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Sistemas CAD CAM CAE Alberto Arauz Villeda

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Sistemas CAD CAM CAE Alberto Arauz Villeda

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Los sistemas CAD, CAM y CAE son herramientas cada vez más fundamentales en el diseño y fabricación de dispositivos biomédicos. En la actualidad estas tecnologías se utilizan en conjunto para desarrollar productos médicos de alta calidad y eficiencia para poder atender las necesidades de los pacientes de maneras en las que antes no se podía.

CAD: La principal aplicación de los diseños asistidos por computadora es la facilidad para diseñar crear modelos 3D precisos de dispositivos biomédicos, como es el caso de nuestros proyectos. Otra ventaja es que permite realizar cambios en el diseño, lo que significa que una solución general se puede adaptar para cubrir todas las necesidades de un paciente ahorrando en recursos, siendo el más importante el tiempo.

CAM: La aplicación del CAM es la facilidad que da a los ingenieros para desarrollar los dispositivos generados de una manera mas sencilla, esto puede ser al entregar ya archivos compatibles con maquinas especializadas para su creación sin ser expertos en las mismas, como son archivos STL para la impresión 3D o el código a seguir en una maquina CNC.

Estas ventajas en tiempo permiten incluso poder generar prototipos para asegurar la calidad del producto final sin comprometr al paciente en su tratamiento.

CAE: EL principal avance que se puede obtener es experimentar con las condiciones a las que se expondrá el dispositivo incluso antes de fabricarlo, esto gracias a las simulaciones que se pueden llevar a cabo en diferentes softwares, estas pueden ajustarse a varios parámetros en los que se espera que interactúe el dispositivo o incluso encontrando el punto de fallo del dispositivo para determinar su viabilidad o indicaciones oportunas del cuidado que tiene que tener el paciente aun después de su tratamiento.

A modo de conclusión, los dos mayores factores para el éxito de la aplicación de estas tecnologias en el desarrollo de sistemas biomedicos se encuentra en, primero, la implementación integral de las tres tecnologías para hacer un uso verdaderamente eficiente de las herramientas que hoy nos permiten llevar a la realidad ideas que antes solo se quedarían en el aire y, segundo, a entender que estas soluciones no son automáticas ni infalibles y se tiene que entender que cada paciente tendra necesidades únicas y es nuestro trabajo como ingenieros crear sistemas que sean flexibles en su aplicación y constantes en su efectividad.

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SISTEMAS CAD-CAE-CAM > Javier Eduardo Uribe Robles

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SISTEMAS CAD-CAE-CAM > Javier Eduardo Uribe Robles

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¿Qué son los sistemas CAD, CAE y CAM? Para comenzar a describir cada uno de ellos, podemos identificar que lo único que los diferencia uno del otro es una letra. Si vamos a sus definiciones directamente, CA corresponde a Computer Aided... y de ahí viene el diferenciador, comenzando a describir cada uno de ellos.

CA D>> CAD, por sus siglas en ingles, corresponde a Computer Aided Design, es decir, "Diseño asistido por Computadora", y es un software, de diferente proveedor, con las herramientas necesarias para poder generar bocetos, planos, dibujos técnicos, a través de líneas, arcos, redondeos entre otros parámetros y elementos que permitan generar ayudas visuales a través de las cuales podemos observar algo que se esté planteando como solución a un cierto problema. Estos dibujos, normalmente, suelen usarse como base para generar sólidos en 3D, por lo que, hoy día, a través de estos softwares podemos prototipar de forma teórica o conceptual, antes de realmente generar un elemento físico y palpable. Ejemplos comunes de estos sistemas son SolidWorks, Catia, Fusion 360, entre otras muy viables opciones ampliamente usadas en la industria y en la educación.
CAE >> Computer Aided Engineering. CAE hace referencia a sistemas y elementos de software que permiten al ingeniero tomar diseños y modelos, previamente realizados en un software de CAD, por ejemplo, para realizar estudios físicos en diferentes áreas de importancia: Resistencias, estudios estáticos y dinámicos, comportamiento ante fenómenos electromagnéticos, transferencia de energía térmica, entre otros. A través de ellos el ingeniero involucrado en cualquier proyecto es capaz de validar un diseño desde el aspecto teórico, donde antes habría que tenido que hacer uso de distintas metodologías de análisis, de forma manual con cierto apoyo computacional, ahora interpretando los parámetros de configuración de forma tal que el análisis se hace de forma automática. Muchos softwares de diseño CAD, poseen una sección o Add-On que permite hacer estudios, que es el caso de SolidWorks y Fusion 360, aunque otros tienen enfoque meramente ingenieril, como ANSYS, un software CAE por excelencia y establecido en la industria con bastante fuerza.

CAM  >> Computer Aided Manufacturing. Por medio de estos softwares, tras haber diseñado un elemento en CAD, y tener una iteración de este que sea validada con CAE, y entendiendo que el diseño no debe quedarse en lo teórico, a través de sistemas CAM podemos obtener la manera óptima de fabricar este elemento a través de maquinaria automatizada con programación CNC, por ejemplo. Es a través de CAM que podemos programar diferentes parámetros tales que una máquina es capaz de fabricar y realizar los procesos necesarios (aplicables a ella) para obtener un producto. Por ejemplo, a partir de un elemento mecánico, diseñado a través de una revolución, como un trompo o un eje con ranuras o variaciones de diámetro, capaz de soportar las cargas a las que será sometido, podemos cargar este elemento a un Add-On CAM de SolidWorks, en este caso, y obtener el código G necesario, que también deberá ser validado a través de simulación, para poder fabricar esta pieza en un Torno CNC.

¿Cómo se relacionan estos sistemas en la fabricación y modelado de sistemas biomédicos?
Es bastante sabido que a través de los sistemas CAD-CAE-CAM, la industria manufacturera, y muchas otras, de diferentes ramas y enfoques, ha evolucionado en gran manera y a gran velocidad. La ingeniería y sistemas Biomédicos no son la excepción. A través de diferentes softwares CAD, de diferentes enfoques, un diseñador puede elaborar implantes, sistemas y máquinas de enfoque médico y biomédico, con los diferentes parámetros geométricos necesarios, de forma relativamente sencilla, tras entender las necesidades de un paciente. A través de un software lo suficientemente poderoso de CAE, podemos analizar un diseño sin haberlo fabricado físicamente y probarlo en diferentes ambientes y ante diferentes esfuerzos o condiciones. Habiendo validado parámetros físicos y de material, podemos comenzar a considerar la fabricación del elemento en cuestión. Podemos utilizar softwares CAM para automatizar el proceso de la programación para su fabricación y el proceso en sí mismo. Además que podemos corroborar la viabilidad de fabricación del mismo, para saber si se requiere una nueva iteración.

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-CAD o mejor conocido como "Diseño Asistido" es una herramienta que nos ayuda a generar y diseñar planos, dibujos y por supuesto piezas en 3D, que en el área biomédica es de suma importancia saberlo usar ya que, nos ayuda a ahorrar tiempo y recursos. Nos hace verlo todo desde cualquier ángulo y facilita la precisión. Claramente al hacerlo por computadora nos ayuda bastante, ya que tenemos una mejor visualización de la figura con la que se esté trabajando.
Entre los programas CAM más utilizados están:

Solid works.

Inventor.

Tinkercad.

-CAE "Análisis asistido por computador" con este programa lo que podemos hacer es analizar todo el procedimiento, características, rentabilidad y viabilidad del diseño. Podemos observar la durabilidad de los materiales con los que se trabajará sin necesidad de gastar un solo peso haciendo pruebas, ya que con este sistema podemos poner a prueba nuestras figuras anteriormente hechas.

-CAM "Manufactura asistida por computador" nos ayuda a llevar a cabo todo eso que hicimos en un programa CAD, nos ayuda a darle las ordenes e instrucciones necesarias y rigurosas a la máquina para fabricar nuestra pieza, sobre todo cuando se trata de alguna figura con forma asimétrica es muy importante tener cortes limpios y de la mejor calidad.

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1. CAD (Diseño Asistido por Computadora):

Modelado 3D: El CAD se utiliza para crear modelos 3D detallados de dispositivos biomédicos. Esto permite a los ingenieros y diseñadores representar con precisión la geometría y la estructura del dispositivo, como prótesis, implantes o equipos médicos.

Diseño paramétrico: El CAD permite la creación de diseños paramétricos, lo que significa que se pueden realizar cambios en los diseños de manera rápida y eficiente. Esto es crucial en el desarrollo de dispositivos médicos, ya que es común realizar múltiples iteraciones de diseño para optimizar la funcionalidad y la ergonomía.

Simulación inicial: A través de herramientas de CAD, se pueden realizar simulaciones iniciales de cómo funcionará un dispositivo biomédico en el cuerpo humano antes de pasar a etapas de prototipado físico.

2. CAE (Ingeniería Asistida por Computadora):

Análisis de elementos finitos (FEA): El CAE se utiliza para llevar a cabo análisis de elementos finitos, que evalúan cómo reaccionará un dispositivo biomédico ante las fuerzas, presiones y cargas en condiciones del mundo real. Esto es esencial para garantizar la seguridad y la resistencia del dispositivo.

Simulación de fluidos: En el caso de dispositivos que involucran flujo de fluidos, como válvulas cardíacas artificiales o dispositivos de administración de medicamentos, el CAE se utiliza para simular cómo los fluidos interactúan con el dispositivo y cómo afecta esto al paciente.

Optimización del diseño: El CAE permite a los ingenieros optimizar los diseños de los dispositivos biomédicos, minimizando el riesgo de fallas y mejorando su eficiencia y rendimiento.

3. CAM (Fabricación Asistida por Computadora):

Fabricación de prototipos y producción: Una vez que se ha diseñado y analizado un dispositivo biomédico utilizando CAD y CAE, el CAM se utiliza para generar instrucciones de fabricación para máquinas como impresoras 3D, fresadoras CNC o máquinas de corte láser. Esto garantiza una fabricación precisa y repetible de los dispositivos.

Personalización y fabricación aditiva: En la fabricación de dispositivos biomédicos personalizados, como implantes ortopédicos o prótesis, el CAM es esencial para traducir los modelos de CAD en productos finales que se adapten a las necesidades específicas de un paciente.