Las máquinas son sistemas físicos que convierten la energía en acción. Algunos ejemplos de máquinas simples son la cuña, la palanca y la polea. Las máquinas complejas tienen muchas piezas que funcionan juntas, como los componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos. Muchas máquinas modernas están controladas por ordenador y se programan y supervisan mediante una interfaz de software.

El diseño de máquinas es el proceso de idear y crear sistemas físicos que satisfacen las necesidades de los clientes en sectores como el energético, el aeroespacial o el marino o los de fabricación, automoción o agricultura.

El proceso de diseño de máquinas incluye la comprensión de la física necesaria para transformar la energía en acción para completar la tarea deseada, la planificación de las interacciones de los componentes, la garantía de un ajuste adecuado dentro de las restricciones de diseño y la especificación de materiales, teniendo en cuenta los plazos del proyecto y el margen de beneficio.

Los dibujos técnicos y los modelos 3D del diseño asistido por ordenador (CAD) (inglés) se suelen crear para comunicar y revisar el diseño, así como para coordinar el proceso de diseño entre los participantes.

El resultado final del proceso de diseño de máquinas es la información necesaria para realizar, encargar y dar servicio al diseño, y puede incluir dibujos técnicos, una especificación escrita y una lista de materiales (BOM).

Los profesionales que intervienen en el diseño de máquinas son, entre otros, los diseñadores industriales, los ingenieros mecánicos, eléctricos o electrónicos, los especialistas en simulación, los diseñadores de CAD y los dibujantes de CAD.

Los diseñadores de máquinas utilizan principios matemáticos, física de ingeniería, conocimientos del sector y software especializado para abordar los problemas del cliente y desarrollar una idea para una máquina desde su etapa conceptual hasta el diseño detallado.

El diseño detallado debe cumplir con los requisitos del cliente y completarse de forma rentable. Se comunica a las partes interesadas, como los clientes o los equipos de fabricación o adquisiciones, mediante un modelo de diseño asistido por ordenador (CAD), dibujos técnicos, una lista de materiales y una especificación.

El diseño de máquinas es un proceso colaborativo y puede abarcar varias disciplinas, como el diseño industrial o la ingeniería mecánica, eléctrica y electrónica. Incluye además comentarios de clientes, proveedores, especialistas en fabricación y equipos de gestión de proyectos.

El proceso de ingeniería del diseño es fundamental para garantizar el éxito de las empresas de desarrollo de máquinas. El objetivo del desarrollo del diseño es imaginar y acordar una máquina que beneficie tanto a los clientes como al negocio. El desarrollo del diseño se ve limitado por el presupuesto, la capacidad de ingeniería y el tiempo de salida al mercado.

El proceso de diseño de máquinas es colaborativo y puede involucrar a especialistas en disciplinas como el diseño industrial y la ingeniería mecánica, eléctrica y electrónica. Se pueden incluir comentarios de partes interesadas como clientes o los equipos de gestión de proyectos, adquisiciones, fabricación, instalación y mantenimiento.

El proceso de diseño de máquinas es iterativo y cíclico, con ideas que pasan por múltiples rondas de prototipos, pruebas, evaluación y revisión hasta que el diseño final se considera lo suficientemente óptimo y confiable para su producción.

El proceso de diseño de máquinas comienza con la definición del problema. Luego se lleva a cabo una lluvia de ideas con posibles soluciones antes de crear prototipos, probarlos, recopilar comentarios y evaluar si la definición del problema se puede refinar aún más, si se deben rechazar o aceptar las soluciones propuestas, o si estas se pueden mejorar con otro ciclo de desarrollo.

El software de diseño de máquinas ayuda a los diseñadores mediante la automatización de tareas, el seguimiento de procesos y la colaboración entre los diseñadores y otros participantes, como los equipos de gestión de proyectos, adquisición o fabricación y los clientes.

Algunos ejemplos de software de diseño de máquinas son el software de diseño asistido por ordenador (CAD) (inglés) 3D, que los diseñadores utilizan para crear modelos virtuales de sus diseños a fin de calcular las propiedades físicas del diseño o para garantizar que no habrá colisiones entre los componentes móviles. De este modo, se ahorra tiempo en la creación de prototipos. Además, se pueden crear dibujos técnicos a partir del modelo CAD 3D, lo que reduce el tiempo necesario para documentar y comunicar el diseño.

El software de ingeniería asistida por ordenador (CAE) (inglés) ayuda a los diseñadores a crear estudios de simulación que automatizan el cálculo de tensión, el flujo de fluidos, la dinámica térmica y la vibración, lo que ahorra tiempo en las pruebas de prototipos físicos.

Gracias a la mayor accesibilidad que ofrece la gestión de datos basada en la nube, se acelera el uso de la definición basada en modelos (MBD) o el uso del modelo CAD 3D para optimizar los procesos de fabricación posteriores, lo que reduce la necesidad de dibujos técnicos.

El software para diseñar máquinas puede incluir lo siguiente:

• Diseño asistido por ordenador (CAD): la tecnología CAD 3D se utiliza para crear modelos virtuales de componentes mecánicos, eléctricos o electrónicos, así como sus relaciones. Los dibujos técnicos y la lista de materiales se generan automáticamente a partir del modelo 3D.
• MCAD: hace referencia a software de CAD optimizado específicamente para el diseño mecánico, e incluye herramientas para diseñar elementos mecánicos, como ejes, engranajes, muelles, levas, correas, conexiones por perno y estructuras.
• ECAD: el software ECAD está optimizado específicamente para el diseño de placas de circuitos electrónicos o impresos (PCB), incluidos los esquemas, el diseño de trazados 2D y el modelado 3D.
• Visualización: el software de visualización se utiliza para crear imágenes generadas por ordenador (CGI) o renderizaciones digitales de diseños para comunicar el diseño a clientes o socios. Las renderizaciones pueden ser imágenes fijas fotorrealistas o animaciones que muestran cómo se ensambla el diseño o cómo funciona.
  • El software y el hardware de realidad virtual (RV) o realidad aumentada (RA) permiten a los usuarios interactuar directamente con contenido CGI a fin de visualizar el diseño o para formar a los operadores en un entorno seguro.
  • Los gemelos digitales amplían la CGI con datos de sensores incorporados en la máquina para optimizar el mantenimiento y el funcionamiento de la máquina y sus servicios de soporte.
• Ingeniería asistida por ordenador (CAE): el software de CAE o simulación se utiliza para analizar el rendimiento de un diseño. Algunos ejemplos son el análisis de elementos finitos (CEF), que se utiliza para simular tensión, o la dinámica de fluidos computacional (CFD), que se utiliza para simular el flujo de líquidos y gases.
• Análisis de tolerancia: el análisis de tolerancia se utiliza para automatizar el cálculo de acumulaciones de tolerancia y optimizar las tolerancias a fin de garantizar la viabilidad de las piezas intercambiables, a la vez que se minimiza el coste de fabricación.
• Diseño generativo: el diseño generativo es un enfoque único que difiere de la simulación o el aligeramiento. Mientras que la simulación utiliza un modelo CAD 3D de un componente para analizar los efectos de la tensión en el diseño, el diseño generativo funciona de forma contraria. El diseñador define restricciones, como cargas físicas, materiales y métodos de fabricación, y el diseño generativo genera varios modelos de componentes viables que cumplen los criterios de rendimiento. Así, el diseñador puede descartar diferentes opciones de diseño en función de factores como el peso, el coeficiente de seguridad, el coste o la estética, y seleccionar finalmente el diseño que mejor le parezca entre las opciones restantes.

Autodesk proporciona a los innovadores tecnología de diseño y fabricación para el diseño y la ingeniería de productos, lo que permite a los diseñadores de máquinas trabajar con fluidez entre diferentes proyectos, disciplinas y sectores.

A continuación se indica el software de Autodesk para el diseño de máquinas:

• La Product Design and Manufacturing Collection, que incluye:
  • Autodesk Inventor: herramientas profesionales de ingeniería y diseño de productos para diseño mecánico, simulación, visualización y documentación en 3D.
  • Inventor Nastran (inglés):  software integrado en CAD para la simulación de tensión no lineal, la simulación térmica, la simulación de vibración y la simulación de fatiga.
  • Inventor Tolerance Analysis (inglés):  software de análisis de acumulación de tolerancia para evaluar el impacto de la variación de cotas.
  • Inventor Nesting: (inglés) software de anidación de forma real para Inventor que permite optimizar el rendimiento de material no procesado.
  • Inventor CAM (inglés):  solución CAD/CAM integrada de 2,5 a 5 ejes para Inventor.
  • Vault: software de gestión de datos de productos para la gestión de archivos de diseño. 
  • AutoCAD: software de CAD 2D y 3D con conjuntos de herramientas específicos para cada sector.
  • Factory Design Utilities (inglés):  software de diseño de plantas de fabricación para planificar, diseñar e instalar layouts de producción eficientes.
  • Navisworks Manage: software de revisión de diseños de gran tamaño con funciones de planificación y detección de conflictos.
  • ReCap Pro: software y servicios de captura de la realidad y exploración 3D.
  • 3Ds Max: software de renderización y animación en 3D para la visualización de diseños.
  • Fusion 360: software CAD, CAM y CAE basado en la nube para la fabricación y el diseño de productos.
  • Fusion 360 Manage con Upchain: PLM y PDM en la nube que conectan fácilmente datos, personas y procesos.
  • Design Review (inglés): software de visor de CAD para ver e imprimir archivos 2D y 3D, supervisar sus cambios y añadir marcas de revisión, de forma gratuita y sin necesidad de contar con el software del diseño original.

Los dibujos mecánicos son dibujos técnicos creados para comunicar la finalidad del diseño, crear diagramas de procesos, calcular desarrollos de chapa plegada, optimizar la fabricación con anidación o proporcionar instrucciones para la instalación y el mantenimiento. Estos dibujos se crean mediante productos de software de diseño que se incluyen en la categoría de diseño asistido por ordenador (CAD).

• El software de CAD como Autodesk AutoCAD automatiza el proceso tradicional de los dibujos técnicos 2D con herramientas como copiar y pegar, bloques y el administrador de conjuntos de planos.
• El software de CAD como Autodesk Inventor lleva la automatización de dibujos un paso más allá, ya que genera dibujos mecánicos directamente a partir de un modelo CAD 3D creado por el diseñador. Esto acelera el proceso de creación de dibujos mecánicos y garantiza que las actualizaciones del diseño se reflejen automáticamente en todos los dibujos que hagan referencia al modelo.
• El software de CAD como Autodesk Fusion 360 reúne en un solo paquete software de diseño, ingeniería, electrónica y fabricación, lo que conecta todo el proceso de desarrollo de productos con un único software integrado basado en la nube que incluye CAD 3D, CAM, CAE y PCB.

El mejor software de diseño mecánico es el de diseño asistido por ordenador optimizado para el proceso de diseño mecánico (MCAD). Al evaluar el software de MCAD, asegúrese de que incluye lo siguiente:

• Modelado 3D de piezas y ensamblajes para conceptualizar las cotas físicas y las relaciones espaciales del diseño.
• Bibliotecas ampliables de componentes mecánicos y eléctricos, como tuercas, pernos, arandelas, juntas tóricas, rodamientos, chavetas, engranajes, correas y muelles.
• Aceleradores de diseño mecánico para automatizar el diseño y el modelado de elementos como conexiones por perno, ejes, levas y sistemas de poleas.
• Conjuntos de herramientas específicos que automatizan el diseño y el modelado de componentes de chapa, estructuras, PCB, arneses de cables, conductos de tuberías y carcasas de plástico.
• Capacidad de utilizar modelos CAD para evaluar los diseños en cuanto a propiedades físicas como la tensión, la temperatura, la vibración y el flujo de fluidos.
• Capacidad de implementar el diseño basado en modelos (MBD) con herramientas para la anotación basada en modelos (MBA), la acotación y la tolerancia geométricas (GD&T) y el análisis de acumulación de tolerancias.
• Herramientas de visualización para crear imágenes generadas por ordenador (CGI) para los equipos de comunicación, ventas y marketing, incluidas renderizaciones fotorrealistas y vídeos animados.
• Capacidad de colaborar mediante el intercambio seguro de diseños con fines de adición de comentarios, revisión y aprobación.
• Capacidad de colaborar en un modelo CAD compartido con especialistas de otros sectores, como el diseño estructural, el diseño civil o BIM.
• Capacidad de utilizar el modelo CAD para tareas de preparación de la fabricación, como la creación de dibujos de fabricación y listas de materiales, la anidación de chapas y la programación de CNC.
• Gestión de datos de productos (PDM) integrada para administrar de forma segura los archivos con controles de permisos, el proceso de lanzamiento y las órdenes de modificación de ingeniería.

Las empresas que fabrican máquinas sienten la presión de tener que proporcionar soluciones innovadoras para satisfacer las demandas de los clientes y de lanzarlas al mercado antes que la competencia.

La clave para el éxito del desarrollo de máquinas reside en la ingeniería de diseño, que garantiza al mismo tiempo que las máquinas cubran las necesidades del cliente y generen beneficios empresariales.

Las decisiones tomadas durante el desarrollo de la máquina pueden afectar a la calidad, los componentes, los materiales, los procesos de fabricación y la facilidad de uso durante su ciclo de vida.

El software de diseño de máquinas, como el diseño asistido por ordenador (CAD) y la ingeniería asistida por ordenador (CAE), benefician a las empresas y a los profesionales al automatizar los procesos de diseño y gestionar la información de los datos. Esto permite a los diseñadores e ingenieros tomar decisiones oportunas y eficaces que aumentan el éxito del producto, impulsan la eficiencia operativa y mejoran el tiempo de salida al mercado.

El software de diseño asistido por ordenador (CAD) se utiliza en varios puntos del proceso de fabricación.

Durante la fase de diseño, los diseños CAD se comparten con el equipo de fabricación para evaluar el diseño para la fabricación y el ensamblaje (DfMA). Los comentarios del equipo de fabricación se pueden incorporar al diseño, lo que contribuye a que la fabricación sea más eficiente y, por tanto, más rentable.

Una vez finalizado el desarrollo del diseño, los diseños se lanzan para su fabricación. El equipo de fabricación utiliza CAD para diseñar dispositivos de sujeción, los accesorios y dispositivos de "rechazo y aprobación" para el control de la calidad.

La fabricación asistida por ordenador (CAM) (inglés) utiliza el modelo CAD 3D para la programación de control numérico por ordenador (CNC), que automatiza los movimientos de la maquinaria de fabricación. La convergencia de CAD y CAM permite realizar la programación de CNC con el mismo software que el diseño CAD, con la ventaja de que los cambios en el modelo CAD actualizan automáticamente las trayectorias de CAM.

Una vez creados los componentes, los datos CAD y CAM se utilizan juntos para la inspección asistida por ordenador (CAI) y el control de calidad. El componente fabricado se compara con el modelo CAD mediante dispositivos de metrología para evaluar el cumplimiento de las tolerancias y los acabados de superficie especificados.