Los cables flexibles se utilizan en muchas industrias permitiendo el movimiento en sistemas de energía, señal y datos, ya sea durante el ensamblaje del sistema o como una característica práctica del eventual uso de los componentes. Cualquiera que sea la aplicación, existe presión para producir diseños precisos de arneses flexibles en el mundo virtual que garanticen una larga vida útil y durabilidad.
Uno de los inconvenientes del diseño en el ámbito digital es que las herramientas CAD 3D tradicionales no representan con precisión los complejos comportamientos mecánicos de los componentes flexibles. El hecho de que un haz de cables se doble en un cierto ángulo en dos dimensiones no significa que en realidad lo hará. Este artículo trata sobre algunas de las consecuencias inesperadas del diseño de componentes en CAD 3D. Luego veremos algunos de los avances en el diseño basado en modelos para predecir el comportamiento cuando los cables se flexionan y doblan, específicamente el programa de simulación de cables IPS fleXstructures. Luego hablaremos con algunos representantes de fleXstructures y su socio estadounidense Sandalwood para obtener una visión más profunda de los problemas de CAD y las soluciones de modelado de vanguardia.
Como se indicó anteriormente, existen brechas entre los sistemas CAD y la realidad cuando se trata de sistemas flexibles como cables y arneses. A continuación se presentan algunas áreas en las que se quedan cortos:
- Estrés impredecible en cables y mangueras (como movimientos, vibraciones, abrasión).
- Geometrías rígidas y asumieron formas espaciales que a menudo no se corresponden con la forma del mundo real de componentes elásticamente deformables.
- Diferentes tolerancias debido a la fabricación y temperaturas de cables y mangueras.
- La vida útil de complejas combinaciones de cables y mangueras.
- la clasificación de propiedades geométricas y funcionales, por ejemplo, según la forma y la longitud o según la rigidez y la densidad longitudinal.
- La Asamblea de los componentes flexibles dentro de los parámetros especificados para evitar daños.
Estos problemas se manifiestan de manera significativa. La Figura 1 muestra con qué frecuencia los modelos de arneses CAD se desvían de la realidad. Independientemente del motivo, estas brechas cuestan tiempo y dinero, no sólo en la etapa de prototipo del diseño de un arnés, sino también en el ensamblaje y en el consumo a largo plazo.
Figura 1. Brechas de la realidad al diseñar circuitos flexibles en CAD.
Diseño basado en modelos
Los diseños de cables basados en modelos emplean modelos informáticos para simular su comportamiento bajo diferentes cargas, incorporando factores como las propiedades del material, la geometría y las condiciones de contorno. Estos modelos permiten analizar y mejorar el rendimiento del producto en función de condiciones de carga específicas en el mundo real.
Esta simulación considera aspectos físicos del material del cable, la geometría del sistema (incluida la sección transversal, la longitud y el espesor del material) y posteriormente aplica cargas al sistema. Los resultados proporcionan información sobre la capacidad de carga y las características flexibles del cable o arnés, lo que permite realizar ajustes en el diseño del sistema para cumplir con los requisitos funcionales y soportar diversas cargas y geometrías en el mundo real.
Simulación de cables IPS
Para debatir este importante aspecto del diseño de cables y arneses estuvieron Karl Bangert, director general de fleXstructures Norteamérica, junto con John Lewkowicz, director técnico de ingeniería digital, y Mike Vitek, director de ingeniería de sistemas, de Sandalwood Engineering & Ergonomía, socio de consultoría y ventas de fleXstructure en EE. UU. Karl comenzó con la misión de la empresa y dijo: “IPS Cable Simulation se utiliza para validar virtualmente los diseños de mangueras, cables y mazos de cables para ayudar a nuestros clientes a ahorrar tiempo y dinero en el desarrollo, montaje y servicio de los componentes”.
El desarrollo de su modelo de simulación de cables se remonta a mediados de la década de 2000 gracias al trabajo de una organización de investigación alemana llamada Instituto Fraunhofer de Matemáticas Industriales (Fraunhofer ITWM), que se ocupaba de las matemáticas centradas en ayudar a resolver los desafíos de producción de automóviles y transporte. Se consideró que esto era de particular importancia ya que vieron que el transporte se estaba electrocutando más. “Entonces, la idea era encontrar una solución en la que se pudiera realizar una simulación en tiempo real que condujera a resultados rápidos con la capacidad de mover cosas en realidad virtual”, informó Karl. Esa investigación condujo a un par de empresas derivadas de alta tecnología, una de las cuales fue fleXstructures Alemania, fundada en 2012.
Hace tres años, la empresa abrió fleXstructures en Norteamérica y contrató a Karl. “Muy pronto, reconocimos que para escalar rápidamente, necesitábamos asociarnos con personas que fueran expertos tácticos en el área del modelado humano digital, así como en componentes de realidad virtual”. Sandalwood había estado trabajando en ese espacio durante 32 años y cumplía todos los requisitos.
Karl habló del alto grado de interoperabilidad de IPS. “Funciona en conjunto con CAD, por lo que no estamos reinventando la rueda desde ese punto de vista. Admitimos varios formatos de geometría para que podamos ser parte de una cadena de proceso de diseño. Ya sea que esté utilizando Catia, 3DEXPERIENCE, los productos Siemens NX, PTC Creo o Zuken E3, puede tomar los datos y leerlos en IPS, realizar mejoras y luego llevar la información a su sistema CAD para asegurarse de que el diseño cumpla con los requisitos. directrices originales”. Estas mejoras, explicó, pueden ser líneas centrales revisadas, un estudio de tolerancia para reclamos de espacio, la creación de envolventes de movimiento (cuando algo se mueve en un espacio definido) o para verificar posibles colisiones, solo por nombrar algunas.
Mike mencionó que una ventaja importante es que no se necesita una supercomputadora para ejecutar IPS. “Podemos ejecutar una serie de simulaciones en una plataforma bastante liviana, como sistemas portátiles o de escritorio bastante estándar. No necesitamos tres fuentes de alimentación y una fuente de calor gigantesca para ejecutar simulaciones nocturnas y los resultados se pueden ver de inmediato”.
Hay varias formas en que IPS aborda las propiedades de los materiales para predecir el comportamiento de haces de cables o circuitos individuales. “Viene con una base de datos de propiedades de materiales estándar para varios cables y haces. También contamos con algunas poderosas herramientas de estimación donde puede indicarle al software los cables individuales que componen un conjunto particular o una parte de un arnés. Luego estima las propiedades del material”, explicó John. También trabajan con proveedores de arneses de renombre mundial para desarrollar una biblioteca de tipos de conductores individuales que ayuden a validar las características del haz.
John habló más sobre la importancia de las validaciones de diseño que tienen en cuenta aspectos como la flexibilidad y el radio de curvatura. “Vemos muchos diseños de arneses en CAD y en realidad son fideos. Hará lo que quieras pero no entiende cómo se supone que debe moverse, los efectos de la gravedad, los puntos de fijación o las propiedades del movimiento. Entonces, cuando los colocamos en IPS y los corregimos físicamente en presencia de la gravedad para ver cómo entran en contacto, podemos optimizar rápidamente el diseño”.
Cuando se le preguntó sobre el costo de la herramienta, Karl sostuvo que la herramienta no tiene un costo prohibitivo, especialmente en comparación con el ahorro de tiempo y dinero en la creación de prototipos y cambios de diseño posteriores. “Los OEM serán los que tendrán entre 10 y 20 licencias para 50 usuarios capacitados, pero lo que estamos viendo en el espacio de proveedores es que pueden presentar un argumento comercial para ello. [Los fabricantes de arneses] pueden decir: “Oye, no solo te proporcionaremos el artículo tal como se especifica, sino que podemos asegurarnos de que la aplicación se ajuste a tus necesidades y no tendrás sorpresas durante la fabricación o en el campo”..” Esto, sostuvo, los convierte en un recurso invaluable para sus clientes.
Mike encajó en este punto al discutir algunos de los desafíos al trabajar con ingenieros a nivel de OEM. Estuvo de acuerdo con la afirmación de que muchos ingenieros nuevos carecen del beneficio de haber trabajado bajo la tutela de diseñadores de arneses veteranos, pero plantea un argumento aún más convincente. “Antes, había una persona dedicada a cosas como mazos de cables, clips y conectores. Ahora están fabricando esa parte de un conjunto de motor completo para la acumulación de batería. Por lo tanto, el énfasis en especializarnos en el área de arneses ya no existe. Se están concentrando más a nivel de sistemas con otras cosas como módulos, enfriamiento,
