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MEJORAR EL RENDIMIENTO DEL PRODUCTO

LA GUÍA DEFINITIVA PARA

2 | LA GUÍA DEFINITIVA PARA MEJORAR EL RENDIMIENTO DEL PRODUCTO

IntroducciónEl término “innovación” se convirtió rápidamente en una de las palabras de moda más populares. A pesar de su uso excesivo, la necesidad de concebir ideas nuevas que aumenten la capacidad y la eficacia generales para mejorar el rendimiento del producto dejó de ser un simple impulsor del crecimiento: es fundamental para la supervivencia.

Las mejoras graduales en la calidad del producto y las reducciones de los costos y del tiempo de puesta en el mercado solían ser suficientes para crear una diferenciación competitiva significativa. Sin embargo, hemos llegado a una etapa en la que el ritmo de la innovación ahora es más acelerado que nunca y continúa aumentando a diario. La calidad, el costo y la velocidad siguen siendo importantes, pero es el mejor rendimiento lo que permite una verdadera diferenciación.

La ventaja es que existen enfoques para mejorar el rendimiento que pueden usarse de forma sistemática para aumentar el valor y la competitividad de los productos. Mediante la aplicación práctica de tecnologías establecidas, como la simulación, y las ofertas nuevas como el diseño generativo, puedes explorar más posibilidades de diseño, aprovechar mejor las decisiones que tomes con respecto al diseño y comprobar que se cumpla con los requisitos cruciales del producto.

Imagen cortesía de Eugene Kim


El primer paso de cualquier actividad destinada a mejorar el rendimiento es asegurarse de estar trabajando en las cosas adecuadas. El tiempo de ingeniería es limitado, por lo que cada minuto debe dedicarse a las mejoras que los clientes valoren de verdad y que conseguirán el mejor rendimiento para el negocio.

En el libro electrónico “Cómo identificar oportunidades para mejorar el rendimiento del producto”, describimos distintas técnicas de innovación que pueden ayudarte a comprender mejor las necesidades de los clientes y analizar todas las opciones que tienes para mejorar el producto. En combinación con la información que encontrarás en las páginas siguientes, contarás con técnicas para tener mejores ideas y llevarlas a cabo de la forma más eficaz posible.

Identificar oportunidades para mejorar



DESAFÍOS AL ADOPTAR LA SIMULACIÓN


A fin de mejorar el rendimiento, primero debes ser capaz de predecir cómo funcionarán tus ideas. El enfoque actual para comprender cómo funcionará el producto sin la necesidad de prototipos consiste en utilizar la simulación para probar los diseños. La cantidad de disciplinas de física que pueden predecirse con precisión ha aumentado de manera constante durante las últimas décadas para abarcar casi todos los problemas que puedan imaginarse. La facilidad de uso del software ha mejorado junto con los tiempos más rápidos de procesamiento debido a las mejoras del hardware y el acceso a la nube. ¿Por qué, entonces, los ingenieros no usan la simulación de forma generalizada?

La desventaja tradicional de la simulación es su dificultad de uso. Esto se debe a que se necesita contar con experiencia de ingeniería y conocimientos sobre cómo usar el software. El requisito de ingeniería llegó para quedarse. Es fundamental entender las condiciones apropiadas que se deben evaluar y ser capaz de interpretar los resultados para informar los cambios en el diseño. El mayor desafío ha sido aprender qué opciones usar, qué botones presionar y qué trabajo de preparación se necesita para lograr un resultado preciso en el cual se pueda confiar.

El segundo problema con la simulación es que lleva demasiado tiempo. Deben ocurrir innumerables iteraciones a fin de lograr el mejor diseño posible de manera realista, y se requiere tiempo para preparar, procesar e interpretar cada iteración. Como el tiempo de puesta en el mercado sigue siendo crucial para el éxito del producto, este es un lujo que los equipos de desarrollo casi nunca pueden darse.

El enfoque para mejorar el rendimiento del producto debe abordar ambos desafíos. Las herramientas que ahora están disponibles para los ingenieros van más allá de la simulación e incluyen aplicaciones que se enfocan en la optimización y el diseño generativo. Estas aplicaciones están creadas para incorporarse en el flujo del diseño, de modo que se puedan evaluar diferentes posibilidades y obtener el mejor diseño posible rápidamente.

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MEJORAR EL RENDIMIENTO EN CADA ETAPA DEL PROCESO

Durante todo el proceso de diseño, hay distintos grados de libertad para realizar mejoras significativas en el diseño. En las primeras etapas, las posibilidades están abiertas para explorar conceptos radicalmente diferentes. A medida que se avanza, el enfoque se reduce a optimizar las decisiones importantes tomadas anteriormente, a fin de que el producto tenga el mejor resultado posible. Por último, antes de la etapa de producción, es fundamental que se realice una validación detallada para garantizar que el producto cumpla con todos los requisitos establecidos.


EXPLORAR LAS POSIBILIDADES DE DISEÑOEn la mayoría de los proyectos de desarrollo, el proceso de diseño se enfoca en hacer converger una idea inicial

con la mejor solución posible según el desafío propuesto. En la etapa de conceptos, cuando las posibilidades son prácticamente ilimitadas, las decisiones importantes suelen tomarse, sobre todo, según la experiencia o los

conocimientos existentes. A menudo se utilizan diseños heredados como punto de partida para los diseños nuevos. Esto es así por dos motivos: no hay tiempo suficiente para evaluar todas las posibilidades y, con los productos más

complejos, es imposible concebir todas las opciones. A fin de completar el proyecto a tiempo, es necesario seleccionar la opción que parece tener el mayor potencial y optimizarla.


¿Cómo se sabe si una idea es buena o mala? Por lo general, los ingenieros expertos no tienen dificultades para diferenciar entre las ideas prometedoras y los fracasos potenciales. La simulación puede ir un paso más allá y brindar resultados más definitivos para guiar la toma de decisiones. Pero el truco no está en examinar lo que ya hay, sino en encontrar lo que falta.

La manera más fácil de comenzar a explorar más ideas es modelar y probar ideas de diseño completamente diferentes al comienzo del proceso. Al adelantar la simulación, ya sea que la usen los ingenieros que crean los modelos o los analistas especializados, se puede determinar rápidamente si las ideas valen la pena.

Otra opción es usar herramientas de optimización de topología que pueden disminuir la masa de un componente identificando y eliminando material excedente de la pieza, sin sacrificar, o incluso superando, los criterios de rendimiento. Al identificar la ruta de carga a través de la pieza, se puede experimentar con distintas condiciones de carga, cambiar los accesorios que tendrá y, quizás, mover la ubicación o la orientación de las cargas para mejorar el rendimiento del producto y disminuir aún más el peso.

EXPLORAR LAS POSIBILIDADES DE DISEÑO

Prueba de conceptos


Si bien utilizar estos enfoques manuales de la exploración del diseño es mejor que no hacer nada, puede consumir una cantidad significativa de tiempo. Además, las ideas generadas tienen el sesgo del conocimiento colectivo de las personas involucradas. Por ejemplo, una persona que se especializa en el diseño de piezas moldeadas por inyección claramente preferirá una pieza de plástico, a pesar de que podría ser mejor utilizar metal. Si no hay una representación adecuada de las disciplinas, es posible que se pasen por alto las opciones que podrían ser perfectas para la aplicación.

El diseño generativo es diferente, ya que permite crear conceptos de diseño que exploren todos los materiales viables, las opciones de fabricación y las geometrías dentro de las limitaciones establecidas por el ingeniero. Las limitaciones pueden definir los criterios de rendimiento, el costo, las técnicas de fabricación admisibles o los límites de la geometría. Luego, se sintetizan cientos o miles de variaciones del diseño que cumplen con esos criterios. De este modo, no solo pueden generarse más ideas que lo humanamente posible, sino que estas ideas pueden ser mucho más complejas que lo imaginado.


Diseño generativo


Imagen cortesía de Briggs Automotive Company, Ltd.

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Con el diseño generativo, a menudo pueden identificarse claramente los diseños óptimos para las piezas funcionales (como soportes o adaptadores), pero los productos con consideraciones estéticas o elementos más complejos requieren la interpretación de un ingeniero. Aquí es donde se puede navegar por todo el espacio de diseño en busca de conceptos viables con mayor nivel de detalle hasta que se identifica el diseño correcto y se perfecciona u optimiza según sea necesario.

El diseño generativo aún se encuentra en las primeras etapas de desarrollo y adopción, pero, a medida que madure y esté más disponible, la capacidad de explorar más el espacio de diseño tendrá un gran beneficio en la identificación de nuevas oportunidades para mejorar el rendimiento del producto.


Diseño generativo

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Imagen cortesía de Briggs Automotive Company, Ltd.


OPTIMIZAR LAS DECISIONES DE DISEÑO

El próximo paso es optimizar las decisiones de alto nivel que se toman durante la fase de exploración del proceso. La optimización se trata de realizar pequeñas modificaciones en todos los parámetros y las variables involucradas

a fin de aprovechar el diseño lo más que se pueda.


La iteración es la clave de la optimización. La fórmula es bastante simple: mientras más iteraciones puedan completarse, mejor será el resultado. Por lo tanto, mientras más rápido se pueda introducir cada cambio en el diseño, probar el impacto en el rendimiento e incorporar lo aprendido al diseño, más rápido se podrá alcanzar el mejor producto posible.

Si bien el proceso en sí es relativamente manual (hay que modelar cada cambio en el diseño, configurar y ejecutar cada iteración en una aplicación de simulación e interpretar los resultados), existen maneras de minimizar los esfuerzos y el tiempo perdido.

El aspecto de este proceso que consume más tiempo es configurar la tarea de simulación que se llevará a cabo. La clave para minimizar esto es utilizar una integración estrecha entre CAD y CAE. Si la configuración puede actualizar el modelo en el entorno de simulación de forma automática, también se podrán transferir las configuraciones de cada tarea. Esto permite eliminar la mayor parte del tiempo que se invierte en establecer las configuraciones de malla y aplicar cargas, restricciones, contactos y materiales.


Se pueden utilizar solucionadores en la nube para acelerar el tiempo real de procesamiento y no cargar la máquina con trabajos computacionales exigentes, lo cual hace que el trabajo sea menos abrumador. Dado que la capacidad de las soluciones en la nube es prácticamente ilimitada, también es posible ejecutar muchas tareas de simulación a la vez. Esto disminuye aún más el tiempo que demora obtener todos los resultados necesarios para informar el proceso de diseño.

Iteración


OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO PARAMÉTRICOA fin de aumentar aún más la eficacia del proceso de iteración, otra opción consiste en usar la optimización del diseño paramétrico. Esto disminuye la cantidad de modelado manual que se requiere y elimina la necesidad de configurar el modelo varias veces para evaluar las distintas opciones de diseño.

Cuando se realiza una optimización paramétrica, primero es importante determinar qué variables clave se desean evaluar y asegurarse de que el modelo sea sólido y esté configurado de manera que los cambios puedan controlarse. Para poder hacerlo, es necesario invertir tiempo de forma anticipada en pensar qué aspectos del modelo se desean evaluar. No obstante, vale la pena por el tiempo que se ahorra al no tener que editar manualmente cada dimensión.

A partir de aquí, solo se configura el análisis como normalmente se haría y se ingresan los valores para cada variación que se desee probar. Luego, el software ejecuta cada análisis en paralelo, de modo que se pueden obtener todos los resultados al mismo tiempo y comparar con facilidad las conclusiones de cada combinación de variables.


Imagen cortesía de Osgood Industries


DISMINUIR EL PESO

Si la fabricación por adición es una técnica posible de producción para el producto, el reticulado es otra opción para mejorar su rendimiento. Esta técnica puede reducir el peso del producto sin sacrificar la fuerza y la rigidez necesarias. Asimismo, también tiene la posibilidad de brindar características térmicas mejoradas.

El proceso de reticulado funciona casi de la misma manera que la optimización de topología. El primer paso es aplicar las cargas y las restricciones para la pieza y, luego, asignar el material que se utilizará. El paso siguiente es elegir entre una variedad de estructuras de reticulado disponibles para generar la estructura interna. El análisis integrado de esfuerzo se usa para evaluar si la geometría generada es aceptable, o puede exportarse para ejecutar un análisis más detallado en una aplicación dedicada de FEA.


Imagen cortesía de Briggs Automotive Company Ltd.


VALIDAR DISEÑOS SEGÚN LOS REQUISITOS

Si bien la simulación puede aplicarse en las fases de exploración y optimización del diseño, suele utilizarse más a modo de orientación que como forma de saber exactamente qué rendimiento tendrá el producto. También existe la posibilidad de que

algunos requisitos no se hayan probado si no están en consonancia con las características de rendimiento que se desean mejorar.

Cuando se llega al final del desarrollo, es fundamental invertir tiempo en ejecutar análisis detallados que evalúen todos los requisitos del diseño a fin de confirmar que el producto tendrá un rendimiento según lo especificado. Aquí es donde pasamos de la optimización y la búsqueda del mejor diseño posible a simplemente asegurarnos de que no haya defectos fatales en el diseño que

puedan haber pasado inadvertidos.


El objetivo de la simulación debería ser predecir la respuesta del producto como se usará en el servicio. No obstante, el uso típico de la simulación se enfoca en predecir los efectos de un único fenómeno físico, como el esfuerzo o el flujo de fluidos. La mayoría de los diseños tendrán combinaciones de estos efectos. Un ejemplo es la forma en que el flujo de aire dentro de un gabinete electrónico disipará el calor generado por los componentes del circuito impreso. La forma de los productos también cambiará cuando estos sean sometidos a una carga térmica, la cual afectará su rendimiento estructural.

En ciertos casos, la complejidad de estas interacciones representa un desafío a la hora de ejecutar muchas iteraciones diferentes durante las etapas de exploración y optimización del proceso. Esto no significa que la multifísica solo deba usarse para la validación, sino simplemente que debe usarse si no se aplicó en una etapa más temprana del proceso y si puede aplicarse al producto.

Siguiendo con el ejemplo del gabinete electrónico, se pueden realizar muchas iteraciones que combinen CFD y la simulación térmica para informar la ubicación o el tamaño de los ventiladores necesarios para enfriar el componente a la vez que se optimiza el diseño. Luego, durante la validación, se pueden realizar análisis detallados para evaluar toda la gama de casos de uso y asegurarse de que no habrá fallas.


MULTIFÍSICA



El análisis de esfuerzo que se utiliza durante el proceso de diseño es útil para evaluar el máximo de esfuerzo, tensión y deformaciones que experimentarán las piezas con el uso, pero no ayuda a predecir la resistencia que tendrán con el tiempo. A fin de conocer la vida útil del producto, también se debe comprender los daños a largo plazo que causan los miles, o millones, de ciclos de carga. Para esto se puede realizar un análisis de fatiga.

Al igual que los análisis de multifísica presentados anteriormente, la fatiga puede usarse en las primeras etapas, pero suele aplicarse a modo de comprobación en la etapa final del desarrollo para garantizar que el producto no tendrá fallas prematuras o para estimar aproximadamente la vida útil general.


FATIGA Y DURABILIDAD



ResumenPara cada proyecto en el que el objetivo es lograr el mejor resultado posible, los procesos de exploración, optimización del producto y validación detallada que se realizan en las primeras etapas pueden ayudar a ir más allá que los competidores que solo se enfocan en la calidad, el tiempo de puesta en el mercado y el costo. Si el objetivo es mejorar el rendimiento, se pueden implementar la simulación y el diseño generativo durante todo el proceso de desarrollo a fin de concebir ideas más complejas, aprovechar mejor cada decisión sobre el diseño y garantizar que no haya fallas en el uso.


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