La experiencia docente del Laboratorio de Diseño Avanzado y Monitorizado de Máquinas
RESUMEN
En este artículo se presentan los trabajos realizados en el Laboratorio de Diseño Avanzado y Monitorizado de Máquinas (DISAMM), de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial (ETSIDI) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Este Laboratorio pone a disposición de estudiantes, profesores y ciudadanos de la UPM y de otras universidades nacionales e internacionales herramientas y recursos docentes aplicables al diseño avanzado de máquinas y mecanismos. Estas herramientas docentes están disponibles a través de la web mediante el acceso remoto, aprovechando la potencia de las nuevas tecnologías de la información y comunicación, y alcanza ratios de utilización muy elevados con unos recursos humanos y materiales muy reducidos. Una característica destacable de las actividades de laboratorio es la modularidad, concepto similar al de «plataforma modular», que ya se emplea en la industria. Las prácticas y actividades de laboratorio son modulables y escalables en función de a quienes van destinadas: estudiantes de grado, máster o doctorado. A través de las actividades y recursos docentes puestos en marcha, los estudiantes y usuarios pueden adquirir conocimientos, capacidades, habilidades y competencias específicas de diseño de máquinas eficaz, seguro y eficiente, así como competencias transversales relacionadas con la eficiencia, sostenibilidad y respeto al medio ambiente.
Recibido: 21 de julio de 2014
Aceptado: 13 de agosto de 2014
Palabras clave
Dise&ntide;o industrial, TIC, educación, Universidad, empresas
ABSTRACT
This paper presents the work carried out in the Laboratory of Advanced Design and Motorized Machines, DISAMM, of the School of Engineering and Industrial Design, ETSIDI of the Technical University of Madrid, UPM. This laboratory provides students, teachers and citizens of UPM and other universities, national and international, educational tools and resources applicable to the advanced design of machines and mechanisms. These training tools are available via web allowing remote access, leveraging the power of new technologies of information and communication; and reaching high rates with a very limited human and material resources. A remarkable feature of laboratory activities is modularity. This is a similar concept to «modular platform», already used in industry. Laboratory activities are modular and scalable depending on to whom they are intended: students of Bachelor, Master or PhD. Training activities and resources allow students and users to acquire knowledge, skills, abilities and specific competencies on machine design, safe and efficient, as well as generic skills related to efficiency, sustainability and environmental friendliness.
Received: July 21, 2014
Accepted: August 13, 2014
Keywords
Industrial design, ICT, education, University, companies
Introducción
Hasta hace un año la Escuela Técnica Superior de Ingeniería y Diseño Industrial (ETSIyDI) se denominaba Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial (EUITI). Este no es un simple cambio de nombre, sino que muestra el trabajo y evolución de la escuela hacia los nuevos cambios tecnológicos y su adaptación al espacio europeo de educación superior, también conocido como Proceso de Bolonia.
La escuela tradicionalmente ha impartido titulaciones de Ingeniería Técnica Industrial en sus cuatro especialidades fundamentales: mecánica, química, eléctrica y electrónica. Con la adaptación al Proceso de Bolonia, estas titulaciones se modifican en cuatro grados universitarios denominados respectivamente en ingeniería mecánica, ingeniería química, ingeniería eléctrica y electrónica industrial y automática. Además, se incorpora una nueva titulación tremendamente emergente: Grado Universitario en Diseño Industrial y Desarrollo de Producto. Esta nueva titulación ha propiciado el cambio de nombre de la escuela y es el resultado de la inquietud y esfuerzo por adaptar su oferta formativa a las nuevas tecnologías industriales y educativas. Esta inquietud y esfuerzo no solamente se ciñen a esta titulación, sino que impregna también al resto.
El área de Diseño de Máquinas es heredera de materias fundamentales como Cinemática y Dinámica de Máquinas y Cálculo, Construcción y Ensayo de Máquinas. Estas materias han evolucionado a otras con nueva denominación: Teoría de Máquinas y Mecanismos, Análisis y Síntesis de Mecanismos, Diseño de Máquinas I y II, Diseño Mecánico, Elementos Finitos y Vibraciones Mecánicas. Todas ellas parten de sus contenidos fundamentales programados para ir incorporando nuevas tecnologías y metodologías basadas en el análisis, cálculo y simulación por ordenador. Actualmente, la enorme evolución que han experimentado las tecnologías de la informática está haciendo viable en tiempo y costes la incorporación de tecnologías de prototipado y monitorización de las máquinas en el proceso de enseñanza-aprendizaje del diseño de las máquinas (Fidán, 2012; Forrester, 1969).
Por los motivos que se acaban de exponer, el laboratorio de Diseño Avanzado y Monitorización de Máquinas (DISAMM) es heredero del Laboratorio de Cinemática y Dinámica de Máquinas y nace con un objetivo claro de evolución hacia las nuevas tecnologías de diseño avanzado en ingeniería. Se apoya en las nuevas tecnologías de la información y comunicación y de la informática. Apuesta claramente por la innovación tecnológica y de la educación (Meadows, 1972; Morecroft, 2007). Se emplean nuevas tecnologías de diseño, cálculo y simulación por ordenador, aplicando metodologías basadas en elementos finitos y modelado de sólidos y sistemas mecánicos multicuerpo (Sterman, 2000; Schaffernicht, 2008). Se incorporan herramientas informáticas de acceso remoto y tecnologías de prototipado y monitorizado de máquinas de bajo coste. Y aplicando algoritmos de optimización, se consigue completar el ciclo del diseño, cálculo mecánico y ensayo de máquinas de forma sostenible y eficiente (Poli, R. et al, 2008; Senge, 1990).
En este trabajo se presenta el proceso de puesta en marcha, organización y funcionamiento del DISAMM, en el proceso de evolución y adaptación de la ETSIDI al Proceso de Bolonia, empleando las nuevas tecnologías industriales y de innovación educativa. Se justifica cómo ha sido posible la incorporación de tecnologías avanzadas del diseño, monitorizado de máquinas, acceso remoto y de innovación educativa. Estas acciones están dirigidas a la consecución de los objetivos fundamentales de eficiencia en el diseño, eficiencia energética, reducción de costes a lo largo del ciclo de vida del producto, sostenibilidad y respeto al medio ambiente. Para alcanzar todos estos objetivos resulta fundamental que las actividades de investigación, innovación, generación y transferencia del conocimiento se desarrollen en un ámbito de colaboración Universidad-empresa de plena confianza, basado en un comportamiento ético de los partícipes (Martín Rubio y Peligros Espada, 2009). Finalmente, se relacionan las conclusiones y líneas de trabajo futuras.
Laboratorio de Diseño Avanzado y Monitorizado de Máquinas
El objetivo fundamental de este laboratorio es completar el proceso de aprendizaje del estudiante de diseño de máquinas para que se habitúe al manejo de las nuevas tecnologías de lainformación ylacomunicación,con una nueva mentalidad capaz de conectarse a una base de conocimientos, con las nuevas tecnologías emergentes y seleccionar las que son más competitivas, seguras, fiables, sostenibles, eficientes y respetuosas con el medioambiente.Inclusodespués del ciclode aprendizaje, escapaz dehacer mejorasenlas tecnologías aprendidas.
Tres son las áreas o unidades principales que constituyen el DISAMM (figura 1):
1. Análisis cinemáticoydinámicode mecanismos, aplicando técnicas de modelado de sólidos, modelado de sistemas multicuerpo, Bond-Graph, etc. En esta primera etapa los estudiantes adquieren los conocimientos fundamentales necesarios para comprender el funcionamiento y comportamiento de los mecanismos empleados habitualmente en la industria.
2. Diseñoavanzadode máquinas ysus elementos, basado en el uso de las tecnologías dela informática, simulación, elementos finitos, etc. En esta fase es posible obtenerdatos teóricos sobre el comportamiento cinemático, dinámico de la máquina y el comportamiento mecánico de los elementos modelados y simulados, así como de sus materiales. Tambiénseaplicantécnicasdeoptimización de los diseños desarrollados, optimización topológica, redes neuronales o algoritmos genéticos,etc.Estas adquieren relevanciaen los trabajos fin de grado y fin de máster, así como en los trabajos de diseño y optimización de los chasis, suspensiones, carenado y aerodinámica que desarrollan los propios estudiantes que realizan sus trabajos dentro dela asociacióndeMotoStudent, la cualgoza de un gran apoyo de la ETSIDI y empresas delsector.
3. Ensayo de prototipos. Empleando tecnologías de prototipado rápido, se construyen modelos o prototipos a escala de los mecanismos y máquinas diseñados. Seguidamente, estos prototipos se someten a dos tipos de pruebas:
a) Ensayosmecánicosno destructivosde sus elementos.
b) Monitorizacióndelfuncionamiento de lamáquina.Mediante el análisis de las vibraciones medidas durante el funcionamiento, se obtienen datos experimentales que pueden ser comparados con el comportamiento simulado en la fase de diseño.
Cuatro son las características fundamentales de DISAMM (figura 2):
1. Acceso remoto a los equipos e instalaciones. Aprovechando lasnuevastecnologías dela informacióny la comunicación, los estudiantes y socios o empresas colaboradores pueden acceder a las instalaciones de laboratorio y herramientas desde cualquier punto en red y en cualquier momento. El uso remoto de las instalaciones gestionadas por software proporcionaun altorendimientoen el usode los equipos de laboratorio,se alcanza una alta eficiencia enelconsumo deenergía, se emplea un espacio mínimo optimizado y se necesitaunareducidainversión en infraestructura.
2. Eficacia y seguridad en el diseño. Despuésdeldiseño avanzado y simulacióndelas máquinas, la etapa de ensayo de los prototipos permite comprobar que se cumplen los requerimientos de seguridad en el diseño y en el comportamiento de los diseños.
3. Modularidad. Este es un concepto novedoso, ya empleado en la industria, especialmente del automóvil (Lampón,2014). El concepto demodularidad aplicado alDISAMM significaque cadaactividadoprácticade laboratorio sepuedeescalar o adaptar a los conocimientos, habilidades y competencias que deben adquirir diferentes estudiantes de diferentes niveles académicos: grado, máster o doctorado. Ellaboratorio está dotado deuna serie de equipos básicos.Estos pueden organizarse y combinarse para generar diferentes prácticas con diferentes objetivos de conocimiento, habilidades y competencias del estudiante. De esta manera, unos mismos equipos se pueden emplear en los tres niveles académicos universitarios establecidos por el Proceso de Bolonia. De este modo, se obtiene un grado elevado de utilización de los equipos e instalaciones, reduciendo los costes de infraestructura y aumentando su rentabilidad.
4. Eficiencia energética y de costes. El empleode técnicas de optimización del diseño por ordenador, junto con las tecnologías de prototipado rápido de bajo coste, permite realizar eldiseño demáquinasy componentes con un reducido coste en energía, materiales e infraestructura.
Ahondando en el concepto de modularidad, en las figuras 3 y 4 se muestra un ejemplo de configuración de diferentes prácticas de laboratorio a diferentes niveles académicos, empleando un conjunto de equipos básicos. En la figura 3, se toman por ejemplo 4 de los equipos básicos disponibles en el laboratorio DISAMM (entre otros muchos):
a) Una máquina de demostración del funcionamiento de elementos de máquinas. b) Una bancada para ensayo de vibraciones en elementos de máquinas.
c) Una adquisicióndedatosdebajo coste, diseñada y construida en el DISAMM.
d) Aplicacionesinformáticaspara eldiseño, análisisestructuraly modal, aplicando técnicas de elementos finitos.
En la figura 4 se muestran de forma esquemática seis posibles prácticas realizables a diferentes niveles de conocimientos y competencias de grado, máster y doctorado:
a) Estudio cinemático y dinámico del funcionamiento de elementos de máquinas (práctica1, figura 4). Los estudiantes de grado pueden visualizar y comprender el funcionamiento de los elementos fundamentales que constituyen las máquinas.
b) Diseño deuna bancada, análisis estructural y modal, aplicando técnicas de elementos finitos. (práctica 2, figura 4). El alumno de grado podrá contrastar los resultados de los análisis teóricos con los datos experimentales obtenidos en ensayos.
c) Medida de vibraciones mecánicas (práctica 3, figura 4). Los estudiantes de grado,tras estudiarlateoríade vibraciones,estudian las causas y los sistemas de medición de vibraciones en máquinas. A travésdeesta práctica asocian los defectos más comunes en el funcionamiento de diferentes elementos de máquinas y los tipos de vibraciones que se generan. También se desarrollan conocimientos y habilidades en el manejo de los captadores, sistemas y tecnologías actuales para medición de vibraciones en máquinas.
d) Estudio de vibraciones mecánicas y monitorización en máquinas (práctica 4, figura 4). Se estudian los diferentes fallos habituales en las máquinas ylas metodologías para lamedición de vibraciones mecánicas.El estudiante debe diseñar un sistema de monitorización de la máquina, realizar medicionesde vibraciones y estudiar las causas de estas. El análisis de los resultados obtenidos debe aplicarlos para el diseño de un plan de mantenimiento predictivo o preventivo. Esta práctica se desarrolla por estudiantes de máster.
e) Diseño y optimización de elementos de máquinas, aplicando técnicas de análisis estructural,modal mediante técnicas de elementos finitos (práctica5,figura4).Los alumnos de másteraplican algoritmos de optimizaciónpara reducir el nivel de vibraciones en los elementos de máquinas diseñados y pueden contrastar los resultados teóricos con datos experimentales obtenidos en ensayos de laboratorio.
f) Investigación de las causas de fallos en máquinas,monitorización y detección, empleando técnicas de análisis de vibraciones mecánicas (práctica 6, figura 4).Desarrollo de algoritmos de optimización del diseño de elementos de máquinas,reducción del nivel de vibración, prevención de averías, optimización del ciclode vida y la eficiencia energética. Esta práctica es desarrollada por estudiantes de doctorado, quienes pueden contrastar los resultados teóricos con ensayos de laboratorio.
El grado de utilización del laboratorio DISAMM por parte de los alumnos es muy elevado(tabla1).Este laboratoriodaservicio a ocho asignaturas de grado y cinco de máster profesional e investigador, con un equipo de profesorado muy reducido (cuatro profesores y medio a tiempo completo).
Optimización, eficiencia y sostenibilidad en el proceso de diseño
Dentrodel largoycomplejoprocesode enseñanza-aprendizaje, es responsabilidad de la Universidad poner los medios para que los estudiantes adquieran los conocimientos, capacidades y habilidades necesarios para enfrentarse con problemas reales ysean capaces de resolverlos con éxito. Esteéxito implica valores éticos,sociales,eficienciayeficaciaen sus logros, sostenibilidad y respeto por el medio ambiente.
Para alcanzar dichosfines, enconcreto en las materias de diseño de máquinas, el objetivo es conseguir un diseño mecánico optimizado y eficiente. Los parámetros de optimización suelen ser muy diversos, comúnmente la reducción de peso y mejora del rendimiento de funcionamiento de la máquina.Estos redundan en un menor consumo de materiales y de energía y en reducción del impacto ambiental y de costes y, por tanto, mayor sostenibilidad del ciclo de vida del producto y mayor respeto con el medio ambiente.
El proceso de diseñoavanzadode máqui-nas se fundamenta en dos metodologías:
– Diseño asistido por ordenador aplicando técnicas de elementos finitos y de simulación por ordenador, como Bond-Graph. Gracias a la potencia actual de los ordenadoresesposiblesimular entiempo real el comportamiento cinemático y dinámico de los elementos que constituyen las máquinas, así como el comportamiento mecánico delosmateriales.
– Optimización del diseño aplicando optimización topológica, redes neuronales y algoritmos genéticos. No basta con obtener una soluciónaceptabledelproblema de diseño. Es necesario ir más allá, consiguiendo diseños que optimicen las funciones delasmáquinashaciéndolasmásseguras, eficaces, eficientes y respetuosas con el medio ambiente. Así, resultanenunbajo coste global durante el ciclo de vida: desarrollo, producción, mantenimiento y de funcionamiento. La optimización y eficiencia del diseño debeincluir elciclo completo devida del producto, desde su concepción, diseño mecánico, ensayo de prototipos, hasta su producción y vida útil, incluyendo los procesos de reciclado o reutilización del producto al agotar su ciclo devida.
A través de las diferentes asignaturas, adecuadamente coordinadas, el alumno adquiere conocimientos y habilidades para el diseño demáquinas, y concluyeconeltrabajo defin decarrera. Conformeseva avanzando enlos contenidos, se plantean casos prácticos que el alumno debe resolver ofreciendo soluciones creativas, a la vez que eficaces y eficientes. En todo momento se insiste en los criterios de eficiencia energética y respeto al medio ambiente.
Para cada caso práctico, el alumno debe partir de la búsqueda bibliográfica y estudio delestado delarte. Seguidamente, debe proponer diferentes soluciones que someterá a un análisis aplicando diferentes técnicas de optimización, dinámica desistemas, algoritmos genéticos,redes neuronales,etc.,que le permite proponer soluciones de diseño más avanzadaseinnovadoras, deacuerdo conlos criteriosdeoptimizaciónestablecidosa priori. De estamanerapartiendodel conocimiento explícito adquirido a partir de las diferentes actividades docentes, el alumno también va configurando un conocimiento implícito a través de los casos prácticos, trabajos individuales, cooperativos y en grupo.
El alumno realiza diferentes actividades empleando las herramientas docentes que DISAMM pone a su disposición a través de la web (figura 5). Estas herramientas están a disposición de todos los estudiantes y de cualquier usuario autorizado. Existe una zona privada para los primeros en la que pueden realizar sus experiencias docentes de forma segura. El profesor interactúa con los estudiantes a través de diferentes recursos y aplicaciones informáticas: Moodle, PGDnet, Webinars, etc. Y existe un área abierta en la que cualquier persona puede acceder a toda lainformación públicaacercade las actividades de DISAMM. Dado que los usuarios (estudiantes, profesores y diferentes socios) no necesitan acceder al espacio físico de la instalación, se puede beneficiar un mayor número de estudiantes de la ETS de Ingeniería y Diseño Industrial, así como de otros centros de la Universidad Politécnica de Madrid y otras Universidades, centros de I + D + i y empresas.
Investigación e innovación educativa. La confianza en la relación Universidad-empresa
La investigación ylainnovación educativaen el ámbitode actividadde DISAMM resultan relevantes. Y estas tan solo se pueden realizar satisfactoriamente en un entorno de trabajode colaboración Universidad-empresa. Para alcanzar plenamente los beneficios de estacolaboración deben fomentarse unas relaciones de plena confianza, basadas en un comportamiento ético de las partes, (Martín Rubio, I; Peligros Espada, C., 2009; Martín Rubioet al.,2013).Estoresultade vital importancia para evitar la presencia de comportamientos oportunistas no éticos.
Para que las relaciones Universidad-empresa den los frutos deseados, es de vital necesidad la adaptación a los cambios que rápidamente se suceden en el entorno empresarial, lo cual provoca que las empresas formen alianzas ycolaboren entre sí.Un aspecto fundamental en los convenios de colaboración es agilizar los mecanismos que permiten compartir recursos y conocimiento. Sin una gestiónadecuada dela confianza, el proceso degeneración y transferencia del conocimiento se hace estéril. En las relaciones Universidad-empresa debe prevalecer la confianza como base para crear, compartir y fomentar el conocimiento. La plena confianza entre las partes limita los comportamientos oportunistas, ya que el conocimiento que se comparte se utiliza para elbeneficio, desarrollo y fortalecimiento dela alianza.
Laconfianzapermite compartirel conocimiento adquirido por las partes colaboradoras y explorar las diferencias encontradas, para generar nuevo conocimiento, innovarde formamás ágil e identificar nuevas tecnologías emergentes. Cuando la confianza se sitúa en el corazón del intercambio de conocimiento, se refuerza el trabajo en equipo,se facilitael debate,el aprendizaje y la innovacióny la comunicaciónsehacemás efectiva,(Dodgson,1993).Todoelloredunda en unamejorade las relaciones entre las partes colaboradoras,en este casode la Universidad con la Empresa.
Conclusiones
Varios son los logros ya alcanzados por el laboratorio de DISAMM:
– Las actividades docentes programadas permiten desarrollar en los estudiantes las competencias específicas relacionadas con el diseño avanzado demáquinas: eficacia, diseño seguro,optimización del diseño,trabajopor objetivos y en equipo.
– En combinación con lo anterior, DISAMM hace también posible que los estudiantes sean capaces de trabajar las competencias genéricas o transversales relacionadas con la optimización, eficiencia, reducción de costes,sostenibilidad y respeto al medio ambiente.
– La modularidad de los equipos y actividades de laboratorio permite que puedan ser empleados porestudiantes de diferentes niveles académicos de grado,másterydoctorado. Se aumentaenormemente las ratios de utilización, lo cualredunda enla alta rentabilidad delosequiposempleados.
– El empleo de herramientas TIC conacceso remoto a travésdela web, junto conelcitado concepto de modularidad, hacen posible alcanzar una alta eficiencia en el funcionamiento del laboratorio.Se alcanzan altos ratios de utilización de las herramientas y recursos disponibles en el DISAMM.Estos recursos van dirigidos a estudiantes, profesores y público engeneral, tanto dela ETSIDI, como de la UPM, de otras Universidades, nacionales e internacionales, de empresas, como cualquier ciudadano. Y todo ello seconsigue con unos costes de personal, recursos e infraestructura muy reducidos.
– Para alcanzar los objetivos de eficiencia y sostenibilidad,es fundamental trabajaren un entorno de trabajo realista, de colaboración Universidad-empresa,basadoen la plena confianza, lo cual fomenta la investigación, innovación, generación y transferencia de conocimiento.
No obstante, DISAMM no se conforma con los citados logros. Sigue trabajando en la mejora continua de sus medios y recursos. Por ello, nuevas líneas de trabajo se están poniendo en marcha:
– Adaptación de las herramientas web a nuevas tecnologías de lainformación y comunicación, para alcanzar más capacidad y velocidad.
– Identificación de nuevas tecnologías innovadoras aplicables al diseño de máquinas.
– Innovación docente continuada, para seguir mejorando y optimizando el proceso de enseñanza-aprendizaje.
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