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6a Sesión Red Ibero-Americana de Ingeniería Concurrente – Castellón, España-2004

ARQUITECTURA DE PRODUCTO Y MODULARIDAD

Presentado por: H. Maury R

Preparado por: Carles Riba & H. Maury

Universidad de GironaUniversidad de Girona

Universidad Universidad JaumeJaume II

UPCUPC

Universidad de Holguín Universidad de Holguín

TecTec de Monterreyde Monterrey

Universidad del NorteUniversidad del Norte UNIVERSIDAD DEL NORTE BARRANQUILLA-COL.

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Objetivo de la presentaciónExponer los antecedentes, conceptos y algunos desarrollos logrados en el campo de Arquitecturas de producto y diseño modular

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ASPECTOS A TRATAR

ANTECEDENTESCONCEPTOS RELACIONADOS CON ARQUITECTURA & MODULARIDAD

MODULARIZACIÓN DE PRODUCTOS MULTIUSARIOS

COMPLEJIDAD DE PRODUCTOPROPOSICIÓN UNA METODOLOGÍA MEJORADA PARA DISEÑO MODULAR

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Antecedentes

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Antecedentes en Arq. de ProductoEn la década de los 80’s se acentuó la necesidad de crear productos flexibles debido a la globalización de los mercados y a la nec. de productos + competitivosLa Arquitectura de un producto determina si este puede responder a diferentes y nuevas necesidades, sin cambios radicales en su estructuraLa globalización→Mercados muy dinámicos y cambiantesEsto ha obligado a las empresas a replantear la filosofía, los métodos y herramientas que emplean en la concepción y desarrollo de sus productos, especialmente para Arquitecturas modularesConsiderando lo anterior, los investigadores y estudiosos del diseño en centros de investigación y en las universidades, están desarrollando y validando métodos para conseguir productos más competitivos

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Antecedentes en la Arquitectura de ProductosEs importante anotar, que aunque en la actualidad existen muchosproductos multi-usuarios y modulares como la “computadora”(Ordenador), las metodologías utilizadas en su diseño no aparecen en la literatura o bien son insuficientes; por lo tanto, se podría decir que no son de dominio públicoUn conjunto de investigadores tales como Ulrich (1989), Stone (1997), coinciden en que la modularidad es una vía para mejorar la competitividad de los productos ya que esta les confiere flexibilidadUlrich (1989). Define el concepto de modularidad desde las perspectiva funcional y constructivaStone (1997), Desarrolla una metodología detallada para el diseño modular, con la cual se realizan importantes aportaciones, pero se torna engorrosa matemáticamente al aplicarla.Pahl & Beitz (1999) en su texto sobre diseño sistemático define la modularidad y recalca que para conseguirla hay que realizar un minucioso análisis sobre la estructura funcional del productoRiba C (2002). Define la modularización y sus facetas; profundizando sobre un novedoso concepto, Gama de Producto, y expone también que deben considerarse los diferentes modos de operación del sistema

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CONCEPTOS RELACIONADOS CON ARQUITECTURA & MODULARIDAD

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Concepto de producto

Conjunto interrelacionado de componentes físicos y/o intangibles desarrollados para satisfacer oportunidades y/o necesidades predefinidas del mercado

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Concepto de Arquitectura

La arquitectura de un sistema o de un producto se refiere a todas las reglas o principios intencionados, que se definen en las fases primarias del diseño para orientar la estructuración y las relaciones que deben darse entre sus componentes con el fin aprovechar las ventajas competitivas en las distintas etapas de su CV

La definición de la arquitectura debe iniciarse en la misma definición de las especificaciones y constituye una referencia para todo el desarrollo posterior

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Representación de la Arquitectura

La arquitectura necesaria del producto se podrá representar mediante esquemas y reglas de diseño, que de forma intencionada reflejarán las oportunidades para lograr un valor diferencial en el producto a través de su estructura final

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Distinción entre Arquitectura y Estructura

Por otro lado, se plantea que la estructura de un sistema o producto es el resultado de la materialización de su arquitecturaPor lo tanto, implícita y explícitamente muestra las relaciones jerárquicas, funcionales, operativas, geométricas y espaciales necesarias entre sus componentes (físicos e intangibles).

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Tipos de Arquitectura de ProductoArquitectura ModularSe entiende por arquitectura modular aquella en la que de forma intencionada y estratégica se pueden vislumbrar uno o más bloques distintivos, autónomos e independientes (módulos), gracias a las claras relaciones jerárquicas y funcionales entre ellosArquitectura Integralaquella, por contra, donde todas las funciones se consiguen a través de unas pocas unidades, o por medio de muchos componentes sin independencia funcional y estructural, como un resultado de la baja definición de las relaciones y por ende, de las interfases, que algunos casos puede ser ventajosa

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ELCONCEPTO DE DISEÑO MODULAR

Diseño orientado ya sea hacia la configurabilidad o re-configurabilidad funcional por medio de la simple adición o sustracción de grupos componentes denominados módulos, sin cambios radicales en la estructura, y/o a facilitar la construcción a través de una estructura simple del producto

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Acotaciones sobre modularidad e integralidadTeniendo en cuenta las confusiones que se pueden derivar de los anteriores conceptos, es conveniente hacer las siguientes aclaraciones en el contexto de la arquitectura de sistemas:El nivel de modularidad de un producto no se mide por el número de sus módulos, sino que se refleja en su capacidad de configuración y/o reconfiguración, como un resultado del grado de independencia estructural y funcional de sus módulos, aunque sean pocos.La integralidad de un producto más que asociada al poco número de sus partes, es el reflejo de la baja claridad o definición de las relaciones entre sus componentes e interfases, aunque sean muchos, lo que conduce obviamente a una baja capacidad de re-configuración que en ciertas circunstancias puede no ser inconveniente.

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Otros conceptosComo consecuencia de un análisis racional sobre las oportunidades para conferir un valor diferencial al producto o sistema durante su desarrollo considerando todo su CV, puede resultar necesario agrupar o integrar sus elementos en unidades funcionales independientes denominadas módulos

Una interfase es una superficie real o virtual entre un módulo y su exterior a través de la cual se dan sus relaciones (flujos)

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Otros conceptosAl realizar un análisis de los tipos de información asociada al producto y a su arquitectura, se encuentran:

– Información visible. Es la que se deriva de las relaciones explícitas (flujos) entre los módulos del producto como una consecuencia de las reglas intencionadas que definen su arquitectura

– Información Oculta. Es la información que subyace al interior de los módulos y que no se hace explícita para el resto del sistema como una consecuencia de los principios, reglas y lineamientos que definen su arquitectura

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Otros conceptosPlataforma es un conjunto de recursos comunes (reglas de diseño, módulos, interfases, …) compartidos por varios productos y que responden a una arquitectura favorable para el conjunto de productos implicados (familia de productos o portafolio de productos)Otro concepto interesante, es Familia de producto, el cual hace referencia a un conjunto de productos interrelacionados que comparten características, componentes y subsistemas comunes para cubrir una variedad de nichos de mercado, y con miras de aprovechar oportunidades de competencia en su originación (todas las etapas previas a la transferencia o comercialización)Un concepto más holístico es Gamma, que permite obtener mayores niveles de competencia, gracias a su enfoque mixto en el que se aprovechan las oportunidades de mejora identificadas tanto en laoriginación como en la destinación (etapas del CVP posteriores a la comercialización) y considerando los equipos o sistemas con que coopera. Ej. Una cámara digital coopera o interactúa en su uso con ordenadores, impresoras, ... Por lo tanto, esto debe tenerse en cuenta en la definición de su arquitectura

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Otros conceptos

Portafolio o Catálogo es el conjunto de productos que ofrece una empresa

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Beneficios de las Arquitecturas Modulares

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Beneficios de las Arquitecturas modularesLos beneficios de una buena “modularización” son:

– Configurabilidad y Re-configurabilidad funcional y constructivapor simple adición o sustracción de módulos; sin cambios radicales en la estr. Del producto

– Es una herramienta que propicia el diseño concurrente porque permite el desarrollo simultáneo de los módulos.

– Facilidad de ensamblado. Por reducción de número de componentes e interfases

– Mejora de la fiabilidad del producto por la previa verificación de c/u de los módulos

– Provee flexibilidad en la planeación de la fabricación. Se pueden subcontratar de manera independiente la fabricación de los diferentes módulos

– Racionalización de alternativas de productos. A partir del estudio de las posibles combinaciones de módulos

– Mejora de la mantenibilidad, por la mayor disponibilidad de repuestos de los módulos en stock

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LIMITACIONES EN DESARROLLO DE ARQUITECTURAS

Aunque es un tema prioritario y de moda, las metodologías formales para la definición de las Arquitecturas están en fase embrionaria; de forma que, en la literatura de diseño aparece información en relación con el tema, pero aún es insuficiente, porque no explican totalmente su problemática

Es importante investigar las Arquitecturas modulares, por los beneficios que ellas traen, especialmente en lo relativo con la capacidad de suplir nuevas necesidades por adición o sustracción de módulos, lo que en definitiva se refleja como una mejora en la competitividad del producto

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Principios de Modularación y Etapas de Personalización

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PRINCIPIOS EN LA MODULARIZACIÓNDependiendo del criterio o principio dominante en la definición de la arquitectura modular pueden identificarse estos entre otros matices:Modularización de Matiz Funcional. Derivada de un análisis funcional orientada específicamente al objetivo de cumplir diferentes necesidades de distintos usuarios o en diversos Modos de Operación, por la simple adición o sustracción de módulosModularización Constructiva o Productiva. Orientada principalmente a facilitar la fabricación, la manipulación, el transporte, el ensamblado, el recambio o la mantenibilidad, lo que puede ir en contravía de la modularización de matiz funcionalOtras. Ej. Orientada a la destinación considerando las limitantes y capacidades de los sistemas con que coopera o interactúa el productoDisyuntiva a salvar. El equilibrio entre las ≠S perspectivas y la constructiva

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Etapas de personalización del producto, sus principios según la arquitectura

Personalización en el diseño Los principios para definir la arquitectura son:

– Escalonamiento (Size Range). Aplica en productos que realizan la misma función, con los mismos principios y procesos de fabricación pero con uno o más parámetros de diseño escalables. Ej.: Serie de rodamientos en diferentes tamaños, motores del mismo tipo en distinta potencia

– Estrechamiento. Cuando en varios productos existen las mismas funcionalidades, especialmente si son intensivas. Ej.: circuitos de alimentación de potencia aplicados a más de un producto; uniones especiales usadas en varias máquinas

Estandarizar al mínimo

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Etapas de personalización del producto y sus principios

Personalización en el diseño – Pautas de diseño (Design Patterns). Son la

formalización de soluciones utilizadas por diseñadores experimentados en situaciones anteriores donde se ha confirmado su viabilidad. “No resolver de nuevo los mismos problemas partiendo de cero, (Alexander, et al. 1977)Librerías soluciones probadas en una tipología de sistemas

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Etapas de personalización del producto y sus principios

Personalización en la fabricación Cuando la fabricación de un producto requiera cierta flexibilidad para adaptarse a aplicaciones específicas. Conviene concentrar la variabilidad en unos pocos parámetros– Fabricación a medida (Fabricate to fit). Adaptar el

producto al usuario a partir de modificar el valor de alguno de sus parámetros y evitar así la variación en otras partes del proceso productivo. Ej. : Cables eléctricos de distintas longitudes , con terminales, ajuste de longitud de mangas,Estructuras de transp. de correa

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Etapas de personalización del producto y sus principios

Personalización en el montaje Esta relacionada con las diferentes formas en que pueden combinarse los módulos para satisfacer las necesidades de los usuarios

– Modularidad de componentes permutados (Component swappingmodularity). Dos o más módulos distintos pueden ser apareados con el mismo módulo básico para crear distintas variantes de un producto de la misma familia. Ej.: distintos discos duros pueden ser integrados en la misma estructura de un ordenador

– Modularidad de componentes compartidos (component sharingmodularity). Uno o varios módulos comunes pueden formar parte de varios miembros de una o varias familias. Ej.: Un mismo discoduro puede adaptarse a diferentes ordenadores, un mismo motor puede equipar varios automóviles

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Etapas de personalización del producto y sus principios

Personalización en el montaje – Modularidad de ranura (Slot modularity). Sistema que puede ser

reconfigurado por el uso de interfases dedicadas exclusivas que permiten aparear un módulo central con varios módulo periféricos

– Modularidad de BUS (Bus modularity). Permite que a un mismo módulo básico o central se le puedan conectar a través de una misma interfaz genérica USB diferentes tipos de módulos periféricos en cualquier número y localización.

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Etapas de personalización del producto y sus principios

Personalización en el montaje – Modularidad Seccional (Sectional modularity). Se emplean también

interfases genéricas, pero no existe un único módulo central al que se adhieren los otros, ni una secuencia o combinación preestablecida de acoplamiento, lo que deriva en innumerables formas de re-configuración. Ej. Sistemas de tubería, muebles de oficina y de cocina tipo lego

– Modularidad de aplilamiento (Stack modularity). Colección de módulos similares que se conectan formando apilamientos para crear una unidad con un valor en una de sus dimensiones que es la suma de los módulos individuales. El apilamiento puede darse combinando módulos iguales o combinando módulos de distinto tamaño. Ej.:Tarjetas de memoria, baterías eléctricas

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Etapas de personalización del producto y sus principios

Adaptación después de la producción – Ajuste (Adjusment). Estrategia de personalización de un producto que

permite al usuario su adaptación mediante la variación de algún parámetro. A diferencia de la fabricación a medida, el ajuste tiene lugar después de la producción y suele ser reversible. Ej.:La regulación en altura de una silla de despacho o del asiento de un automóvil; La personalización de un programa de ordenador; El ajuste de un regulador de calefacción

– Adaptación (Adaptation) Estrategia según la cual el producto se adapta automáticamente a las necesidades de la aplicación sin la necesidad de una acción deliberada del usuario. Ej.: Cambio de marchas automático de automóvil; Reconocimiento e instalación automática de periféricos de ordenador

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Etapas de personalización del producto y sus principios

Adaptación después de la producción – Extensión (Widening). Consiste en crear productos o componentes

que satisfagan una variedad de necesidades no contradictorias. Si bien su coste puede ser mayor, los gastos generales fijos son menores al aumentar la estarndarización. Ej.: Sistema de alimentación eléctrica multitensión (admite indistintamente varias tensiones eléctricas lo que unifica todas las versiones del producto) [Feitzinger & Lee, 1997]

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Desarrollo de la arquitectura en productos multiusuario

Trabajos en UniNorte

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Trabajos desarrollados en UniNorte

Bajo este orden de ideas, y motivados por los vínculos entre las Universidad del Norte por y la UPC (CDEI), el grupo GIMYP ha iniciado recientemente un conjunto de trabajos enmarcados dentro del diseño modular en su línea de investigación en Ingeniería de Diseño de Máquinas y Productos. Algunos de estos trabajos son:

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Trabajos desarrollados en UniNorte

Desarrollo de una estrategia para el inicio de la modularizaciónfuncional desde la especificación: Categorización de usuarios, MCU Vs. Funciones (Cervantes & Maury)Definición de tipos de módulos: Básicos, Especiales u optativos,Únicos (Cervantes & Maury)Evaluación de la Met. De R. Stone (Peña-Maury)Desarrollo de una metodología mejorada para la evaluación de la complejidad (Caicedo, Amórtegui & Maury)Proposición de una metodología para para definición de Arquitecturas modulares consiguiendo el equilibrio entre los ≠Smatices y el constructivo en desarrollo (Peñaranda-Maury). En desarrollo

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Trabajos desarrollados en Uninorte

Categorías UsuarioNecesidades de los clientes C1 C2 C3

Facilidad para trasladarse horizontalmente SI SI SI

Facilidad para girar SI SI Si

Apoyo de piernas SI SI Si

Apoyo de espalda Inferior SI SI Si

Apoyo Espalda Superior Si Si Si/No

Facilidad para manejarla SI SI Si

Apoyar brazos Si Si Si/No

Apoyar la cabeza Si No Si/No

Apoyo Cuello Si No No

Económica Si Si Si

Estabilidad Si Si Si

Tenga mesita auxiliar para comer Si Si/No Si/No

Sirva como escritorio Si Si Si

Tamaño pequeño o mediano Si Si Si

Sea agradable a la vista Si Si Si

Prácticas deportivas No Si Si

Autopropulsada Si Si/No Si/No

regular e. e. electro.

actuar e. electro.

suplir e. electro.

almacenar e. electro.

convertir el-e.mec.

cambiar e.mecán.

trasmitir e.mecán.

fuerza horizontal

torque

Energía Electromagnet.

.

velocidad lineal

velocidad angular

Módulo Translación

Módulo Rotación

Energía Translacional

Energía Rotacional

Energía MecánicaFuerza Humana

Control.

Módulo de suplir energía.

Apoyo Cabeza

.

Apoyo Hombro

Apoyo dorso

Apoyo sacro

Apoyo piernas

Apoyo brazos

Peso

Soporte

Módulo soporte 1

Módulo soporte 2

Módulo soporte 3

Mód. Especiales/ÚnicosMód. Básicos

Sistema Compuesto:Sistema hipotéticoQue requiere lasFunciones de todasLas cat. de usuarios

q p p p p g

Etapa ComplejaLaboriosa

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Metodología Para Modularización en Validación (Peñaranda & Maury)

Especificación de la Necesidad * MEPEIS

Categorización o Segmentación de los Usuarios *

Definición de la funcionalidad de la configuración básica y de la flexibilidad requerida en en la

estructura adaptativa *Espe

cific

ació

nD

eriv

ada MEDGESF+Matriz Cat. De

Usuarios Vs. FuncionesGrupos de Funciones: Básicas,

Especiales y Únicas

Generación de Alternativas de Modularización Funcional ** ESTR. FUNCIONAL

Generación de Alternativas con Principios Físicos*

Heurísticos para Modularización

MESISOLC

MEPEIA + ÍNDICE DE COMPLEJIDAD MODIF.Evaluación de las Alternativas: Complejidad, ....*

MÉTODOSMIDC-MODELO

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Conclusiones

Se ha planteado y demostrado la importancia de la definición temprana de la arquitectura de producto para aprovechar oportunidades competitivas en desarrollo y aplicaciónSe ha propuesto una metodología para obtención sistemas modularesSe ha evaluado la metodología propuesta y la de Stone

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FIN

GRACIAS POR SU ATENCIÓN