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B L A N C A C A S T I L L O 5 A
U T T P R O C E S O S D E
M A N U F A C T U R A
C A D , C A E Y C N C
1 8 / 0 2 / 2 0 1 5
MCE: Alejandro Varela
Seañez
INTRODUCCIÓN
APLICACIONES DE LOS SISTEMAS CAD/CAM
EN LA MANUFACTURA MODERNA
Dado el alto nivel de competitividad en el mercado nacional e internacional, las compañías
necesitan abatir sus tiempos de diseño.
Se dan a conocer sus componentes y lo que implica su implementación en el medio industrial
bajo la óptica de las medianas y pequeñas empresas.
La aplicación de los sistemas computacionales para el diseño y la manufactura han tenido un
amplio desarrollo y se han extendido a diversos sectores productivos. Conoceremos sus
componentes y lo que implica su implementación en el medio industrial bajo la óptica de las
medianas y pequeñas empresas de manufactura con altos niveles de calidad.
Una herramienta poderosa para todo tipo de industria es el uso de la tecnología computacional
en las labores de dibujo y diseño. Se analizan sus beneficios desde la perspectiva de la
mediana y la pequeña empresa que requieren adoptar nuevas tecnologías, con la necesidad
de ser competitivas a nivel mundial, lo cual se ha denominado manufactura de clase mundial,
y en especial, presentar las aplicaciones de CAD/CAM en aquellos sectores tanto en el
Metalmecánico, como en los otros sectores manufactureros.
Otro aspecto a considerar en un mercado tan competido, abierto y de múltiples opciones, es el
soporte tecnológico posventa del cual dispone el proveedor. La venta comercial puede dar
falsas expectativas con respecto al alcance del producto. El servicio ofrecido y en el programa
de entrenamiento como también la adecuación a sus productos y la maquinaria de la cual
dispone.
2.1. SISTEMAS CAD.
CAD es el acrónimo inglés de Computer Aided Design, y significa Diseño Asistido por
Computador. La tecnología CAD se dirige a los centros técnicos y de diseño de una amplia
gama de empresas: sector metalmecánico, ingeniería electrónica, sector textil y otros.
El uso de la tecnología CAD supone para el diseñador un cambio en el medio de plasmar los
diseños industriales: antes se utilizaba un lápiz, un papel y un tablero de dibujo.
Con el CAD, dispone de un ratón, un teclado y una pantalla de ordenador donde observar el
diseño. Así, un computador, al que se le incorpora un programa de CAD, le permite crear,
manipular y representar productos en dos y tres dimensiones. Esta revolución en el campo del
diseño ha venido de la mano de la revolución informática.
Las mejoras que se alcanzan son:
- Mejora en la representación gráfica del objeto diseñado: con el CAD el modelo puede
aparecer en la pantalla como una imagen realista, en movimiento, y observable desde
distintos puntos de vista. Cuando se desee, un dispositivo de impresión (plotter) proporciona
una copia en papel de una vista del modelo geométrico.
- Mejora en el proceso de diseño: se pueden visualizar detalles del modelo, comprobar
colisiones entre piezas, interrogar sobre distancias, pesos, inercias, etc. En conclusión, se
optimiza el proceso de creación de un nuevo producto reduciendo costes, ganando calidad y
disminuyendo el tiempo de diseño.
En resumen, se consigue una mayor productividad en el trazado de planos, integración con
otras etapas del diseño, mayor flexibilidad, mayor facilidad de modificación del diseño, ayuda a
la estandarización, disminución de revisiones y mayor control del proceso de diseño.
Un buen programa CAD no sólo dispone de herramientas de creación de superficies, sino
también de posibilidades de análisis y verificación de las mismas, entendiendo por superficies
correctas aquéllas cuyos enlaces entre ellas son continuos en cuanto a tangencia y curvatura,
y sin contener zonas donde se ha perdido continuidad de curvatura.
No obstante, al no ser posible detectar todos los defectos, en muchos casos es aconsejable
fabricar un modelo real de la pieza a fin de poder analizar mejor el resultado obtenido, sobre
todo en aquellos casos en que a partir de las superficies creadas en el CAD se diseña el
molde. Para fabricar dichos modelos se utilizan tecnologías de fabricación rápida de
prototipos.
Además de la verificación de las superficies, un programa CAD avanzado permite trazar
superficies paralelas a las creadas, por ejemplo generando la piel interna de la pieza a p artir
de la piel externa en el caso de piezas con un espesor uniforme conocido y debe tener los
elementos necesarios para conseguir realizar sobre el modelo CAD todas las actividades de
ingeniería de diseño necesarias (nerviado, fijaciones, centradores, elementos rigidizadores).
2.2. SISTEMAS CAM.
La ingeniería CAM hace referencia concretamente a aquellos sistemas informáticos que
ayudan a generar los programas de Control Numérico necesarios para fabricar las piezas en
máquinas con CNC. A partir de la información de la geometría de la pieza, del tipo de
operación deseada, de la herramienta escogida y de las condiciones de corte definidas, el
sistema calcula las trayectorias de la herramienta para conseguir el mecanizado correcto, y a
través de un postprocesado genera los correspondientes programas de CN con la codificación
especifica del CNC donde se ejecutarán. En general, la información geométrica de la pieza
proviene de un sistema CAD, que puede estar o no integrado con el sistema CAM . Si no está
integrado, dicha información geométrica se pasa a través de un formato común de intercambio
gráfico. Como alternativa, algunos sistemas CAM disponen de herramientas CAD que
permiten al usuario introducir directamente la geometría de la pieza, si bien en general no son
tan ágiles como las herramientas de un sistema propiamente de CAD .
Algunos sistemas CAM permiten introducir la información geométrica de la pieza partiendo de
una nube de puntos correspondientes a la superficie de la pieza, obtenidos mediante un
proceso de digitalizado previo . La calidad de las superficies mecanizadas depende de la
densidad de puntos digitalizados. Si bien este método acorta el tiempo necesario para fabricar
el prototipo, en principio no permite el rediseño de la pieza inicial.
La utilización más inmediata del CAM en un proceso de ingeniería inversa es para obtener
prototipos, los cuales se utilizan básicamente para verificar la bondad de las superficies
creadas cuando éstas son criticas. Desde el punto de vista de la ingeniería concurrente es
posible, por ejemplo, empezar el diseño y fabricación de parte del molde simultáneamente al
diseño de la pieza que se quiere obtener con el molde, partiendo de la superficie externa de la
pieza mientras aún se está diseñando la parte interna de la misma.
3. SISTEMAS CAE.
Bajo el nombre de ingeniería asistida por computador (Computer Aided Engineering) se
agrupan habitualmente tópicos tales como los del CAD y la creación automatizada de dibujos
y documentación. Es necesario pasar la geometría creada en el entorno CAD al sistema CAE.
En el caso en que los dos sistemas no estén integrados, ello se lleva a término mediante la
conversión a un formato común de intercambio de información gráfica.
Sin embargo, el concepto de CAE, asociado a la concepción de un producto y a las etapas de
investigación y diseño previas a su fabricación, sobre todo cuando esta última es asistida o
controlada mediante computador, se extiende cada vez más hasta incluir progresivamente a la
propia fabricación. Podemos decir, por tanto, que la CAE es un proceso integrado que incluye
todas las funciones de la ingeniería que van desde el diseño propiamente dicho hasta la
fabricación.
Antes de la aparición de los paquetes de diseño, los diseñadores solo contaban con su ingenio
y un buen equipo de delineantes que transportaban al papel sus ideas con un cierto rigor. Es
quizás, por este motivo, por el que los primeros paquetes de diseño surgieron como réplica a
estos buenos dibujantes, con la ventaja de la facilidad de uso, edición y rapidez.
Conforme el hardware evolucionaba y disminuían los costes de los equipos, los programas
eran más rápidos y las bases de datos de mayor tamaño, fue apareciendo un fenómeno de
insatisfacción en los usuarios, un buen programa de dibujo no bastaba, era necesario un
sistema que diseñara el producto desde el principio (boceto) hasta el final (pieza terminada),
siguiendo unas reglas de diseño.
Para realizar la ingeniería asistida por computador (CAE), se dispone de programas que
permiten calcular cómo va a comportarse la pieza en la realidad, en aspectos tan diversos
como deformaciones, resistencias, características térmicas, vibraciones, etc.
Usualmente se trabaja con el método de los elementos finitos, siendo necesario mallar la
pieza en pequeños elementos y el cálculo que se lleva a término sirve para determinar las
interacciones entre estos elementos.
Mediante este método, por ejemplo, se podrá determinar qué grosor de material es necesario
para resistir cargas de impacto especificadas en normas, o bien conservando un grosor,
analizar el comportamiento de materiales con distinto límite de rotura. Otra aplicación
importante de estos sistemas en el diseño de moldes es la simulación del llenado del molde a
partir de unas dimensiones de éste dadas, y el análisis del gradiente de temperaturas durante
el llenado del mismo.
La realización de todas estas actividades CAE dependerá de las exigencias del diseño, y
suponen siempre un valor añadido al diseño al detectar y eliminar problemas que retrasarían
el lanzamiento del producto.
En resumen, los sistemas CAE nos proporcionan numerosas ventajas:
- Facilidad, comodidad y mayor sencillez en la etapa de diseño.
- Rapidez, exactitud y uniformidad en la fabricación.
- Alto porcentaje de éxito.
- Eliminación de la necesidad de prototipos.
- Aumento de la productividad.
- Productos más competitivos.
- Fácil integración, sin problemas adicionales, en una cadena de fabricación.
- Se obtiene un producto económico, de óptima calidad y en el menor tiempo posible.
Historia
Su inicio fue en la revolución industrial en 1770 las maquinas eran operadas a
mano, al fin se tiende mas y mas a la automatización ayudo el vapor, electricidad y
materiales avanzados.
En 1945 al fin de la 2 guerra mundial se desarrollo la computadora electrónica.
En los 50´s se uso la computadora en una maquina herramienta.
No paso mucho tiempo hasta que la computación fue incorporada masivamente a
la producción.
En los 60´s con los chips se reduce el costo de los controladores
Hacia 1942 surgió lo que se podría llamar el primer control numérico
verdadero, debido a una necesidad impuesta por la industria aeronáutica para la
realización de hélices de helicópteros de diferentes configuraciones.
Desarrollo Histórico del Control Numérico.
Los primeros equipos de CN con electrónica de válvulas, relés y cableados,
tenían un volumen mayor que las propias máquinas-herramientas, con una
programación manual en lenguajes máquina muy complejo y muy lenta de
programar.
Puede hablarse de cuatro generaciones de máquinas de control numérico de
acuerdo con la evolución de la electrónica utilizada.
1. Valvulas electronicas y reles (1950).
2. Transistores (1960).
3. Circuitos integrados (1965).
4. Microprocesadores (1975).
A finales de los sesentas nace el control numérico por ordenador. Las funciones
de control se realizaban mediante programas en la memoria del ordenador de
forma
que pueden adaptarse fácilmente con solo modificar el programa. En esta época
los
ordenadores eran todavía muy grandes y costosos, la única solución práctica para
el CN era disponer de un ordenador central conectado a varias máquinas-
herramientasque desarrollaban a tiempo compartido todas las funciones de control
de las mismas.
Esta tecnología se conoce con las siglas DNC (Directa Numérica Control - Control
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  • 2. INTRODUCCIÓN APLICACIONES DE LOS SISTEMAS CAD/CAM EN LA MANUFACTURA MODERNA Dado el alto nivel de competitividad en el mercado nacional e internacional, las compañías necesitan abatir sus tiempos de diseño. Se dan a conocer sus componentes y lo que implica su implementación en el medio industrial bajo la óptica de las medianas y pequeñas empresas. La aplicación de los sistemas computacionales para el diseño y la manufactura han tenido un amplio desarrollo y se han extendido a diversos sectores productivos. Conoceremos sus componentes y lo que implica su implementación en el medio industrial bajo la óptica de las medianas y pequeñas empresas de manufactura con altos niveles de calidad. Una herramienta poderosa para todo tipo de industria es el uso de la tecnología computacional en las labores de dibujo y diseño. Se analizan sus beneficios desde la perspectiva de la mediana y la pequeña empresa que requieren adoptar nuevas tecnologías, con la necesidad de ser competitivas a nivel mundial, lo cual se ha denominado manufactura de clase mundial, y en especial, presentar las aplicaciones de CAD/CAM en aquellos sectores tanto en el Metalmecánico, como en los otros sectores manufactureros. Otro aspecto a considerar en un mercado tan competido, abierto y de múltiples opciones, es el soporte tecnológico posventa del cual dispone el proveedor. La venta comercial puede dar falsas expectativas con respecto al alcance del producto. El servicio ofrecido y en el programa de entrenamiento como también la adecuación a sus productos y la maquinaria de la cual dispone. 2.1. SISTEMAS CAD. CAD es el acrónimo inglés de Computer Aided Design, y significa Diseño Asistido por Computador. La tecnología CAD se dirige a los centros técnicos y de diseño de una amplia gama de empresas: sector metalmecánico, ingeniería electrónica, sector textil y otros. El uso de la tecnología CAD supone para el diseñador un cambio en el medio de plasmar los diseños industriales: antes se utilizaba un lápiz, un papel y un tablero de dibujo. Con el CAD, dispone de un ratón, un teclado y una pantalla de ordenador donde observar el diseño. Así, un computador, al que se le incorpora un programa de CAD, le permite crear, manipular y representar productos en dos y tres dimensiones. Esta revolución en el campo del diseño ha venido de la mano de la revolución informática. Las mejoras que se alcanzan son: - Mejora en la representación gráfica del objeto diseñado: con el CAD el modelo puede aparecer en la pantalla como una imagen realista, en movimiento, y observable desde distintos puntos de vista. Cuando se desee, un dispositivo de impresión (plotter) proporciona una copia en papel de una vista del modelo geométrico.
  • 3. - Mejora en el proceso de diseño: se pueden visualizar detalles del modelo, comprobar colisiones entre piezas, interrogar sobre distancias, pesos, inercias, etc. En conclusión, se optimiza el proceso de creación de un nuevo producto reduciendo costes, ganando calidad y disminuyendo el tiempo de diseño. En resumen, se consigue una mayor productividad en el trazado de planos, integración con otras etapas del diseño, mayor flexibilidad, mayor facilidad de modificación del diseño, ayuda a la estandarización, disminución de revisiones y mayor control del proceso de diseño. Un buen programa CAD no sólo dispone de herramientas de creación de superficies, sino también de posibilidades de análisis y verificación de las mismas, entendiendo por superficies correctas aquéllas cuyos enlaces entre ellas son continuos en cuanto a tangencia y curvatura, y sin contener zonas donde se ha perdido continuidad de curvatura. No obstante, al no ser posible detectar todos los defectos, en muchos casos es aconsejable fabricar un modelo real de la pieza a fin de poder analizar mejor el resultado obtenido, sobre todo en aquellos casos en que a partir de las superficies creadas en el CAD se diseña el molde. Para fabricar dichos modelos se utilizan tecnologías de fabricación rápida de prototipos. Además de la verificación de las superficies, un programa CAD avanzado permite trazar superficies paralelas a las creadas, por ejemplo generando la piel interna de la pieza a p artir de la piel externa en el caso de piezas con un espesor uniforme conocido y debe tener los elementos necesarios para conseguir realizar sobre el modelo CAD todas las actividades de ingeniería de diseño necesarias (nerviado, fijaciones, centradores, elementos rigidizadores). 2.2. SISTEMAS CAM. La ingeniería CAM hace referencia concretamente a aquellos sistemas informáticos que ayudan a generar los programas de Control Numérico necesarios para fabricar las piezas en máquinas con CNC. A partir de la información de la geometría de la pieza, del tipo de operación deseada, de la herramienta escogida y de las condiciones de corte definidas, el sistema calcula las trayectorias de la herramienta para conseguir el mecanizado correcto, y a través de un postprocesado genera los correspondientes programas de CN con la codificación especifica del CNC donde se ejecutarán. En general, la información geométrica de la pieza proviene de un sistema CAD, que puede estar o no integrado con el sistema CAM . Si no está integrado, dicha información geométrica se pasa a través de un formato común de intercambio gráfico. Como alternativa, algunos sistemas CAM disponen de herramientas CAD que permiten al usuario introducir directamente la geometría de la pieza, si bien en general no son tan ágiles como las herramientas de un sistema propiamente de CAD . Algunos sistemas CAM permiten introducir la información geométrica de la pieza partiendo de una nube de puntos correspondientes a la superficie de la pieza, obtenidos mediante un proceso de digitalizado previo . La calidad de las superficies mecanizadas depende de la densidad de puntos digitalizados. Si bien este método acorta el tiempo necesario para fabricar el prototipo, en principio no permite el rediseño de la pieza inicial. La utilización más inmediata del CAM en un proceso de ingeniería inversa es para obtener prototipos, los cuales se utilizan básicamente para verificar la bondad de las superficies creadas cuando éstas son criticas. Desde el punto de vista de la ingeniería concurrente es posible, por ejemplo, empezar el diseño y fabricación de parte del molde simultáneamente al
  • 4. diseño de la pieza que se quiere obtener con el molde, partiendo de la superficie externa de la pieza mientras aún se está diseñando la parte interna de la misma. 3. SISTEMAS CAE. Bajo el nombre de ingeniería asistida por computador (Computer Aided Engineering) se agrupan habitualmente tópicos tales como los del CAD y la creación automatizada de dibujos y documentación. Es necesario pasar la geometría creada en el entorno CAD al sistema CAE. En el caso en que los dos sistemas no estén integrados, ello se lleva a término mediante la conversión a un formato común de intercambio de información gráfica. Sin embargo, el concepto de CAE, asociado a la concepción de un producto y a las etapas de investigación y diseño previas a su fabricación, sobre todo cuando esta última es asistida o controlada mediante computador, se extiende cada vez más hasta incluir progresivamente a la propia fabricación. Podemos decir, por tanto, que la CAE es un proceso integrado que incluye todas las funciones de la ingeniería que van desde el diseño propiamente dicho hasta la fabricación. Antes de la aparición de los paquetes de diseño, los diseñadores solo contaban con su ingenio y un buen equipo de delineantes que transportaban al papel sus ideas con un cierto rigor. Es quizás, por este motivo, por el que los primeros paquetes de diseño surgieron como réplica a estos buenos dibujantes, con la ventaja de la facilidad de uso, edición y rapidez. Conforme el hardware evolucionaba y disminuían los costes de los equipos, los programas eran más rápidos y las bases de datos de mayor tamaño, fue apareciendo un fenómeno de insatisfacción en los usuarios, un buen programa de dibujo no bastaba, era necesario un sistema que diseñara el producto desde el principio (boceto) hasta el final (pieza terminada), siguiendo unas reglas de diseño. Para realizar la ingeniería asistida por computador (CAE), se dispone de programas que permiten calcular cómo va a comportarse la pieza en la realidad, en aspectos tan diversos como deformaciones, resistencias, características térmicas, vibraciones, etc. Usualmente se trabaja con el método de los elementos finitos, siendo necesario mallar la pieza en pequeños elementos y el cálculo que se lleva a término sirve para determinar las interacciones entre estos elementos. Mediante este método, por ejemplo, se podrá determinar qué grosor de material es necesario para resistir cargas de impacto especificadas en normas, o bien conservando un grosor, analizar el comportamiento de materiales con distinto límite de rotura. Otra aplicación importante de estos sistemas en el diseño de moldes es la simulación del llenado del molde a partir de unas dimensiones de éste dadas, y el análisis del gradiente de temperaturas durante el llenado del mismo. La realización de todas estas actividades CAE dependerá de las exigencias del diseño, y suponen siempre un valor añadido al diseño al detectar y eliminar problemas que retrasarían el lanzamiento del producto. En resumen, los sistemas CAE nos proporcionan numerosas ventajas: - Facilidad, comodidad y mayor sencillez en la etapa de diseño. - Rapidez, exactitud y uniformidad en la fabricación.
  • 5. - Alto porcentaje de éxito. - Eliminación de la necesidad de prototipos. - Aumento de la productividad. - Productos más competitivos. - Fácil integración, sin problemas adicionales, en una cadena de fabricación. - Se obtiene un producto económico, de óptima calidad y en el menor tiempo posible.
  • 6. Historia Su inicio fue en la revolución industrial en 1770 las maquinas eran operadas a mano, al fin se tiende mas y mas a la automatización ayudo el vapor, electricidad y materiales avanzados. En 1945 al fin de la 2 guerra mundial se desarrollo la computadora electrónica. En los 50´s se uso la computadora en una maquina herramienta. No paso mucho tiempo hasta que la computación fue incorporada masivamente a la producción. En los 60´s con los chips se reduce el costo de los controladores Hacia 1942 surgió lo que se podría llamar el primer control numérico verdadero, debido a una necesidad impuesta por la industria aeronáutica para la realización de hélices de helicópteros de diferentes configuraciones. Desarrollo Histórico del Control Numérico. Los primeros equipos de CN con electrónica de válvulas, relés y cableados, tenían un volumen mayor que las propias máquinas-herramientas, con una programación manual en lenguajes máquina muy complejo y muy lenta de programar. Puede hablarse de cuatro generaciones de máquinas de control numérico de acuerdo con la evolución de la electrónica utilizada. 1. Valvulas electronicas y reles (1950). 2. Transistores (1960). 3. Circuitos integrados (1965). 4. Microprocesadores (1975). A finales de los sesentas nace el control numérico por ordenador. Las funciones de control se realizaban mediante programas en la memoria del ordenador de forma que pueden adaptarse fácilmente con solo modificar el programa. En esta época los ordenadores eran todavía muy grandes y costosos, la única solución práctica para el CN era disponer de un ordenador central conectado a varias máquinas- herramientasque desarrollaban a tiempo compartido todas las funciones de control de las mismas. Esta tecnología se conoce con las siglas DNC (Directa Numérica Control - Control Numérico Directo).
  • 7. A principios de los setentas se empezó a aplicar más pequeño y económico apareciendo así el CNC ( Control Numérico Computarizado ), que permite que un mismo control numérico pueda aplicarse a varios tipos de máquinas distintas sin mas que programar las funciones de control para cada máquina en particular. Las tendencias actuales de automatización total y fabricación flexible se basan en máquinas de CNC conectadas a un ordenador central con funciones de programación y almacenamiento de programas y transmisión de los mismos a las máquinas para su ejecución. Los esfuerzos para eliminar la intervención humana en los procesos de producción son una meta gerencial con la introducción de los conceptos de partes intercambiables y producción en masa. El control numérico puede proveer: 1. Flexibilidad para incrementar la producción de bajo nivel. Torno control numérico Torno de control numérico CNC. Torno de control numérico o torno CNC se refiere a una máquina herramienta del tipo torno que se utiliza para mecanizar piezas de revolución mediante unssoftware de computadora que utiliza datos alfa-numéricos,1 siguiendo los ejes cartesianos X,Y,Z. Se utiliza para producir en cantidades y con precisión porque la computadora que lleva incorporado controla la ejecución de la pieza.2 Un torno CNC puede hacer todos los trabajos que normalmente se realizan mediante diferentes tipos de torno como paralelos, copiadores, revólver, automáticos e incluso los verticales. Su rentabilidad depende del tipo de pieza que se mecanice y de la cantidad de piezas que se tengan que mecanizar en una serie
  • 8. Aspectos generales Panel CNC de Siemens. Los centros de mecanizado poseen las siguientes características:  Son reconfigurables, por lo que pueden cambiar rápidamente de configuración para realizar diferentes tareas de mecanizado sobre una pieza.  La flexibilidad y versatilidad debida al alto grado de automatización las hace capaces de realizar diversas operaciones de mecanizado de una pieza.
  • 9.  La uniformidad en la producción, que es importante en las producciones en serie.  Alta velocidad de producción, ya que realizan gran cantidad de operaciones de forma automática sobre la pieza.  Buen acabado superficial, lo que las hace aptas para dar forma final a las piezas fabricadas. Una máquina de herramienta CNC se difiere de una máquina de herramienta convencional en los siguientes aspectos:  El operario puede manejar varias máquinas CNC a la vez.  No se necesita consultar apenas el plano.  El programa tiene todo el control de los parámetros de corte.  Existe la posibilidad de realizar prácticamente cualquier tipo de mecanizado.  Tiene un elevado costo de máquinas, accesorios y mantenimiento.  Se necesita mantener grandes volúmenes de producción para amortizar costes. Estructuras de centros de mecanizado[editar] Algunos de los aspectos a tener en cuenta en el diseño de la estructura de una máquina herramienta son los materiales empleados, las dilataciones térmicas, la rigidez y la capacidad de amortiguamiento de las vibraciones. Materiales[editar] Los requisitos de los materiales a fabricar son:  Baja densidad para minimizar las fuerzas de inercia.  Rigidez.  Baja dilatación térmica.  Alta conductividad térmica.  Capacidad de absorber vibraciones.  Bajo costo.