El diseño modular , o modularidad en el diseño, es un principio de diseño que subdivide un sistema en partes más pequeñas llamadas módulos (como patines de proceso modulares ), que se pueden crear, modificar, reemplazar o intercambiar de forma independiente con otros módulos o entre diferentes sistemas.
Descripción general
Un diseño modular se puede caracterizar por la división funcional en módulos discretos escalables y reutilizables, el uso riguroso de interfaces modulares bien definidas y el uso de estándares de la industria para interfaces. En este contexto, la modularidad está a nivel de componente, y tiene una sola dimensión, la capacidad de ranura de los componentes. Un sistema modular con esta modularidad limitada se conoce generalmente como un sistema de plataforma que utiliza componentes modulares. Algunos ejemplos son las plataformas para automóviles o el puerto USB en plataformas de ingeniería informática .
En la teoría del diseño, esto es distinto de un sistema modular que tiene mayor modularidad dimensional y grados de libertad. Un diseño de sistema modular no tiene una vida útil distinta y exhibe flexibilidad en al menos tres dimensiones. A este respecto, los sistemas modulares son muy raros en los mercados. Los sistemas arquitectónicos de Mero son el ejemplo más cercano a un sistema modular en términos de productos duros en los mercados. Las plataformas de armas, especialmente en la industria aeroespacial, tienden a ser sistemas modulares, en los que la estructura del avión está diseñada para actualizarse varias veces durante su vida útil, sin la compra de un sistema completamente nuevo. La modularidad se define mejor por las dimensiones efectuadas o los grados de libertad en forma, costo u operación.
La modularidad ofrece beneficios como la reducción de costos (la personalización puede limitarse a una parte del sistema, en lugar de necesitar una revisión de todo el sistema), interoperabilidad, menor tiempo de aprendizaje, flexibilidad en el diseño, aumento o actualización no restringido generacionalmente (agregar nueva solución simplemente conectando un nuevo módulo) y exclusión. La modularidad en los sistemas de plataforma ofrece beneficios en la devolución de márgenes a escala, reducción del costo de desarrollo de productos, reducción de los costos de operación y mantenimiento y tiempo de comercialización. Los sistemas de plataforma han permitido el amplio uso del diseño de sistemas en los mercados y la capacidad de las empresas de productos para separar la velocidad del ciclo del producto de las rutas de I + D. El mayor inconveniente de los sistemas modulares es el diseñador o el ingeniero. La mayoría de los diseñadores están mal entrenados en análisis de sistemas y la mayoría de los ingenieros están mal entrenados en diseño. La complejidad del diseño de un sistema modular es significativamente mayor que la de un sistema de plataforma y requiere expertos en diseño y estrategia de producto durante la fase de concepción del desarrollo del sistema. Esa fase debe anticipar las direcciones y los niveles de flexibilidad necesarios en el sistema para ofrecer los beneficios modulares. Los sistemas modulares podrían verse como un diseño más completo u holístico, mientras que los sistemas de plataformas son más reduccionistas, limitando la modularidad a los componentes. El diseño modular completo u holístico requiere un nivel mucho más alto de habilidad de diseño y sofisticación que el sistema de plataforma más común.
Automóviles , computadoras , sistemas de proceso , paneles solares , turbinas eólicas , ascensores , muebles , telares , sistemas de señalización ferroviaria , centrales telefónicas , órganos de tuberías , sintetizadores , sistemas de distribución de energía eléctrica y edificios modulares son ejemplos de sistemas de plataforma que utilizan varios niveles de modularidad de componentes. Por ejemplo, no se puede ensamblar un cubo solar a partir de componentes solares existentes o reemplazar fácilmente el motor de un camión o reorganizar una unidad de vivienda modular en una configuración diferente después de unos años, como sería el caso en un sistema modular. Los únicos ejemplos existentes de sistemas modulares en el mercado actual son algunos sistemas de software que han pasado del control de versiones a un paradigma completamente en red.
El diseño modular combina inherentemente las ventajas de la producción en masa de la estandarización , ya que la modularidad es imposible sin algún nivel de estandarización (un volumen alto normalmente equivale a bajos costos de fabricación) con los de la personalización . El grado de modularidad, dimensionalmente, determina el grado de personalización posible. Por ejemplo, los sistemas de paneles solares tienen una modularidad bidimensional que permite el ajuste de una matriz en las dimensiones xey. Se introducirían más dimensiones de modularidad al hacer que el propio panel y sus sistemas auxiliares fueran modulares. Las dimensiones en los sistemas modulares se definen como el parámetro afectado , como la forma, el costo o el ciclo de vida. Los sistemas Mero tienen modularidad en 4 dimensiones, x, y, zy capacidad de carga estructural. Como se puede ver en cualquier espacio de convenciones moderno, las dos dimensiones adicionales de modularidad del marco espacial permiten una flexibilidad mucho mayor en forma y función que la modularidad 2-d de la energía solar. Si la modularidad se define y se concibe correctamente en la estrategia de diseño, los sistemas modulares pueden crear una ventaja competitiva significativa en los mercados. Un verdadero sistema modular no necesita depender de los ciclos del producto para adaptar su funcionalidad al estado actual del mercado. Los sistemas modulares correctamente diseñados también presentan la ventaja económica de no tener capacidad muerta, lo que aumenta la tasa de utilización de la capacidad y su efecto sobre la flexibilidad de costos y precios.
En vehículos
Los aspectos del diseño modular se pueden ver en automóviles u otros vehículos en la medida en que hay ciertas partes del automóvil que se pueden agregar o quitar sin alterar el resto del automóvil.
Un ejemplo simple de diseño modular en automóviles es el hecho de que, si bien muchos automóviles vienen como modelo básico, pagar extra permitirá actualizaciones "instantáneas", como un motor más potente o neumáticos de temporada; estos no requieren ningún cambio en otras unidades del automóvil, como el chasis , la dirección, el motor eléctrico o los sistemas de batería.
En máquinas y arquitectura
El diseño modular se puede ver en ciertos edificios. Los edificios modulares (y también las casas modulares) generalmente consisten en piezas universales (o módulos) que se fabrican en una fábrica y luego se envían a un sitio de construcción donde se ensamblan en una variedad de arreglos. [1]
Los edificios modulares se pueden agregar o reducir de tamaño agregando o quitando ciertos componentes. Esto se puede hacer sin alterar porciones más grandes del edificio. Los edificios modulares también pueden sufrir cambios en la funcionalidad utilizando el mismo proceso de agregar o quitar componentes.
Por ejemplo, un edificio de oficinas se puede construir utilizando piezas modulares como paredes, marcos, puertas, techos y ventanas. El interior se puede dividir (o dividir) con más paredes y amueblar con escritorios, computadoras y cualquier otra cosa que se necesite para un espacio de trabajo funcional. Si la oficina necesita ser expandida o dividida para acomodar a los empleados, se pueden agregar o reubicar componentes modulares como paneles de pared para realizar los cambios necesarios sin alterar todo el edificio. Posteriormente, esta misma oficina puede desglosarse y reorganizarse para formar un espacio comercial , una sala de conferencias u otro tipo de edificio, utilizando los mismos componentes modulares que originalmente formaban el edificio de oficinas. Luego, el nuevo edificio se puede renovar con los elementos necesarios para llevar a cabo las funciones deseadas.
Otros tipos de edificios modulares que ofrece una empresa como Allied Modular incluyen una caseta de vigilancia , un recinto de máquinas, una cabina de prensa , una sala de conferencias , un edificio de dos pisos, una sala limpia y muchas más aplicaciones. [2]
Se mantienen muchos conceptos erróneos con respecto a los edificios modulares. [3] En realidad, la construcción modular es un método viable de construcción para empresas de rápido crecimiento y producción. Las industrias que se beneficiarían de esto incluyen la atención médica, comercial, minorista, militar y viviendas multifamiliares / para estudiantes.
En televisores
En 1963, Motorola introdujo el primer tubo de imagen en color rectangular y en 1967 introdujo la marca modular Quasar . En 1964 abrió su primera sucursal de investigación y desarrollo fuera de los Estados Unidos, en Israel, bajo la dirección de Moses Basin. En 1974, Motorola vendió su negocio de televisores a Matsushita, la empresa matriz de Panasonic , con sede en Japón .
En hardware de computadora
El diseño modular en el hardware de la computadora es el mismo que en otras cosas (por ejemplo, automóviles, refrigeradores y muebles). La idea es construir computadoras con partes fácilmente reemplazables que usen interfaces estandarizadas. Esta técnica permite al usuario actualizar ciertos aspectos de la computadora fácilmente sin tener que comprar otra computadora por completo.
Una computadora es uno de los mejores ejemplos de diseño modular. Los módulos típicos incluyen unidades de fuente de alimentación , procesadores , placas base , tarjetas gráficas , discos duros y unidades ópticas . Todas estas partes deben ser fácilmente intercambiables siempre que el usuario utilice partes que admitan la misma interfaz estándar. De manera similar a la modularidad de la computadora, se han desarrollado otras herramientas para aprovechar el diseño modular, como littleBits Electronics , que se unen con módulos interoperables para crear circuitos. [4]
Para los teléfonos inteligentes (ver también Teléfono inteligente modular ), esta idea se exploró en el Proyecto Ara , que proporcionó una plataforma para que los fabricantes crearan módulos para un teléfono inteligente que luego el usuario final podría personalizar. El Fairphone utiliza un principio similar, en el que el usuario puede comprar piezas individuales para reparar o actualizar el teléfono.
Integración del gemelo digital en un diseño modular
La gestión del ciclo de vida del producto es una estrategia para gestionar de forma eficiente la información sobre un producto (y familias de productos, plataformas, módulos y piezas) durante su ciclo de vida del producto . [5] Los investigadores han descrito cómo la integración de un gemelo digital ( una representación digital de un producto físico) con un diseño modular puede mejorar la gestión del ciclo de vida del producto. [6] [7]
Integración de evaluaciones de ciclo de vida y energía en un diseño modular
Algunos autores observan que el diseño modular ha generado en la industria del vehículo un aumento constante de peso a lo largo del tiempo. Trancossi adelantó la hipótesis de que el diseño modular se puede acoplar a algunos criterios de optimización derivados de la ley de construcción . [8] De hecho, la ley de la construcción es modular por su naturaleza y puede aplicarse con interesantes resultados en la ingeniería de sistemas simples. [9] Se aplica con un esquema de optimización ascendente típico:
- un sistema se puede dividir en subsistemas (partes elementales) utilizando modelos de árbol;
- cualquier sistema complejo se puede representar de forma modular y es posible describir cómo las diferentes magnitudes físicas fluyen a través del sistema;
- analizando las diferentes trayectorias de flujo es posible identificar los componentes críticos que afectan el desempeño del sistema;
- optimizando esos componentes y sustituyéndolos por otros de mayor rendimiento, es posible mejorar el rendimiento del sistema.
Se ha producido una mejor formulación durante el proyecto MAAT EU FP7. [10] Se ha formulado un nuevo método de diseño que combina la optimización ascendente anterior con un diseño descendente de nivel de sistema preliminar. [11] El proceso de diseño en dos pasos ha sido motivado por considerar que el diseño constructivo y modular no se refiere a ningún objetivo a alcanzar en el proceso de diseño. Se ha proporcionado una formulación teórica en un artículo reciente, [8] y se ha aplicado con éxito al diseño de una pequeña aeronave, [12] el diseño conceptual de una innovadora aeronave de cercanías, [13] [14] el diseño de una nueva pared entrópica , [15] y un innovador todoterreno diseñado para la eficiencia energética. [dieciséis]
Ver también
- Impresión 3d
- Autómata celular
- Diseño de configuración
- Holarquía
- Holismo
- Kraftei
- Edificio modular
- Sistemas de construcción modular
- Despliegue de función modular (MFD)
- Programación modular
- Smartphone modular
- Sistema de armas modular
- Modularidad
- Movimiento de diseño abierto
- Hardware de código abierto
- Estructuras abiertas
- Lenguaje de patrones
- Sistema de fabricación reconfigurable
- Separación de intereses
- Diseño de sistemas
- Ingeniería de Sistemas
- Integración de sistema
Referencias
- ^ "Definición de casa modular" . Consultado el 19 de agosto de 2010 .
- ^ Productos modulares aliados Modular aliado. Consultado el 27 de marzo de 2012
- ^ "edificio modular" . Archivado desde el original el 17 de septiembre de 2014.
- ^ "Cómo un emprendedor está llevando el conocimiento de Fringe Maker a la corriente principal" . PSFK . PSFK. 2014-08-26 . Consultado el 27 de mayo de 2015 .
- ^ Stark, John (2015) [2005]. Gestión del ciclo de vida del producto (Volumen 1): Paradigma del siglo XXI para la realización de productos . Ingeniería de decisiones (3ª ed.). Cham: Springer-Verlag . págs. 1–20. doi : 10.1007 / 978-3-319-17440-2 . ISBN 978-3-319-17439-6. OCLC 907289028 .
- ^ Schleich, Benjamin; Anwer, Nabil; Mathieu, Luc; Wartzack, Sandro (enero de 2017). "Dando forma al gemelo digital para la ingeniería de diseño y producción" (PDF) . Anales CIRP . 66 (1): 141-144. doi : 10.1016 / j.cirp.2017.04.040 .
- ^ Dolores, Michael; Vickers, John (2017). "Gemelo digital: mitigar el comportamiento emergente impredecible e indeseable en sistemas complejos". En Kahlen, Franz-Josef; Flumerfelt, Shannon; Alves, Anabela (eds.). Perspectivas transdisciplinarias sobre sistemas complejos: nuevos hallazgos y enfoques . Cham: Springer-Verlag . págs. 85-113. doi : 10.1007 / 978-3-319-38756-7 . ISBN 9783319387543.
- ^ a b Trancossi, M. Una respuesta a la madurez industrial y los problemas energéticos: una posible solución basada en el derecho de la construcción . EUR. Transp. Res. Rev. (2015) 7: 2. doi : 10.1007 / s12544-014-0150-4
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- ^ "Dirigible Avanzado Multicuerpo para Transporte | Proyectos | FP7-TRANSPORT" .
- ^ Dumas A, Madonia M, Trancossi M, Vucinic D (2013) "Propulsión de dirigibles crucero-alimentador fotovoltaicos dimensionamiento por diseño constructivo para el método de eficiencia" . SAE Int J Aerosp 6 (1): 273-285. doi : 10.4271 / 2013-01-2303
- ^ Trancossi, M., Bingham, C., Capuani, A., Das, S. et al., "Aviones de reconocimiento no tripulados multifuncionales para operaciones de baja velocidad y STOL" , documento técnico SAE 2015-01-2465, 2015. doi : 10.4271 / 2015-01-2465
- ^ Trancossi, M., Madonia, M., Dumas, A. et al. "Una nueva arquitectura de aeronave basada en la tobera de efecto Coanda ACHEON: modelo de vuelo y evaluación energética" . EUR. Transp. Res. Rev. (2016) 8:11 . Doi : 10.1007 / s12544-016-0198-4
- ^ Trancossi, M., Dumas, A., Madonia, M., Subhash, M. et al., "Estudio de implementación preliminar de empuje ACHEON y propulsión eléctrica vectorial en un avión utilitario ligero STOL" , Documento técnico SAE 2015-01- 2422, 2015. doi : 10.4271 / 2015-01-2422
- ^ Trancossi, M. y col. "Diseño constructivo de un muro entrópico con agua circulante en su interior" . Revista de transferencia de calor , 2016, 138.8: 082801.
- ^ Trancossi M., Pascoa J, "Diseño de un vehículo híbrido todoterreno innovador por criterios de eficiencia energética" , International Journal of Heat and Technology , 2016.
Otras lecturas
- Schilling, MA., "Hacia una teoría general de sistemas modulares y su aplicación a la modularidad de productos entre empresas" Academy of Management Review, 2000, Vol 25 (2): 312-334. [1]
- Erixon, OG y Ericsson, A., " Controlling Design Variants " Estados Unidos: Sociedad de Ingenieros de Fabricación 1999 [2]ISBN 0-87263-514-7 [3]
- Clark, KB y Baldwin, CY, " Design Rules. Vol. 1: El poder de la modularidad " Cambridge, Massachusetts: MIT Press 2000 ISBN 0-262-02466-7
- Baldwin, CY, Clark, KB, " El valor de opción de la modularidad en el diseño " Harvard Business School, 2002 [4]
- Levin, Mark Sh. " Diseño y evaluación de sistemas modulares ". Springer, 2015.
- Modularidad en el diseño Modelado formal y análisis automatizado
- "Modularidad: actualización a la arquitectura de diseño de próxima generación" , una entrevista