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LOS NUEVOS PARADIGMAS DEL DISEÑO EN INGENIERIA MECANICA Héctor Enrique Jaramillo Suárez Ingeniero Mecánico Especialista en Estructuras Master(c) en Ingeniería Civil Prof. Corporación Universitaria Autónoma de Occidente Cali – Colombia hejaramillo@cuao.edu.co “Paradigmas, considero a éstos como realizaciones científicas universalmente reconocidas que, durante cierto tiempo, proporcionan modelos de problemas y soluciones a una comunidad científica” T.S. Kuhn1 “la revolución digital convertirá a las computadoras en objetos con los que hablaremos, conduciremos e incluso, usaremos como vestimenta. Estos cambios alterarán fundamentalmente, nuestra forma de aprender, trabajar, de divertirnos… en fin, toda nuestra forma de vida” N. Negroponte2 Resumen A partir de los años 80 los computadores han alcanzado un gran desarrollo en la capacidad de memoria y procesamiento, lo que ha generado que el software que se encuentra en el mercado sea cada vez más exigentes y aplicado a campos más diversos. La Ingeniería Mecánica no puede estar al margen de estos cambios, por esto hoy día se puede conseguir software aplicado a casi todas sus áreas de acción. El poder utilizar el computador cómo una herramienta en el trabajo del ingeniero, hace que se replanteen los paradigmas del Diseño en Ingeniería mecánica, no podemos seguir diseñando con las prácticas tradicionales, que son dispendiosas y requieren demasiado tiempo, debido a que esta labor se realiza casi en su totalidad de forma manual. Este trabajo pretende mostrar la importancia de la necesidad de incorporar las herramientas computacionales en los procesos de Diseño en Ingeniería Mecánica actuales, como un agente que permite realizar diseños ágiles, óptimos, más confiables y en tiempos muy por debajo de las técnicas tradicionales; y como el uso del computador ha venido cambiando los paradigmas del diseño tradicional, aspecto que no debe ser ajeno al ingeniero Mecánico actual. Abstract Since 1980´s the computers have achieved a string development of capability and memory storage, which has generated more software requirements software and many kind of applications in differents fields of knowledge. The mechanical engineering can’t excluded from these changes, by these days people can find software applied to almost each one of the specific areas of knowledge. The capacity of using the computer as a tool of engineering working, makes possible to reframe the paradigms of the mechanical engineering design, we can’t continue designing following the traditional rules, that required high time consuming, because this labor is almost always manually performed. These paper tries to show the importance of the necessity to incorporate the computational tools in the current mechanical engineering design process, as a agent that enable engineers to perform quick, optimal, and confidence design using smaller rates of time that the traditional techniques all of this aspects can not be unknown by the modern engineer. 1. Introducción Al tratar de definir la palabra “diseño”, nos podemos llegar a encontrar una gran variedad de definiciones, una de ellas puede ser la encontrada en el diccionario, “Método de creación industrial que busca adaptar la forma de los objetos a la función que deben cumplir, dándoles a la vez una belleza plástica que los haga agradables”*. Debido a que esta definición es muy genérica, se hace necesario especificar aún más su campo de aplicación, así por ejemplo podemos encontrar como definición para Diseño en Ingeniería, “el proceso de aplicar las diversas técnicas y los principios científicos con el objeto de definir un dispositivo, un proceso o un sistema con suficiente detalle para permitir su realización”** o “Diseño en ingeniería es la generación y evaluación sistemática e inteligente de especificaciones para artefactos cuya forma y función alcanzan los objetivos establecidos y satisfacen las restricciones especificas”3. Estas últimas definiciones son mucho más cercanas a la definición de diseño deseada, para el diseño en Ingeniería Mecánica, * Sacado de Diccionario Enciclopédico, Ediciones Castell, México 1985 ** ver Diseño de Máquinas, R.L., NORTON, Editorial Prentice Hall, México 1999. Pag. 3 que es el tema que por el momento llama nuestra atención. Si se habla de Diseño en Ingeniería Mecánica, inevitablemente se tiene que mencionar las etapas o pasos que se deben de seguir o cumplir para poder culminar este proceso satisfactoriamente. Ahora si nos referimos a los textos tradicionales de Diseño, básicamente encontraremos que los diagramas de flujo de estos en esencia son iguales, y no hace mención a las técnicas con las cuales es posible realizar dicho proceso. El incremento de la complejidad de la tecnología que hoy día se ve en industrias altamente competitivas, exige la introducción de un conjunto de técnicas de diseño y fabricación basado en el uso intensivo de las tecnologías informáticas. El uso de las tecnologías informáticas, ha generado el uso de cierto lenguaje*** como CAD (Computer Aided Design) diseño asistido por computador, CAE (Computer Aided Engeniering) ingeniería asistida por computador, CIM (Computer Integrated Manufacturing) manufactura integrada por computador, CAPP (Computer Aided Process Planig) planificación de procesos asistida por computador, CAM (Computer Aided Manufacturing) fabricación asistida por computador, CAQ (Computer Aided Quality) control de calidad asistido por computador, CAI (Computer Aided Inspection) inspección asistida por computador y, CAT (Computer Aided Testing) ensayo asistido por computador. Todo esto evidencia la importancia del computador como herramienta fundamental en casi todo el proceso de elaboración de un componente mecánico e incluso de todo objeto o dispositivo que se nos pueda llegar a ocurrir. Las preguntas ahora son, ¿que tanto estamos dispuestos a dejar que las herramientas informáticas afecten o sean introducidas en los procesos de diseño mecánico? ¿Es necesario cambiar las prácticas del diseño tradicional a las asistidas por computador y porque? ¿Es necesario replantear o cambiar nuestros paradigmas referentes al diseño mecánico? Las *** Estos términos se denotan en su abreviación en ingles, ya que es como comúnmente se encuentran en la literatura. respuestas a este tipo de inquietudes son las que se tratan de resolver o al menos el plantear ciertos puntos de vista, muy particulares, de manera que se genere un discusión o reflexión alrededor del tema. 2. El proceso de diseño Si se habla del diseño, necesariamente tenemos que definirlo como un proceso y no como una actividad aislada, además también debemos definir el diseño como un acto enteramente creativo, en cualquier campo de aplicación. Para guiar el desarrollo de un diseño, se han definido varios diagramas de flujo que tratan de organizar el trabajo al atacar un problema “no estructurado”. Así por ejemplo se puede tener el diagrama mostrado en la figura 1. Figura 1. Diagrama del proceso de diseño* * Sacado de: “The Mechanical Design Process”. D.G:ULLMAN. Third Edition. Editorial Mc Graw Hill. United States 2003. Ahora, si se quiere dar una alternativa para el proceso de diseño menos detallada, se puede la siguiente, la cual consta de solo diez pasos: 1. Identificación de la necesidad 2. Investigación de antecedentes 3. Planteamiento de los objetivos 4. Enumeración de tareas 5. Síntesis del diseño 6. Análisis del diseño 7. Selección de alternativas 8. Diseño detallado 9. Prototipo y pruebas 10. Diseño para la producción. Aquí se han planteado dos tipos de diagramas o formas a seguir para el desarrollo del proceso de diseño y se podría seguirdescribiendo muchas más alternativas a seguir para su realización, que dependerán en gran parte del autor y el campo de aplicación del proceso de diseño. De acuerdo a como están presentadas las dos alternativas a seguir en el proceso de diseño se podría dar la impresión de que este es un proceso lineal, en el cual se debe terminar un paso para poder pasar al siguiente, cosa que no sucede así. Lo que si es común a cualquier diagrama para el proceso de diseño que se pueda llegar a encontrar, es el hecho de que este es un proceso iterativo, en el cual constantemente se hace necesario retroceder al paso o pasos anteriores para ajustar cada vez más el diseño, ya que el diseño en síntesis es una triada que se forma entre el diseñador, el cliente (externo o interno) y el usuario final del producto, máquina o dispositivo diseñado. Figura 2. Actores en el proceso de diseño El triangulo de actores sugiere también que se considere que los intereses de los tres participantes podrían diferir, y que se reconozca las consecuencias que una divergencia podrían acarrear. Como se pudo observar, no se entro en detalle en lo relacionado con la descripción de cada una de las etapas del proceso de diseño, ya que la intención no es aclarar o juzgar una u otra de estas etapas, sino más bien el ubicar este como parte fundamental de los procesos productivos y que buena parte del éxito de un proyecto depende de un adecuado proceso de diseño. Ahora, el proceso de diseño no puede ser ajeno a los cambios ocurridos en la filosofía de las empresas ya que éste está enmarcado como parte fundamental de los procesos productivos. De esta manera, en los años 60 el objetivo era la productividad (fabricar más), en los 70 era la economía (fabricar más barato), en los ochenta la calida (fabricar mejor), ahora de los 90 hacia el presente, la clave se encuentra en la agilidad (fabricar más rápido y situar inmediatamente el producto en el mercado) y la flexibilidad (fabricar el tipo de producto que demande cada cliente). Por lo anterior, la empresa debe buscar la competitividad aunando flexibilidad y agilidad, sin por ello olvidar el costo, tiempo y calidad. Al respecto de las nuevas filosofías empresariales y en particular lo correspondiente al proceso de diseño, se plantean inquietudes como ¿Cómo el proceso de diseño puede colaborar en lograr una alta competitividad de la empresa?¿Con las herramientas tradicionales del diseño este proceso es ágil y flexible de acuerdo a las necesidades actuales?¿Se hace necesario reevaluar nuestra forma de trabajar y de ver el diseño mecánico? 3. Herramientas y nuevas tecnologías Actualmente en el mercado podemos llegar a encontrar una gran cantidad de herramientas informáticas o software, y, me atrevería a decir que para casi todas las etapas del proceso del diseño. El uso de estas herramientas permite a su vez integrar todos los departamentos o funciones sustantivas del proceso de diseño, y a su vez poder aplicar conceptos que se manejan actualmente como el de Ingeniería concurrente. La ingeniería concurrente es un enfoque organizativo que postula que todos los actores que intervienen en el proyecto o desarrollo de un producto* (desde la idea inicial hasta el desarrollo final) y en el resto de lasfases de su ciclo de vida colaboren y realicen su trabajo simultáneamente, asegurando que las condiciones estructurales, funcionales, de fabricación, mantenimiento, etc. se consideren en las etapas iniciales del análisis. Dedicando un poco más a lo referente al diseño mecánico, para éste podemos encontrar una serie de herramientas CAD, CAE y CAM, que permiten que este trabajo se realice con mayor eficiencia, reduciendo tiempos de fabricación. Así por ejemplo en herramientas CAD hemos pasado de los simples programas que permitían realizar los planos de una pieza a modeladores paramétricos, en los cuales se pueden realizan * llámese a producto también a pieza, componente o sistema mecánico. modelos tridimensionales de piezas complejas, así como de ensambles (ver figura 3) de sistemas mecánicos. Estos a su vez permiten realizar asociaciones entre las dimensiones de la pieza de análisis, de manera que cualquier modificación realizada a una de ellas, automáticamente es transferida a las demás dimensiones que están asociadas. Esto permite que la realización de piezas que generalmente están estandarizadas o definidas por unas dimensiones o datos de entrada (tornillos, piñones, acoples, etc.) sea fácil y rápido. En el rango de modeladores podemos encontrar soluciones como Solidworks, Mechanical Desktop, Solid Edge, Catia, Cadds y otros. Figura 3. Modelo CAD de conjunto* En las herramientas CAE, también ha habido una gran evolución como consecuencia también de la evolución de la tecnología de los computadores. Se ha pasado de simples análisis estáticos lineales de piezas muy sencillas a, simulaciones de eventos mecánicos, donde las propiedades del material o de las condiciones de carga dependen del tiempo. Esto permite modelar los sistemas mecánicos en el computador bajo condiciones que se acercan mucho más a las condiciones reales de funcionamiento de éste. No siendo poco, también con el uso de software de este tipo podemos simular procesos de manufactura * Tomado de www.ugsolutions.com como: soplado, inyección, extrusión, soldado, doblado y otros. En este campo se conocen varias técnicas utilizadas en el desarrollo de este tipo de software como el método de los elementos de frontera (BEA**), el método de las diferencias finitas y el método de elementos finitos (FEA***). Siendo esta última técnica las más usada en el desarrollo de software para análisis de ingeniería. Figura 4. Modelo CAE de los esfuerzos generados en un marco de una bicicleta**** Entre los software de análisis de ingeniería podemos encontrar Abaqus, Algor, Cosmos, Ansys, Nastran, Modflow, etc. De los cuales si se desea mayor información al respecto, se recomienda visitar las páginas Web que se anexan en las referencias al final del documento. Las anteriores herramientas en su gran mayoría poseen compatibilidad de funciones, es decir que se pueden transferir modelos CAD a un programa de análisis CAE fácilmente. Esto permite que una vez obtenido los resultados del análisis, y verificar si estos corresponden a lo que se deseaba, se pueda seguir a los pasos correspondiente a la fabricación de la pieza o si por el contrario hay que redefinir las dimensiones del modelo y volver a realizar dicho análisis. Debido a la funcionalidad de estas herramientas este proceso de depuración o reevaluación del modelo se puede realizar cuantas veces sea necesario, con tiempos de ** Abreviación del ingles Boundary Element Analysis *** Abreviación del ingles Finite Element Analysis **** Tomado de folleto informativo de Algor Inc. ejecución relativamente bajos que van a depender de la complejidad del modelo que se maneja y del equipo de computo que se posea para realizar dicha labor. Una vez depurado el diseño usando las herramientas anterior es necesario generar rutinas y procedimientos de fabricación. Con la ayuda de las herramientas CAM, se pueden simular las rutinas de fabricación y así poder determinar por ejemplo, si las operaciones disponibles en los sistemas de manufactura (tornos de control numérico por ejemplo) son capaces de la construcción de las piezas, si las herramientas disponibles son adecuadas o no, etc. Dentro de esta línea se poseen en el mercado soluciones como MasterCAM, CADAM, etc. Cada una de las herramientas CAD, CAE y CAM, se pueden adquirir por separado y luego integrarlas. Ahora hay soluciones integrales, que poseen todas estas herramientas en una sola plataforma.De este tipo de soluciones se conocen el UniGraphics, Pro-Engineer y CATIA. 4. Síntesis del diseño mecánico En el paso de Síntesis, dentro del proceso de diseño, se refiere al hecho de que el ingeniero se de a la búsqueda de muchos procedimientos alternativos de diseño posibles, sin preocuparse de su valor y calidad. Una de las posibles opciones en las que el ingeniero puede pensar son las herramientas informáticas o herramientas CAD/CAM/CAE, ahora el interrogante a resolver esta en ¿como estas herramientas afectan el proceso de diseño mecánico?, el cual a mi consideración, creo que es más a su favor que en su contra. El prototipo virtual* reduce la dependencia de los ensayos y modelos físicos para identificar problemas y soluciones adecuadas, así como costo y tiempos en el proceso. En esta línea por ejemplo Crabb4 cita que los prototipos virtuales o mediante software eventualmente pueden * llámese Prototipo virtual a aquel modelo de la realidad generado o realizado con ayuda del computador. reducir las pruebas en los componentes físicos en un 75%. Con la simulación mediante CAE y la utilización de herramientas paramétricas se integran soluciones para dar un balance entre competitividad y requerimientos en la configuración de un diseño optimo. Ingenieros, analistas, y el administrador del proyecto, pueden colaborar en el desarrollo del producto; reduciendo tiempos en el ciclo de diseño, mejorando el rendimiento de un producto y documentando todo el diseño de ingeniería desde su etapa conceptual hasta el diseño final. En esta dirección, se tienen estudios que han mostrado que el 85% del total del tiempo y costo del producto desarrollado se define en las etapas tempranas del desarrollo del producto, cuando solamente el 5% del tiempo y costo del proyecto han sido ejecutados.5 Esto obliga a que las herramientas informáticas sean aplicadas en las etapas iniciales del desarrollo de un producto, ya que estas permitirán influir en un gran porcentaje del costo del producto, en una etapa, donde las modificaciones sustanciales del diseño pueden ser posibles, una vez pasada esta etapas las modificaciones al diseño solo son menores, y una modificación sustancial provocaría un sobre costo del producto final. Figura 5. Trabajo de ingeniería cuando se aplican las herramientas CAE6 En al figura 5 se muestra una comparación entre la cantidad de trabajo que hay que realizar cuando se aplican las herramientas informáticas en las etapas tempranas del diseño versus cuando estas son aplicadas hacia el final del proceso de diseño mecánico. Generalmente estas herramientas CAE se aplican hacia el final del proceso de diseño, solo como una forma de comprobación de las decisiones tomadas en pasos anteriores, lo cual es un error. En relación con la reducción de tiempos utilizados aplicando las herramientas CAE, se puede decir por ejemplo, que en áreas de diseño y construcción de auto partes donde se requería de 48 meses para el desarrollo de una nueva plataforma para un nuevo vehículo, el tiempo se redujo a 24 meses (ver figura 5). Figura 6. Cuadro comparativo de reducción de tiempos en ciclo de diseño en una industria automotriz6 En un diseño en el cual se apliquen las herramientas CAD/CAM/CAE, el rol del ingeniero involucrado cambia, de esta manera, el ingeniero es relevado de las tareas de reprocesamiento repetitivas, y puede ahora enfocarse en la interpretación de los resultados, así como también incrementa la responsabilidad y su influencia durante todo el ciclo de diseño. El uso de estas herramientas, permite que, los investigadores e ingenieros puedan evaluar varias alternativas o variaciones en sus diseños, debido a su poca dependencia de los modelos físicos, ya que el evaluar varias alternativas, solo involucrara más trabajo del computador y uso de software. Par terminar esta sesión, me referiré a la frase de KUMAR7, la cual dice “In this digital age of master computing and communication, global competition and higher customer expectations, manufacturers are required to create high quality and innovative products faster and lower cost”*. Lo anterior solo es posible, si se poseen las herramientas adecuadas y en este sentido las herramientas informáticas CAD/CAM/CAE, son una alternativa viable y a considerar para su uso en el proceso de diseño en Ingeniería Mecánica. Conclusiones En los anteriores planteamientos no se desea dejar la impresión de que debemos magnificar el uso de las herramientas informáticas y abandonar o descuidar la formación en los conceptos básicos que rigen el comportamiento de los sistemas mecánicos. Al contrario, para un buen y adecuado aprovechamiento de las herramientas informáticas se hace necesario poseer una sólida formación en los conceptos básicos de ingeniería, ya que estas solo son herramientas y sucede al igual que cuando, por ejemplo, utilizamos un destornillador como punzón, corremos el riesgo de dañar la herramienta o de dañar aquello sobre lo cual estamos trabajando. Por lo anterior se hace necesario instruir adecuadamente a él ingeniero neófito de los peligros y los cuidados que se deben tener al aplicar este tipo de herramientas en el diseño mecánico. El rol del ingeniero mecánico que usa herramientas informáticas dentro del proceso de diseño mecánico, debe pasar de ser un calculista a ser un analista de los datos arrojados por el computador como resultado de un proceso de análisis en el cual se han utilizado técnicas CAD, CAE y CAM. Las nuevas exigencias de tiempo y economía en los diseños hace que obligatoriamente migremos a utilizar las herramientas CAD/CAM/CAE, si pretendemos estar a la altura de los requerimientos actuales de la industria y el mercado. La calidad no hay que fabricarla, hay que diseñarla, ya que un buen diseño es la mejor * Se deja la frase en ingles, su idioma nativo, con el objeto de no incurrir en errores por su traducción. garantía para obtener un buen producto; y esto no lo podremos lograr sino a través del uso de las herramientas informáticas. Tomando un párrafo de la obra de Kuhn (referencia 1) en la cual dice: “Al aprender un paradigma, el científico adquiere al mismo tiempo teoría, métodos y normas, casi siempre en una mezcla inseparable. Por consiguiente, cuando cambian los paradigmas, hay normalmente transformaciones importantes de los criterios que determinan la legitimidad tanto de los problemas como de las soluciones”. En el párrafo anterior he subrayado la palabra científico debido al hecho de que esta situación es también aplicable al ingeniero. La idea de mencionar este aparte radica en el hecho de que debemos cambiar nuestra forma de trabajar y como en todo, encontraremos una resistencia a este cambio, y me atrevo a decir incluso en mayor grado de aquellos que estamos comprometidos de alguna manera con la formación de los futuros ingenieros mecánicos. No obstante, los ingenieros jóvenes o los candidatos a este, no tendrán mucho problema a pasar a usar las herramientas informáticas en el diseño, al fin al cabo estos se han formado en una cultura del uso del computador desde temprana edad. El diseño debe ser un fundamento o piedra angular de la formación académica de ingeniería, la enseñanza en el diseño se debe impartir desde el principio de un programa de estudios de ingeniería, y a lo largo de toda la carrera. Por tanto se le deben dar las herramientas necesarias y apropiadas para que realicen esta labor de la manera más eficiente, y que esto les permita ser competitivos a nivel global. Referencias Web recomendadas www.algor.com www.cosmosm.com www.abaqus.com www.protorapid.com www.solidworks.com www.ansys.com www.ptc.com www.reiusa.com www.adina.com www.autoform.com www.moldflow.com www.caenet.comwww.catia.com www.ansys.com www.ugsolutions.com www.ptc.com Referencias 1 T. S. KUHN, “La estructura de las Revoluciones Científicas”; Fondo de Cultura Económica; México, 1995. 319 Páginas. 2 NEGROPONTE, N. “Ser digital”; Editorial Atlántida, Buenos Argentina 1998. 247 páginas. 3 DYM C.L., HATCH, CH. “El proceso de diseño en ingeniería”; editorial Limusa Willey S.A. México 2002. 327 páginas. 4 CASHMAN, J.E. “Technologies and strategies for faster product development”. White Paper. Ansys Inc. Usa Julio 2002. 5 ENGINEERING TEAMWORK. “Enterprise – Wide Solutions: Product Design, Analyisis, and Management Through Engeniering Teamwork. White Paper. Ansys Inc. Usa 1998. 6 ROTH, G. “Analysis in Action: The Value of Early Analysis”, White Paper. Ansys Inc. Usa 1999. 7 KUMAR, R. “Introducing Al*Workbench”, White Paper. Ansys Inc. Usa 1999.
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