Diseño modular

El diseño modular , o modularidad en el diseño , es un principio de diseño que subdivide un sistema en partes más pequeñas llamadas módulos (como por ejemplo, plataformas de proceso modulares ), que pueden crearse, modificarse, reemplazarse o intercambiarse de forma independiente con otros módulos o entre diferentes sistemas.

Un diseño modular se caracteriza por la partición funcional en módulos discretos, escalables y reutilizables, el uso riguroso de interfaces modulares bien definidas y la utilización de estándares industriales para dichas interfaces. Esta partición facilita la estandarización y posibilita la variabilidad del producto. ^{[ 1 ]} En este contexto, la modularidad se sitúa a nivel de componente y tiene una única dimensión: la capacidad de encapsulado del componente. Un sistema modular con esta modularidad limitada se conoce generalmente como un sistema de plataforma que utiliza componentes modulares. Ejemplos de ello son las plataformas de automóviles o el puerto USB en las plataformas de ingeniería informática .

En teoría del diseño, esto se distingue de un sistema modular, que posee una modularidad dimensional y grados de libertad superiores. El diseño de un sistema modular no tiene una vida útil definida y exhibe flexibilidad en al menos tres dimensiones. En este sentido, los sistemas modulares son muy poco comunes en el mercado. Los sistemas arquitectónicos Mero son el ejemplo más cercano a un sistema modular en términos de productos físicos disponibles en el mercado. Las plataformas de armas , especialmente en el sector aeroespacial, tienden a ser sistemas modulares, donde la estructura del avión está diseñada para ser actualizada varias veces durante su vida útil, sin necesidad de adquirir un sistema completamente nuevo. La modularidad se define mejor por las dimensiones afectadas o los grados de libertad en forma, costo u operación.

El diseño modular combina inherentemente las ventajas de la producción en masa y la estandarización 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 ajustar la disposición en los ejes x e y. Se introducirían dimensiones adicionales de modularidad al modularizar tanto el panel como sus sistemas auxiliares. En los sistemas modulares, las dimensiones se definen según el parámetro afectado , como la forma, el coste o el ciclo de vida. Los sistemas Mero tienen una modularidad tetradimensional: x, y, z y capacidad de carga estructural. Como se puede observar en cualquier espacio de convenciones moderno, las dos dimensiones adicionales de modularidad de la estructura espacial permiten una flexibilidad mucho mayor en forma y función que la modularidad bidimensional de los sistemas solares. Si la modularidad se define y concibe adecuadamente en la estrategia de diseño, los sistemas modulares pueden generar una ventaja competitiva significativa en el mercado. Un verdadero sistema modular no necesita depender de los ciclos de producción para adaptar su funcionalidad al estado actual del mercado. Los sistemas modulares bien diseñados también ofrecen la ventaja económica de no tener capacidad ociosa, lo que aumenta la tasa de utilización de la capacidad y su efecto en la flexibilidad de costes y precios.

Los automóviles , las computadoras , los sistemas de procesos , los paneles solares , las turbinas eólicas , los ascensores , los muebles , los telares , los sistemas de señalización ferroviaria , las centrales telefónicas , los órganos de tubos , los sintetizadores , los sistemas de distribución de energía eléctrica , las baterías y los 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, ni reemplazar fácilmente el motor de un camión, ni reorganizar una unidad de vivienda modular en una configuración diferente después de unos años, como ocurriría en un sistema modular. Estas características clave hacen que los muebles modulares sean increíblemente versátiles y adaptables. ^{[ 3 ]} Los únicos ejemplos existentes de sistemas modulares en el mercado actual son algunos sistemas de software que han pasado del versionado a un paradigma completamente en red.

Pasos generales sobre cómo los diseñadores abordan el diseño modular: ^{[ 2 ]}

1. Establecer un objetivo
   • Aclarar el objetivo previsto del diseño modular
2. Análisis del sistema y/o del producto
   • Aclarar cuáles son los diferentes sistemas y cómo funcionan los módulos juntos o cómo podrían funcionar juntos.
   • Comprender cómo se pueden agrupar las diferentes partes para mejorar las características y funcionalidades.
3. Definición de la interfaz modular
   • Cómo interactúan los módulos entre sí y cómo se conectan.
4. Prototipado
   • Ofrece una evaluación del producto de forma aplicada.
   • Prueba las funcionalidades y si los módulos funcionan.

Las directrices generales, basadas en una investigación realizada por Georgy Klushin, Clement Fortin y Zeljko Tekic, se fundamentan en la definición de un objetivo estratégico, el establecimiento de una jerarquía , la determinación de los factores clave para la modularización, la aplicación de principios de modularización relevantes y el uso de métricas para respaldar el proceso de desarrollo. La estructura modular de nuevos productos con múltiples aplicaciones utiliza este método para facilitar el diseño y el desarrollo. Con esta guía de diseño modular, se puede iniciar el proceso de desarrollo y se pueden implementar simultáneamente técnicas específicas de diseño modular. ^{[ 7 ]}

Un método importante de modularización es el Despliegue de Funciones Modulares (MFD), definido en un artículo de Fabio Marco Monetti como un método centrado en establecer los elementos estructurales del sistema, que incluyen módulos e interfaces. Sin embargo, la desventaja de este método es que ignora la información sobre cómo se fabricará una pieza o cómo se ensamblarán las diferentes piezas. Esta omisión reduce la calidad del producto y, potencialmente, aumenta el coste de producción. Por ello, el MDF se combina con el método de Diseño para el Ensamblaje (DFA). Este segundo método permite simplificar el ensamblaje mediante la reducción de piezas y la optimización del sistema. La combinación de estos dos métodos requiere una mayor colaboración intersectorial para que puedan implementarse de forma óptima y eficiente. ^{[ 8 ]}

La gestión del ciclo de vida del producto es una estrategia para gestionar de manera eficiente la información sobre un producto (y familias de productos, plataformas, módulos y piezas) durante su ciclo de vida . ^{[ 9 ]} Los investigadores han descrito cómo la integración de un gemelo digital —una representación digital de un producto físico— con el diseño modular puede mejorar la gestión del ciclo de vida del producto. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

Algunos autores observan que el diseño modular ha generado en la industria automotriz un aumento constante de peso a lo largo del tiempo. Trancossi planteó la hipótesis de que el diseño modular puede acoplarse mediante algunos criterios de optimización derivados de la ley constructal . ^{[ 12 ]} De hecho, la ley constructal es modular por su naturaleza y puede aplicarse con resultados interesantes en la ingeniería de sistemas simples. ^{[ 13 ]} Se aplica con un esquema de optimización típico de abajo hacia arriba :

• Un sistema puede dividirse en subsistemas (partes elementales) utilizando modelos de árbol;
• Cualquier sistema complejo puede representarse de forma modular y es posible describir cómo fluyen diferentes magnitudes físicas a través del sistema;
• Analizando las diferentes rutas de flujo es posible identificar los componentes críticos que afectan al rendimiento del sistema;
• Al optimizar esos componentes y sustituirlos por otros de mayor rendimiento, es posible mejorar el desempeño del sistema.

Se ha producido una mejor formulación durante el proyecto MAAT EU FP7. ^{[ 14 ]} Se ha formulado un nuevo método de diseño que acopla la optimización ascendente anterior con un diseño descendente preliminar a nivel de sistema. ^{[ 15 ]} El proceso de diseño en dos etapas se ha motivado al considerar que el diseño constructivo y modular no se refiere a ningún objetivo que deba alcanzarse en el proceso de diseño. Se ha proporcionado una formulación teórica en un artículo de 2015, ^{[ 12 ]} y se ha aplicado con éxito al diseño de una aeronave pequeña, ^{[ 16 ]} el diseño conceptual de una aeronave de pasajeros innovadora, ^{[ 17 ] [ 18 ]} el diseño de un nuevo muro entrópico, ^{[ 19 ]} y un vehículo todoterreno innovador diseñado para la eficiencia energética . ^{[ 20 ]}

• 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.
• Erixon, OG y Ericsson, A., " Control de variantes de diseño " EE. UU.: Society of Manufacturing Engineers 1999ISBN 0-87263-514-7^{[ enlace eliminado ]}
• Clark, KB y Baldwin, CY, « Reglas de diseño. 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
• 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" Archivado el 19/07/2019 en Wayback Machine , una entrevista