ID". El siguiente paso consiste en ordenar las operaciones de cada grupo. Tal y como se indica en la regla asignada a la tarea del diagrama (véase la Figura 5.13), deben considerarse criterios de optimización para ordenar las operaciones. En la literatura, se pueden encontrar modelos de optimización de parámetros y operaciones en el proceso de conformado de chapa metálica [7]. Finalmente, el diagrama de la Figura 5.14 define el modelo de comportamiento de la actividad A43. En este caso, el objetivo es asociar a cada operación los recursos necesarios y definir los parámetros de la operación. Se dispone de dos objetos de datos que aportan la información necesaria 52 Capítulo 5. Modelado MfM de la definición del proceso de conformado de una pieza de chapa Figura 5.13 Modelo de comportamiento de la actividad A42. para cada una de las tareas que se definen en esta actividad. Por un lado, en "Available resources" se tiene la relación unívoca entre el tipo de operación y el tipo de recurso necesario, según el tipo de material y atributos geométricos de la característica en cuestión, etc. Figura 5.14 Modelo de comportamiento de la actividad A43. Una vez definidos los recursos, se evalúan los parámetros de cada operación, que están definidos en el catálogo de parámetros. Los datos geométricos se obtienen a partir de los atributos de las características, y los datos de las herramientas se han definido en la tarea anterior. Cabe recordar el modelo expuesto en el Capítulo 4.2, que podría ser una alternativa para la obtención de los parámetros [11]. 5.1 Capa de ontología 53 5.1.4 Modelo semántico El propósito del modelo semántico es aportar información semántica a los objetos de datos y propiedades definidos en el modelo. Para el caso práctico de este trabajo, se ha optado por utilizar un formato de tabla, por ser fácil de gestionar mediante hojas de cálculo. Teniendo en cuenta la cantidad datos y propiedades que se han definido en este proyecto, en la Figura 5.15 se muestran algunos de ellos a modo de ejemplo representativo. Figura 5.15 Modelo de semántico de la capa de ontología. 54 Capítulo 5. Modelado MfM de la definición del proceso de conformado de una pieza de chapa 5.2 Capa de datos La capa de datos contiene todos los datos que definen el modelo de ontología así como las instancias del modelo, es decir, el conjunto de datos de entrada y salida para cada pieza. Para asegurar el éxito en el tratamiento de los datos, es necesario que se almacenen siguiendo una estructura lógica. En este proyecto, no se ha trabajado en la simulación del modelo, y por tanto, no se ha desarrollado un modelo de datos real. No obstante, se exponen algunos ejemplos que pretenden servir como orientación en trabajos futuros. La estructura de datos podría estar dividida en dos directorios. Un directorio genérico que contiene los archivos de datos del modelo, es decir, el catálogo de parámetros, el catálogo de recursos disponibles asociados a cada operación y las tablas de propiedades de materiales. Generalmente, la información de estos archivos está recogida en hojas de cálculo, de modo que la información queda accesible en cada actividad que la precise. Por otro lado, deberá existir un directorio para cada instancia del modelo, es decir, para cada pieza. Este directorio, contiene la información de cada uno de los objetos de datos que se transforman en el modelo (véase la Figura 5.16). Figura 5.16 Directorio de datos. Los datos resultantes de cada una de las actividades del modelo, pueden estructurarse en archivos de texto u hojas de cálculo de diferentes formatos para facilitar su tratamiento. Por ejemplo, el modelo de reconocimiento de características de la actividad A1 genera un archivo "features.txt" con las características de la pieza a partir del modelo CAD "instance_name.stp". La estructura del archivo está disponible el Código 4.1 y en cada uno de los ejemplos que se exponen más adelante. En cambio, para tener los datos más accesibles y poder acceder a la información de una forma más intuitiva, se propone volcar los datos en un formato "features.ini". En este formato, cada característica representa una sección del archivo, representada entre corchetes, y siendo el nombre de la sección el "ID" de la característica. Dentro de cada sección, se define el resto de propiedades o atributos asociados a dicha característica (véase 5.17). 5.3 Capa de servicios 55 Figura 5.17 Estructura del archivo de datos "feature.ini". Por otro lado, en la actividad A3 se reconoce el desarrollo plano de la pieza. Las coordenadas (x,y) del contorno de la pieza, pueden almacenarse en una hoja de texto, por ejemplo "flatpattern.csv". La información de este archivo es equivalente a la trayectoria que siguirá la herramienta de corte en la operación correspondiente. De este modo, a la hora de generar la trayectoria de la herramienta y el código de control numérico, bastará con hacer referencia a este archivo. Del mismo modo, para la actividad A4 se propone organizar los grupos y secuencias de operaciones en hojas de cálculo. Permite al usuario tener una visión intuitiva de la posición de cada operación, las características que se realizan en esa operación, así como los recursos utilizados y los parámetros del proceso. Si bien, la estructura de estos archivos será diferente en función del proceso elegido (plegado o hidroconformado). En la sección 5.4.1 se muestran algunos ejemplos de estas estructuras para casos de uso reales. 5.3 Capa de servicios La capa de servicios contiene todas las herramientas de software requeridas para gestionar los datos e implementar el comportamiento del sistema. Estas herramientas son los recursos necesarios para el desarrollo de las actividades definidas en el modelo de alcance, y detalladas en el modelo de comportamiento. Del mismo modo que con el modelo de datos, en este trabajo no se han desarrollado herramientas de software que permitan hacer una simulación real, y por lo tanto, se propone su desarrollo para futuros trabajos. Si bien, se expone a continuación una propuesta representativa de lo que podría ser un desarrollo software para permitir la simulación del modelo. Teniendo en cuenta la estructura del modelo de alcance, se pueden identificar 5 módulos de recursos: "Features recognition system", "Flat Pattern recognition system", "Operation identification system", "Operation classification system" y "Operation definition system". Para el desarrollo de las herramientas, se podría utilizar cualquier lenguaje de programación de software libre, como por ejemplo Python. •Features recognition . Tiene como objetivo simular la actividad A1. En este caso, ya se cuenta con un programa desarrollado en C++ (feature_recognition.cpp) [ 1 ][ 2 ], que sigue el esquema descrito en la Figura 4.3. Partiendo de un archivo "instance_name.stp" identifica las características de la pieza y genera un archivo "features.txt". La estructura del archivo 56 Capítulo 5. Modelado MfM de la definición del proceso de conformado de una pieza de chapa está disponible en el Código 4.1 y en cada uno de los ejemplos que se exponen más adelante. Se propone ordenar la información de "features.txt" en una estructura "features.ini": features2ini.py. •Pattern recognition . El objetivo es el reconocimiento del desarrollo plano, para lo que se proponen 2 scripts. Por un lado, blankprofile.py toma como argumentos los archivos "instance_name.stp" y "features.ini", del cual toma la información necesaria en función del proceso (plegado o hidroconformado), genera el perfil o trayectoria de la herramienta y guarda las coordenadas (x,y) en un archivo denominado "flatpattern.csv". Por otro lado, un script blankplot.py podría dibujar la preforma y verificar visualmente la geometría ("flatpattern.csv.png"). •Operation identification . El objetivo de este recurso es procesar las características de la pieza, asociar el tipo de operación y asignar el proceso de fabricación. Para ello, se proponen 2 scripts: – operation2features.py: Tomando como argumento el archivo "features.ini", busca cada "Feature Name" en la base de datos "process_catalog.csv", y devuelve el valor de "Feature Type" y "Operation Type". Este script alimenta la información de "features.ini". – process_selection.py: Tomando como argumento el archivo "features.ini", identifica si alguna de las "Operation Type" tiene como valor "Hydroforming", y en tal caso devuelve "is hydroforming process = yes". En caso contrario, devuelve "is bending process = yes". Ambas propiedades tienen valor "no" por defecto. •Operation classification . En este caso, el objetivo es agrupar y ordenar las operaciones. Se proponen 2 script: – operation2group.py: En función de los valores que tengan las propiedades de "Manufacturing Process", se agrupan los "Feature ID" en los "Operation Group" preestablecidos, siguiendo las reglas que se establecen para "Feature Type" y "Operation Type" en el modelo de comportamiento. – ID4operation.py: Se asigna a cada "Feature ID" un "Operation ID", pudiendo ser el mismo número de operación para más de una característica. Devuelve un archivo de texto "operations.csv". •Operation definition . Obtenido el archivo "operations.csv", se identifican para cada "Operation ID" los parámetros necesarios para la operación. Cada "Operation ID" tiene un "Operation Type" que puede localizarse en el catálogo de parámetros, y extraer los parámetros asociados. Tomando las propiedades geométricas de "features.ini" y "tools.csv" se cuantifican los parámetros. •User query . A la hora de asignar la secuencia de operaciones y selección de recursos, se permite al usuario modificar el "Operation ID" y "Resource ID". Figura 5.18 Ejemplo de los resultados que se obtendrían de la simulación del modelo. 5.4 Ejemplos prácticos 57 5.4 Ejemplos prácticos Para facilitar la comprensión del modelo, se exponen a continuación dos ejemplos para los que se han utilizado piezas reales, utilizadas por Ghaffarishahri y Rivest en [ 2 ]. Cabe recordar, que estos autores desarrollaron su modelo a partir de un total de 26 piezas pertenecientes a bastidores, mamparos, suelo y cabina de un Bombardier DHC-8-102. 5.4.1 Ejemplo 1: Pieza fabricada por plegado La pieza elegida para el primer ejemplo se representa en la Figura 5.19. A simple vista, se puede ver una pieza conformada a partir de una chapa, de espesor constante, y que cuenta con dos faldillas ("flange") desarrolladas en sus aristas laterales. Además, tiene un total de 5 taladros, repartidos en el plano principal y en una de sus faldillas. Teniendo en cuenta el tipo de transición entre sus caras, se puede deducir que esta pieza es apta para fabricarse con operaciones sencillas de plegado. Si bien, hay que tener en cuenta que no es el único proceso viable. La mayoría de las piezas fabricadas por plegado, y que tienen radios de transición suaves, también pueden obtenerse por hidroconformado, que de hecho, es un proceso mucho más flexible que permite obtener piezas mucho más complejas. Figura 5.19 Modelo CAD de la pieza Ejemplo 1. Tal y como se ha descrito en el capítulo anterior, el modelo empieza por un reconocimiento de las características de fabricación de la pieza (actividad A11). Cabe recordar que la tendencia actual en el desarrollo de modelos para la gestión del ciclo de vida, es el intercambio de información y datos a nivel de características. En este caso, para el reconocimiento de características se ha utilizado el modelo desarrollado en [ 2 ] [ 1 ], descrito en el Capítulo 4.1. A partir del modelo CAD en formato ".stp", la aplicación arroja un archivo de texto ".txt" con las características de la pieza. Para el Ejemplo 1, la estructura del archivo se presenta en el Código 5.1. Código 5.1 Extracto de las caracteristicas de la pieza Ejemplo 1 usando el método de reconocimiento de [1] [2]. Part name: Ejemplo 1 Part thickness is : 1.5 mm web (ID: 1; Position point :(−30,−20,0) ; Position normal :(0,0,1) ) stiffening flange (ID: 2; Parent ID: 1; Width: 60.21 mm; Length: 12.5 mm; Bend radius: 3 mm; Type: Down, Single, Immediate, Planar , Perpendicular ; Position point :(−60,−40,0) ; Position normal :(0.083,−0.997,0) ) 64 Capítulo 5. Modelado MfM de la definición del proceso de conformado de una pieza de chapa corner (ID: 13; Parent ID: 5; Radius: 7.5 mm) attachment flange (ID: 6; Parent ID: 1; Width: 36 mm; Length: 20 mm; Bend radius: 3 mm; Type: Down, Single, Immediate, Planar , Perpendicular ; Position point :(35.556,0,−43.998) ; Position normal :(−0.778,0,−0.629) ) bend relief (ID: 7; Parents IDs: 6, 3; Radius: 3 mm) bend relief (ID: 9; Parents IDs: 5, 6; Radius: 5 mm) corner (ID: 14; Parent ID: 6; Radius: 7.5 mm) corner (ID: 15; Parent ID: 6; Radius: 7.5 mm) attachment hole (ID: 21; Parent ID: 6; Diameter: 4 mm; It has position ) attachment hole (ID: 22; Parent ID: 6; Diameter: 4 mm; It has position ) attachment hole (ID: 23; Parent ID: 6; Diameter: 4 mm; It has position ) tooling hole (ID: 16; Parent ID: 1; Diameter: 6 mm; It has position ) tooling hole (ID: 17; Parent ID: 1; Diameter: 6 mm; It has position ) Figura 5.30 Reconocimiento de las características de la pieza "Ejemplo 2" y asignación de las propiedades "Feature Type" y "Operation Type". 5.4 Ejemplos prácticos 65 El código de características obtenido y la asignación de las propiedades "Feature Type" y "Operation Type" se muestra en en el Código 5.2 y Figura 5.30. Nótese que son aquellas características con curvatura las que generan la necesidad de utilizar el hidroconformado. Generalmente, se distinguen 4 tipos de características con curvatura: "lips", genera una geometria similar a un "flange" inclinado de geometría curva en el contorno de la pieza; "lighetning" se utiliza para aquellos "flange" inclinados que tienen un contorno cerrado y que se utilizan para aligerar la pieza aportando rigidez; "bead" es una deformación geométrica de una superficie; y por último los "joggle" que modifican el plano de una característica plana, ya sea un "flange" o la propia "web". A las características que derivan de este último tipo, se las diferencia utilizando el término "deformed". Para la pieza en cuestión, el "attachment flange (ID:4)" contiene un "joggle (ID:2)" que deriva en un "deformed flange (ID:3)". Por este motivo, el tipo de operación asignado para reproducir las características ID:2 e ID:3, es el hidroconformado, siendo el proceso de fabricación que identificará la actividad A2 (véase la Figura 5.31). Figura 5.31 Identificación del proceso de fabricación en la actividad A2. Otro aspecto que difiere del ejemplo anterior, es el reconocimiento del desarrollo plano. Como se introdujo en el modelo de comportamiento, la preforma para el hidroconformado sólo tendrá en cuenta aquellas características definidas como "Operation Type = cutting", descartando todo tipo de taladros al considerar posibles deformaciones asociadas al propio proceso (Figura 5.32). En muchas ocasiones, cuando se tienen faldillas de gran altura, el molde utilizado incorpora "Blank 66 Capítulo 5. Modelado MfM de la definición del proceso de conformado de una pieza de chapa holders" que facilitan la deformación de la chapa evitando la formación de pliegues. Por esta razón, los taladros se dejan para el final del proceso. De hecho, en la mayoría de ocasiones el proceso de hidroconformado lleva asociadas operaciones de repaso posteriores, para alcanzar la geometría y acabado requeridos. Uno de los más habituales es el recorte de las creces de la preforma. Figura 5.32 Reconocimiento del desarrollo plano de la pieza "Ejemplo 2" en la actividad A3. Una vez reconocida la preforma, se pueden agrupar las características en función de la operación necesaria para generarlas. En el caso del hidroconformado, se definen 3 grupos de operaciones: corte de la preforma, hidroconformado y taladrado. En la Figura 5.33 se muestra el resultado de la actividad A41. Nótese que todas las operaciones de deformación, independientemente del tipo (plegado o hidroconformado) se han agrupado junto a las operaciones de hidroconformado. Figura 5.33 Agrupación de las operaciones del proceso de fabricación en la actividad A41. 5.4 Ejemplos prácticos 67 A continuación, en la Figura 5.34 se define la secuencia de operaciones de cada grupo. Por definición, se asigna una única operación para los grupos de corte e hidroconformado. No obstante, para el caso del taladrado se busca la mejor forma de optimizar el proceso. En este caso, se han definido dos operaciones para realizar los taladros: en la operación 3 se harán los "Tooling hole", con dimámetro 6mm, mientras que en la operación 4 se hacen los "Attachment holes" con diámetro 4mm. Figura 5.34 Ordenación de operaciones en la actividad A42. Finalmente, la asignación de recursos y definición de parámetros de proceso resulta muy similar al ejemplo anterior (véase las Figuras 5.35 y 5.36). El usuario es el encargado de asignar a cada operación los recursos necesarios. El diseño de las operaciones de hidroconformado, resulta bastante más complejo que en el caso del plegado. En este caso, es necesario diseñar la geometría del molde sobre el que se deforma la chapa, adoptando la geometría definitiva. Además, en muchas ocasiones, fundamentalmente para generar "flanges" de gran altura o de geometría curva, se utiliza un "blank holder" para controlar la deformación de la chapa. El proceso de hidroconformado está controlado principalmente por la presión, la evolución de la presión en el ciclo de hidroconformado, y la temperatura. Figura 5.35 Definición de las operaciones en la actividad A43. Asignación de recursos a cada operación. 68 Capítulo 5. Modelado MfM de la definición del proceso de conformado de una pieza de chapa Figura 5.36 Definición de las operaciones en la actividad A43. Evaluación de los parámetros de procesado. En la Figura 5.37 se muestran los resultados obtenidos a partir de un ensayo de hidroconformado realizado por la empresa Quintus [ 12 ]. Se demuestra como, en la figura de la izquierda, el uso de un molde sobre el que se deforma la chapa junto a una presión de hasta 800 bar, el resultado obtenido es notablemente mejor que en el proceso de baja presión. Otra de las ventajas del uso de alta presión, es el nivel de calidad obtenido en la geometría de la pieza, ya que la chapa se adapta con mayor nivel de detalle al molde. Además, permite un mayor control del spring-back, y en algunas ocasiones permite obtener la pieza incluso completamente terminada, incluyendo el corte de las creces. Figura 5.37 Ejemplo de pieza hidroconformada a baja y alta presión, utilizando un molde para el control de la deformación [12]. 5.5 Aplicaciones 69 Finalmente, en la Figura 5.38 se presentan algunos ejemplos de piezas hidroconformadas. En todas ellas se diferencian características a simple vista que no se podrían conseguir a partir de operaciones de plegado. Figura 5.38 Conjunto de piezas fabricadas con operaciones de hidroconformado. 5.5 Aplicaciones En este apartado se ha propuesto un modelo básico para la caracterización y definición del proceso por conformado de chapa metálica, ampliamente utilizada en múltiples sectores, incluyendo el aeroespacial. Teniendo en cuenta las necesidades de las industrias, donde continuamente se desarrollan nuevos productos, y en muchas ocasiones se solicita a empresas externas la ejecución del trabajo, este modelo podría resultar de utilidad en muchas ocasiones. Por ejemplo, cuando una empresa tiene la necesidad de ofertar el coste y las horas necesarias para desarrollar un paquete de trabajo, con un volumen alto de piezas de chapa metálica, podría apoyarse en este análisis para determinar cuantas piezas son de hidroconformado, y cuántas de plegado. Además, podría estimar el número de operaciones, el coste y el tiempo necesario. De igual modo, si además se cuenta con un modelo para la selección automática de las herramientas necesarias, el modelo desarrollado puede ayudar a determinar si se cuenta con todos los recursos, o por contra necesita adquirirlo o subcontratar alguna operación. 6 Discusión, conclusiones y trabajos futuros En este capítulo se hace una valoración de la metodología utilizada, su potencial y su futuro en el mundo laboral, y se exponen las principales conclusiones obtenidas al finalizar el proyecto. Finalmente se presenta una valoración personal y propuestas de estudio para trabajos futuros. 6.1 Discusión y conclusiones En este trabajo se ha introducido la metodología MfM y se ha aplicado a un caso práctico en uno de los procesos de fabricación metálica más utilizados en la industria aeronáutica, como es el conformado de chapa. Tal y como se comentó en el primer capítulo, el uso de estructuras semánticas y modelos ontológicos está cada vez más extendido, llegándose a convertir en una disciplina de la ingeniería. Concretamente, la metodología MfM resulta de gran utilidad para definir y reproducir datos, funciones y comportamientos de sistemas complejos mediante el uso de modelos gráficos. De hecho, su utilidad para el fin propuesto se ha demostrado en los múltiples proyectos en los que ya se ha aplicado, sirviendo como ejemplo este mismo trabajo. Personalmente, considero que la metodología MfM tiene muchísimo potencial, y a pesar de basarse en conceptos muy abstractos y difíciles de entender a primera vista, acaba resultando sencillo y útil para conseguir una forma robusta de desarrollar el comportamiento de sistemas. Para aplicar la metodología MfM es imprescindible entender el concepto de cada capa: datos, ontología y servicios; así como los 4 modelos que se definen en el interior de la capa de ontología: alcance, datos, comportamiento y semántico. Aunque en este trabajo han cobrado mayor relevancia los modelos de alcance, al contener la estructura de actividades del modelo y las relaciones entre ellas, y el modelo de comportamiento, al representar cómo debe desarrollarse cada actividad, hay que destacar que en realidad todos los modelos juegan papel fundamental en la metodología, siendo igual de importantes. En este proyecto, se propuso en primer lugar una aplicación bastante genérica, pero que pretendía aplicar la metodología MfM para obtener un modelo sencillo que ayudase a definir el proceso de fabricación de una pieza metálica cualquiera. Por este motivo, se introdujeron brevemente los procesos de fabricación más extendidos en la industria metálica, desde el mecanizado o el conformado de chapa, hasta la forja y fundición. Así, para el desarrollo del modelo de alcance en cuestión, se han considerado conceptos de la Tecnología de Grupos, como son las características 71 72 Capítulo 6. Discusión, conclusiones y trabajos futuros de diseño y las características de fabricación. Cada proceso de fabricación deja huellas propias en las piezas, de manera que teniendo cierto conocimiento sobre tecnologías de fabricación, resulta relativamente sencillo determinar qué proceso se ha utilizado para fabricar una pieza. El modelo propuesto parte de una situación en la que solo se conocería el modelo de la pieza y un conjunto de requisitos que ayudarían a determinar qué proceso resulta más conveniente, esto es, no se descartan el resto de procesos sino que se indica cómo de bueno sería fabricar esa pieza con esa tecnología. En resumen, el modelo podría resultar muy útil como una primera idea, que siembra los conceptos para emprender un largo camino en futuros desarrollos. Por este motivo, en el Capítulo 5 se ha desarrollado un modelo más completo, particularizado para el conformado de chapa. Para llegar hasta el modelo de alcance del Capítulo 5.1.1, han sido necesarias múltiples iteraciones, motivadas fundamentalmente por la adquisición de nuevos conceptos conforme se desarrollaba el modelo. Para el modelo final, se ha tomado una muestra de 26 piezas típicas de chapa metálica, y se han analizado en primer lugar las operaciones que serían necesarias para obtenerlas. En este estudio, se ha determinado que el plegado y el hidroconformado son los procesos más frecuentes, y por tanto, surgía la necesidad de crear un modelo que pudiera discernir las piezas según la tecnología más apropiada, para posteriormente describir el proceso de fabricación. Una vez definido el modelo de alcance, se han obtenido los modelos de datos y de comportamiento. Nuevamente, hasta congelar los diagramas definitivos, el proceso resulta muy iterativo. De hecho, el desarrollo de estos modelos realimenta continuamente el modelo de alcance, ya que para explicar cómo se comporta el modelo en cada actividad, surge la necesidad de disponer de nuevos datos, o información de otras actividades. En cuanto a la capa de datos y de servicios, únicamente se han propuesto estructuras que pretenden servir de guía para proyectos futuros. Para entender mejor estos conceptos, se ha aplicado el modelo a dos casos prácticos con piezas reales, una que podría fabricarse con operaciones de plegado, y otra para la que es necesario emplear un proceso que permita geometrías más complejas, como el hidroconformado. En estos modelos se explica con gran nivel de detalle el comportamiento de cada actividad, las reglas impuestas y la lógica utilizada para el diseño de los mismos. En resumen, considero que el proyecto cubre los objetivos propuestos y personalmente, he adquirido conceptos nuevos que hasta ahora desconocía, pero que seguro me van a resultar de gran utilidad en el futuro. Simplemente, el hecho de aprender una nueva metodología, útil para el diseño de sistemas ya supone un valor añadido. Además, me ha permitido familiarizarme con algunas de las aplicaciones utilizadas para la elaboración de los modelos, como Ramus y Graphviz. 6.2 Líneas futuras de estudio Una vez finalizado el proyecto, se identifican varios aspectos que podrían realizarse como líneas de trabajo futuras. En primer lugar, es bastante obvio que a partir del primer modelo pueden surgir infinidad de oportunidades, al ser tan genérico. De hecho, puede utilizarse el concepto para emplearse en otros procesos diferentes del conformado, como por ejemplo el mecanizado. En cuanto al segundo modelo, quedan pendientes la capa de datos y la capa de servicios, por lo que se propone como futura línea de estudio la ejecución de las herramientas informáticas necesarias para realizar una simulación real del modelo. De hecho, estoy seguro que de aquí surgirían muchas oportunidades de mejora del modelo actual. 6.2 Líneas futuras de estudio 73 Finalmente, se podría avanzar en modelos que complementen el de este trabajo. Por ejemplo, para la asignación de recursos y herramientas de forma automática, en lugar de requerir la intervención del usuario. Del mismo modo, se podría estudiar la posibilidad de tener un modelo para el reconocimiento y estimación de los parámetros en base a la información geométrica disponible. En este caso, para realizar esta actividad se ha propuesto disponer de un catálogo con la relación de parámetros aplicable, por lo que basta con cuantificarlos para obtener los resultados. 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