El análisis automatizado de la vibración de la placa de circuito reduce errores en un proceso 100 veces más rápido

Ingenieros ayudando a ingenieros

Fundada por tres antiguos ingenieros de United Technologies en 1995, Design Automation Associates Inc. (DAA) ofrece una amplia variedad de servicios de consultoría de ingeniería. Se dedican a ayudar a las empresas a automatizar sus procesos de desarrollo y configuración de productos. La firma, que ahora cuenta con unos 20 empleados, pone sus servicios a disposición de varias industrias, entre las que se encuentran equipos rotatorios, packaging de componentes electrónicos, maquinaria industrial y los sectores aeroespacial, militar y de la automoción.

DAA posee una gran experiencia a la hora de determinar qué actividades son aptas para la automatización. Una de las más prometedoras implica al diseño y el análisis de los productos «engineered-to-order» (ETO) y configured-to-order (CTO). «Los problemas que más se repiten tienen lugar en todas las áreas de análisis y diseño de ingeniería, sobre todo en aquellas empresas que trabajan con productos «engineered-to-order» y configured-to-order. En este caso, existen algunas piezas que se han diseñado tantas veces que la automatización puede suponer un gran ahorro en cuanto a los plazos», comenta John Lambert, presidente y CEO de DAA.

Por ejemplo, en cuanto a los componentes electrónicos, Lambert señala la necesidad de realizar un análisis de elementos finitos (FEA) para placas de circuito impreso ETO. «Para cada pedido nuevo, estas compañías tienen que rediseñar sus placas de circuito. Incluso las empresas que cuentan con una buena tecnología de análisis tienen que trabajar de manera manual», explica Lambert. En muchos casos, se necesitan cálculos para cargas determinadas y para evaluar los resultados de un análisis. «La mayoría de esas estimaciones, como las que se utilizan para interpretar resultados, suponen procedimientos especializados, parte de la propiedad intelectual de la empresa, que es lo que la hace única y competente», continúa Lambert. «Hay todo un dominio de cálculo y lógica que no se añade a un software de análisis como una funcionalidad predeterminada, ya que es específico de la compañía.»

DAA ha vivido situaciones en las que el proceso de análisis de un solo producto ETO ha supuesto hasta 40 horas de trabajo. «Y esa empresa puede llevar a cabo ese mismo análisis de unas 100 a 200 veces al año», aclara Lambert. «Además de la inversión de tiempo y dinero, tener que confiar en este tipo de cálculos manuales lleva a una alta probabilidad de errores.» Cuando DAA ve que se intenta automatizar, siempre es en forma de macros, y como señala Lambert «se trata de una tecnología de hace 20 años.»

Más allá de los macros

Los ingenieros de DAA utilizan varias soluciones avanzadas de diseño y análisis en su trabajo. Sin embargo, cuando automatizan análisis iterativos y complejos y bucles de diseño-análisis confían en el software de Simcenter y NX de Siemens Digital Industries Software. DAA utiliza Simcenter 3D y Simcenter Nastran, del portfolio de Simcenter, para los análisis avanzados. «El conjunto de herramientas de Simcenter y NX es una funcionalidad de primera clase», indica Lambert. «Con Simcenter 3D y NX, obtenemos funciones integradas de modelado y análisis, así como NX Open.» NX Open es la interfaz de programación de aplicaciones (API) integrada tanto en Simcenter 3D como en NX. DAA usa NX Open, junto a otros códigos personalizados, para automatizaciones más complejas. «Los problemas en los que nos centramos requieren de una complejidad y automatización más allá de lo soportado por las funcionalidades predeterminadas», dice Lambert. «Es por eso por lo que usamos NX Open.»

Como ejemplo de un proceso de automatización que ha realizado DAA, Lambert describe un análisis de elementos finitos de una PCB que se utiliza en una aplicación aeroespacial. «Este es un gran ejemplo de una tarea que debe hacerse de manera repetitiva, en parte porque hay muchas variables de diseño, como los componentes en la placa o los montajes, que pueden cambiar», explica Lambert. «De igual manera, las placas están sujetas a vibraciones aleatorias, y dependiendo del espectro, puede haber una o más zonas alejadas. Tiene que mover las frecuencias para alejarlas de esas zonas y colocarlas en áreas de menor vibración. Con todo, no es tan sencillo, pues puede incrementar las cargas y los esfuerzos al hacerlo. Cuando mueve esas frecuencias, tiene que volver a evaluar las cargas. Y a menudo, en el caso de la electrónica, hay componentes que tienen frecuencias cercanas entre sí, de manera que se magnifican. Esto termina convirtiéndose en una tarea repetitiva para lograr el equilibrio entre la ubicación adecuada de las frecuencias y la integridad estructural de la placa.»

La versión automatizada de este proceso de DAA, que considera al usuario como una funcionalidad nativa de NX, incluye el modelado geométrico, el preprocesamiento de FEA, el posprocesamiento y el análisis utilizando el software de Simcenter 3D y Simcenter Nastran®. Con el modelo de geometría de PCB de NX como punto de partida, el programa crea automáticamente la malla de elementos finitos y aplica las propiedades de material adecuadas. A partir de ese momento, realiza un análisis de frecuencias (Solución 103 de Simcenter Nastran). El código personalizado escrito por DAA utilizando NX Open compara los resultados con el espectro de vibraciones aleatorias. A continuación, continúa con el bucle y las modificaciones de la geometría de PCB hasta que las frecuencias de la vibración están fuera de esas zonas en la curva. A partir de ahí, se realizan algunos cálculos para cargas determinadas, seguidos de análisis de esfuerzos y deflexiones (Solución 101 de Simcenter Nastran). Otros códigos personalizados combinan estos resultados con el conocimiento de procesos para generar predicciones de vida, comparar permisibles de materiales y determinar si el diseño es aceptable. Si no lo es, el proceso comienza de nuevo y continúan las iteraciones hasta que el diseño tiene la integridad estructural adecuada.

En este ejemplo, Lambert señala que no se realiza el análisis térmico, aunque sí se podría llevar a cabo: «Normalmente, se tiene que hacer un análisis térmico, y se puede incluir en el proceso de automatización.»

Gran ahorro de tiempo y menos errores

Una de las ventajas más evidentes de la automatización, como se muestra en el ejemplo de PCB, es el tiempo que se ahorra. Lambert ha visto situaciones en las que un análisis necesitaba 40 horas para completarse, mientras que ahora lo realiza un proceso automatizado en 15 minutos.

Naturalmente, crear ese proceso supone cierta inversión de tiempo, y DAA tiene una regla general para calcular cuánto tiempo es necesario. «Se dedica hasta un periodo de tiempo 10 veces mayor en la creación de una rutina de automatización sólida como en la repetición de un proceso», explica Lambert. «Por lo tanto, no todo es apropiado para la automatización. Si se trata de un análisis que ejecutará una empresa tan solo un par de veces, no merece la pena. Sin embargo, si es algo que hace unas 25, 100 o incluso 200 veces al año, sí que tiene sentido.» ¿Qué nivel de habilidad es necesario para crear un proceso de automatización como el descrito? «Necesita a alguien con un nivel intermedio de programación», indica Lambert. «La función del sistema de diarios generará muchísimos códigos de NX Open. Necesita saber cómo abrirlos, editarlos y mejorarlos para que se ajusten más a la aplicación, en lugar de registrar pulsaciones.»

Hay más ventajas en la automatización de procesos de simulación con Simcenter 3D. Se mantiene la misma apariencia en NX, por lo que aquellos usuarios que ya están familiarizados con NX CAD casi no necesitan formación para utilizarlos. Asimismo, una vez que los analistas han automatizado los procesos, los usuarios pueden ejecutarlos con menos formación, lo que libera a los analistas para dedicarse a otros proyectos más complejos. Automatizar un proceso también tiene el efecto de estandarizar y eliminar errores humanos, como los fallos de los analistas en los cálculos manuales.

DAA ha tenido tanto éxito con la automatización de NX Open que a Lambert le sorprende que no sean más las empresas que se están beneficiando de esta funcionalidad de programación del software. «Es una funcionalidad muy útil en NX y Simcenter. Con todo, no vemos que se utilice mucho, aunque sí que existe la necesidad de este tipo de automatización entre nuestros clientes»; dice. «En las situaciones adecuadas, la automatización de procesos de simulación en el entorno de NX CAD hace que la inversión valga la pena.»