Design Automation Associates, un análisis de la vibración de la placa de un circuito reduce los errores y resulta en un proceso 100 veces más rápido

Producto: NX CAD
Industria: Electrónica y Semiconductores

El uso de NX Open para automatizar los procesos de diseño y análisis iterativos da como resultado operaciones estandarizadas y altamente eficientes.

Ingenieros ayudando a ingenieros

Fundada por tres ingenieros de United Technologies en 1995, Design Automation Associates Inc. (DAA) ofrece una variedad de servicios de consultoría de ingeniería, con un enfoque en ayudar a las empresas a automatizar sus procesos de desarrollo y configuración de productos. La firma, que ahora cuenta con una plantilla de 20 personas, atiende a una amplia gama de industrias, incluyendo equipos rotativos, embalaje electrónico, maquinaria industrial, aeroespacial, militar y automotriz.

DAA tiene una gran experiencia en la determinación de qué actividades son adecuadas para la automatización. Uno de los más prometedores consiste en el diseño y análisis de productos de ingeniería a pedido (ETO) y configurados a pedido (CTO). “Los problemas iterativos ocurren en todas las áreas del diseño y análisis de ingeniería, pero ocurren especialmente en empresas con productos de ingeniería a pedido y configurados a pedido donde ciertas piezas están diseñadas de manera tan repetitiva que la automatización puede proporcionar enormes ahorros de tiempo”, dice John Lambert, presidente y CEO de DAA.

Como ejemplo específico en el embalaje electrónico, Lambert señala el análisis de elementos finitos (FEA) que debe realizarse para placas de circuito impreso (PCB) ETO. “Por cada nuevo pedido, estas empresas tienen que rediseñar sus placas de circuito. Incluso cuando las empresas utilizan una buena tecnología de análisis, todavía hay mucho trabajo que debe hacerse a mano”, explica Lambert. En muchos casos, se necesitan cálculos manuales para disuadir las cargas de las minas, por ejemplo, y para evaluar los resultados de un análisis. “Muchos de esos cálculos, como los utilizados para interpretar resultados, implican procedimientos especializados que forman parte de la propiedad intelectual de una empresa que la hace única y capaz de competir”, continúa Lambert. “Hay todo un dominio de lógica y cálculo que no se agregará a ningún software de análisis como funcionalidad lista para usar, porque es específico de la empresa.”

DAA ha visto situaciones en las que el proceso de análisis de un solo producto ETO tomó hasta 40 horas. “Y una empresa podría realizar ese mismo proceso de análisis de 100 a 200 veces al año”, dice Lambert. “Además del tiempo y los gastos incurridos, tener que basarse en tanto cálculo manual introduce la probabilidad de error.” Cada vez que DAA ve intentos de automatización, casi siempre está en forma de macros, que son, como señala Lambert, “tecnología de hace veinte años”.

Mucho más allá de las macros

Los ingenieros de DAA utilizan una serie de soluciones avanzadas de diseño y análisis en su trabajo, pero cuando se trata de automatizar análisis complejos e iterativos y bucles de análisis de diseño, la firma se basa en el software Simcenter y NX de Siemens Digital Industries Software. DAA utiliza Simcenter 3D y Simcenter Nastran, ambos parte de la cartera Simcenter de Siemens, para análisis avanzados. “El conjunto de herramientas Simcenter y NX es una funcionalidad de clase mundial”, dice Lambert. “Con Simcenter 3D y NX, obtenemos capacidades integradas de modelado y análisis, así como NX Open.” NX Open es la interfaz de programación de aplicaciones (API) integrada en Simcenter 3D y NX. DAA utiliza NX Open, junto con algunas codificaciones personalizadas, para sus automatizaciones más complejas. “Los problemas en los que nos estamos centrando requieren complejidad y automatización más allá de la compatible con capacidades lista para usar”, dice Lambert. “Para eso usamos NX Open.”

Como un ejemplo de la automatización daa ha hecho, Lambert describe un análisis de elementos finitos de un PCB destinado para su uso en una aplicación aeroespacial. “Este es un gran ejemplo de una tarea que debe hacerse iterativamente, en parte porque hay tantas variables de diseño, como los componentes de la placa y los soportes, que se pueden cambiar”, explica Lambert. “Además, las placas están sujetas a vibraciones aleatorias, y dependiendo del espectro puede haber una o más zonas de exclusión. Es necesario mover iterativamente las frecuencias para alejarlas de las “zonas de exclusión” y en áreas de menor vibración, pero no es tan simple porque se pueden aumentar las cargas y las tensiones haciendo eso. Al mover frecuencias, debe reevaluar las cargas. Y a menudo en los envases electrónicos hay componentes que tienen frecuencias cerca unas de otras, por lo que se magnifican entre sí. Se convierte en un juego exhaustivo e iterativo para lograr el equilibrio entre la colocación de frecuencia adecuada y la integridad de la placa estructural.”

La versión automatizada de DAA de este proceso, que mira al usuario como la funcionalidad nativa de NX, incluye modelado geométrico, preprocesamiento FEA, postprocesamiento y análisis utilizando Simcenter 3D y Simcenter Nastran® software. A partir del modelo de geometría NX del PCB, el programa crea automáticamente la malla de elementos finitos y aplica las propiedades de material adecuadas. A continuación, ejecuta iterativamente un análisis de extracción de frecuencia (Simcenter Nastran Solution 103). Código personalizado escrito por DAA usando NX Open compara los resultados con el espectro de vibración aleatorio, y luego continúa el bucle iterativo y las modificaciones a la geometría PCB hasta que las frecuencias de vibración PCB están fuera de la zona de exclusión en la curva de vibración aleatoria. A continuación, se realizan cálculos personalizados para determinar cargas, seguidos de análisis de tensiones y desviaciones (Simcenter Nastran Solution 101). Algún código personalizado adicional combina esos resultados con el conocimiento de la industria y el proceso para generar predicciones de vida, hacer comparaciones con los materiales permitidos y, en última instancia, determinar si el diseño es aceptable. Si no es así, el proceso se inicia de nuevo y las iteraciones continúan hasta que el diseño tiene una integridad estructural adecuada.

En este ejemplo, Lambert señala que el análisis térmico no está involucrado, aunque podría ser: “Generalmente hay análisis térmicos que hay que hacer y se puede incluir en la automatización también”.

Enormes ahorros de tiempo y menos errores

Uno de los beneficios más obvios de la automatización, como se ilustra en el ejemplo pcb, es el tiempo que ahorra. Lambert ha visto situaciones en las que el proceso automatizado realiza ahora un análisis que antes requería 40 horas en 15 minutos.

Por supuesto, crear la automatización lleva tiempo, y DAA tiene una buena regla general para estimar cuánto tiempo. “Se tarda aproximadamente 10 veces más en crear una rutina de automatización algo robusta como para ejecutar una sola iteración”, explica Lambert. “Así que no todo es apropiado para una automatización. Si es un análisis que una empresa va a ejecutar sólo un puñado de veces, probablemente no vale la pena. Pero si es algo que están haciendo 25 o 100, o 200 veces al año, tiene mucho sentido”.

¿Qué nivel de habilidad se necesita para crear una automatización como la que describió? “Necesitas a alguien que tenga un nivel moderado de capacidad de programación”, dice Lambert. “La función de registro en diario generará una gran cantidad de código NX Open para usted, pero necesita saber cómo abrir ese código, editarlo y mejorarlo para que sea más adecuado para una aplicación de uso general, en lugar de simplemente grabar pulsaciones de teclas.”

Hay varios otros beneficios para el apareamiento automático de procesos de simulación iterativa con Simcenter 3D. Las automatizaciones mantienen el aspecto y la sensación de NX, por lo que los usuarios que se sienten cómodos con NX CAD necesitan una formación mínima para usarlos. Además, una vez que los procesos son automatizados por analistas expertos, pueden ser dirigidos por usuarios con menos educación y capacitación, liberando a los analistas para proyectos más desafiantes. La automatización de un proceso también tiene el efecto de estandarizarlo y eliminar errores humanos, como los errores de los analistas en los cálculos manuales.

DAA ha tenido tanto éxito usando la automatización NX Open que sorprende a Lambert que más empresas no están aprovechando la funcionalidad de programación del software. “Hay una capacidad muy potente en NX y Simcenter, pero rara vez vemos que se utiliza a pesar de que hay una gran necesidad de este tipo de automatización entre nuestros clientes”, dice. “En las situaciones correctas, automatizar los procesos de simulación dentro del entorno NX CAD bien podría valer la pena la inversión.”