Diseño modular

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 pueden ser independientes. creado, modificado, reemplazado o intercambiado con otros módulos o entre diferentes sistemas.

Descripción general

Un diseño modular se puede caracterizar por la partición funcional en módulos discretos, escalables y reutilizables, el uso riguroso de interfaces modulares bien definidas y el uso de estándares industriales para las interfaces. En este contexto, la modularidad está al nivel de los componentes y tiene una única dimensión: la ranurabilidad de los componentes. Un sistema modular con esta modularidad limitada se conoce generalmente como sistema de plataforma que utiliza componentes modulares. Algunos ejemplos son las plataformas de los automóviles o el puerto USB en las plataformas de ingeniería informática.

En teoría del diseño, esto es distinto de un sistema modular que tiene mayor modularidad dimensional y grados de libertad. El diseño de un sistema modular no tiene una vida útil distinta y muestra flexibilidad en al menos tres dimensiones. En este sentido, los sistemas modulares son muy raros en los mercados. Los sistemas arquitectónicos Mero son el ejemplo más cercano a un sistema modular en términos de productos duros en los mercados. Las plataformas de armas, especialmente en el sector aeroespacial, tienden a ser sistemas modulares, en los que el fuselaje está diseñado para actualizarse varias veces durante su vida útil, sin necesidad de comprar 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 tales como reducción de costos (la personalización puede limitarse a una parte del sistema, en lugar de necesitar una revisión de todo el sistema), interoperabilidad, tiempo de aprendizaje más corto, flexibilidad en el diseño, aumento sin restricciones generacionales o actualización (agregar una nueva solución simplemente conectando un nuevo módulo) y exclusión. La modularidad en los sistemas de plataforma ofrece beneficios al devolver los márgenes a escala, reducir el costo de desarrollo de productos, reducir los costos de operación y mantenimiento y el 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 de separar la tasa del ciclo del producto de las rutas de I+D. El mayor inconveniente de los sistemas modulares es el diseñador o ingeniero. La mayoría de los diseñadores están mal capacitados en análisis de sistemas y la mayoría de los ingenieros están mal capacitados 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 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 y limitan la modularidad a los componentes. El diseño modular completo u holístico requiere un nivel mucho más alto de habilidad y sofisticación de diseño 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 tubos, sintetizadores, sistemas de distribución de energía eléctrica y edificios modulares son ejemplos de sistemas de plataforma que utilizan varios niveles de Modularidad de los 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. Estas características clave hacen que los muebles modulares sean increíblemente versátiles y adaptables. 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 conectado en red.

El diseño modular combina inherentemente las ventajas de la estandarización de la producción en masa con las 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 haciendo modulares el propio panel y sus sistemas auxiliares. 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 de 4 dimensiones, x, y, z y capacidad de carga estructural. Como se puede ver en cualquier espacio de convención moderno, las dos dimensiones adicionales de modularidad del marco espacial permiten una flexibilidad mucho mayor en forma y función que la modularidad bidimensional del sistema solar. Si la modularidad se define y concibe adecuadamente 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 introducen la ventaja económica de no tener capacidad muerta, aumentando la tasa de utilización de la capacidad y su efecto sobre los costos y la flexibilidad de precios.

Aplicaciones

En vehículos

Se pueden ver aspectos del diseño modular 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 más permitirá la instalación "complementaria" mejoras como un motor más potente, audio del vehículo, asientos ventilados 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 constan de piezas (o módulos) universales que se fabrican en una fábrica y luego se envían a un sitio de construcción donde se ensamblan en una variedad de disposiciones.

Los edificios modulares se pueden agregar o reducir de tamaño agregando o eliminando ciertos componentes. Esto se puede hacer sin alterar partes más grandes del edificio. Los edificios modulares también pueden sufrir cambios en su funcionalidad mediante el mismo proceso de agregar o quitar componentes.

Por ejemplo, un edificio de oficinas se puede construir utilizando partes modulares como paredes, marcos, puertas, techos y ventanas. Luego, el interior se puede dividir (o dividir) con más paredes y equipar con escritorios, computadoras y cualquier otra cosa que sea necesaria para un espacio de trabajo funcional. Si es necesario ampliar o dividir la oficina para dar cabida 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 se puede descomponer y reorganizar para formar un espacio comercial, una sala de conferencias u otro tipo de edificio, utilizando los mismos componentes modulares que formaban originalmente el edificio de oficinas. A continuación, el nuevo edificio podrá renovarse 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 para máquinas, una sala de prensa, una sala de conferencias, un edificio de dos pisos, una sala limpia y muchas más aplicaciones.

Existen muchas ideas erróneas sobre los edificios modulares. En realidad, la construcción modular es un método viable de construcción para empresas de rápido crecimiento y respuesta rápida. Las industrias que se beneficiarían de esto incluyen la atención médica, comercial, minorista, militar y viviendas multifamiliares/para estudiantes.

En hardware informático

El diseño modular en el hardware de las computadoras es el mismo que en otras cosas (por ejemplo, automóviles, refrigeradores y muebles). La idea es construir computadoras con piezas fácilmente reemplazables que utilicen interfaces estandarizadas. Esta técnica permite al usuario actualizar ciertos aspectos de la computadora fácilmente sin tener que comprar otra computadora.

Una computadora es uno de los mejores ejemplos de diseño modular. Los módulos de computadora típicos incluyen un chasis de computadora, unidades de fuente de alimentación, procesadores, placas base, tarjetas gráficas, discos duros y unidades ópticas. Todas estas piezas deben ser fácilmente intercambiables siempre que el usuario utilice piezas que admitan la misma interfaz estándar.

En teléfonos inteligentes

La idea de un teléfono inteligente modular 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 pudiera personalizar. El Fairphone utiliza un principio similar, donde el usuario puede comprar piezas individuales para reparar o actualizar el teléfono.

En televisores

En 1963, Motorola presentó el primer tubo de imagen rectangular en color y en 1967 introdujo la marca modular Quasar. En 1964 abrió su primera sucursal de investigación y desarrollo fuera de Estados Unidos, en Israel, bajo la dirección de Moses Basin. En 1974, Motorola vendió su negocio de televisión a Matsushita, con sede en Japón, empresa matriz de Panasonic.

En armamento

Algunas armas de fuego y armamento utilizan un diseño modular para que el mantenimiento y la operación sean más fáciles y familiares. Por ejemplo, el fabricante alemán de armas de fuego Heckler & Koch produce varias armas que, si bien son de diferentes tipos, son visualmente y, en muchos casos, internamente similares. Estos son el rifle de batalla G3, la ametralladora de uso general HK21, la metralleta MP5, los rifles de asalto HK33 y G41 y el rifle de francotirador PSG1.

En exhibiciones de ferias comerciales y exhibidores minoristas

El concepto de diseño modular se ha vuelto popular en exhibiciones de ferias comerciales y exhibiciones promocionales minoristas. Este tipo de exhibiciones promocionales implican diseños personalizados creativos, pero necesitan una estructura temporal que pueda reutilizarse. Por ello, muchas empresas se están adaptando a la forma modular de diseño de exposiciones. En esto, pueden utilizar sistemas modulares prediseñados que actúan como bloques de construcción para crear un diseño personalizado. Luego se pueden reconfigurar con otro diseño y reutilizar para un espectáculo futuro. Esto permite al usuario reducir el costo de fabricación y mano de obra (para la instalación y el transporte) y es una forma más sostenible de crear configuraciones experienciales.

Integración del gemelo digital en el diseño modular

La gestión del ciclo de vida del producto es una estrategia para gestionar eficientemente la información sobre un producto (y familias de productos, plataformas, módulos y piezas) durante su ciclo de vida. 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.

Integración de evaluaciones de energía y ciclo de vida en el 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 avanzó la hipótesis de que el diseño modular puede combinarse con algunos criterios de optimización derivados de la ley constructiva. De hecho, la ley constructiva es modular por su naturaleza y puede aplicarse con resultados interesantes en la ingeniería de sistemas simples. Se aplica con un esquema típico de optimización ascendente:

• a system can be divided into subsystems (elemental parts) using tree models;
• cualquier sistema complejo puede ser representado de forma modular y es posible describir cómo las diferentes magnitudes físicas fluyen a través del sistema;
• analizar los diferentes flujos es posible identificar los componentes críticos que afectan el rendimiento del sistema;
• optimizando estos componentes y sustituyéndolos con más rendimientos, es posible mejorar los rendimientos del sistema.

Se ha producido una mejor formulación durante el proyecto MAAT EU FP7. Se ha formulado un nuevo método de diseño que combina la optimización ascendente anterior con un diseño descendente preliminar a nivel del sistema. El proceso de diseño en dos pasos ha sido motivado al considerar que el diseño constructivo y modular no se refiere a ningún objetivo a alcanzar en el proceso de diseño. En un artículo reciente se ha proporcionado una formulación teórica que se ha aplicado con éxito al diseño de un avión pequeño, al diseño conceptual de aviones de pasajeros innovadores, al diseño de un nuevo muro entrópico y a un innovador vehículo todoterreno diseñado para la eficiencia energética. .