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 los patines de proceso modulares), que pueden crearse, modificarse, reemplazarse o intercambiarse independientemente con otros módulos o entre diferentes sistemas.

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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 de la industria para interfaces. En este contexto, la modularidad se da a nivel de componentes y tiene una única dimensión: la posibilidad de insertar 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 de automóviles o el puerto USB en las plataformas de ingeniería informática .

En teoría de diseño, esto es distinto de un sistema modular, que tiene una mayor modularidad dimensional y grados de libertad. Un diseño de sistema modular no tiene una vida útil definida y exhibe 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 la industria aeroespacial, tienden a ser sistemas modulares, en los que la estructura del avión está diseñada para ser actualizada varias veces durante su vida útil, sin la compra de un sistema completamente nuevo. La modularidad se define mejor por las dimensiones afectadas o los grados de libertad en forma, costo u operación.

La modularidad ofrece ventajas como la reducción de costes (la personalización puede limitarse a una parte del sistema, en lugar de necesitar una revisión de todo el sistema), la interoperabilidad, un menor tiempo de aprendizaje, flexibilidad en el diseño, ampliación o actualización no limitada por generaciones (añadir una nueva solución simplemente conectando un nuevo módulo) y la exclusión. La modularidad en los sistemas de plataforma ofrece ventajas en la recuperación de márgenes a escala, la reducción de los costes de desarrollo de productos, la reducción de los costes de operación y mantenimiento y el tiempo de comercialización. Los sistemas de plataforma han permitido el uso generalizado 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 poco formados en análisis de sistemas y la mayoría de los ingenieros están poco formados 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 productos 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 pueden considerarse 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 mayor de habilidad y sofisticación en el diseño que el sistema de plataformas más común.

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 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 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. ^[1] Los únicos ejemplos existentes de sistemas modulares en el mercado actual son algunos sistemas de software que han dejado de lado el control de versiones para pasar a un paradigma completamente en red.

El diseño modular combina inherentemente las ventajas de la estandarización en 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 x e y. Se introducirían dimensiones adicionales de modularidad haciendo que el propio panel y sus sistemas auxiliares sean modulares. Las dimensiones en los sistemas modulares se definen como el parámetro afectado , como la forma, el coste o el ciclo de vida. Los sistemas Mero tienen una modularidad de 4 dimensiones, x, y, z y capacidad de carga estructural. Como se puede ver en cualquier espacio convencional moderno, las dos dimensiones adicionales de modularidad del marco espacial permiten una flexibilidad mucho mayor en forma y función que la modularidad bidimensional 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 ciclos de productos para adaptar su funcionalidad al estado actual del mercado. Los sistemas modulares diseñados adecuadamente también introducen la ventaja económica de no tener capacidad muerta, lo que aumenta la tasa de utilización de la capacidad y su efecto en la flexibilidad de costos y precios.

Se pueden ver aspectos del diseño modular en automóviles u otros vehículos hasta el punto de 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 con un modelo básico, pagar más permitirá actualizaciones "instaladas" 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.

El diseño modular se puede observar 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 configuraciones. ^[2]

Los edificios modulares pueden ampliarse o reducirse añadiendo o quitando determinados componentes. Esto se puede hacer sin alterar partes más grandes del edificio. Los edificios modulares también pueden sufrir cambios en su funcionalidad utilizando el mismo proceso de añadir o quitar componentes.

Por ejemplo, un edificio de oficinas puede construirse utilizando elementos modulares como paredes, marcos, puertas, techos y ventanas. El interior puede dividirse con más paredes y amueblarse con escritorios, computadoras y todo lo que se necesite para que funcione el espacio de trabajo. Si es necesario ampliar o dividir la oficina 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. Más tarde, esta misma oficina se puede desmontar 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. Luego, el nuevo edificio se puede reamueblar 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. ^[3]

Existen muchos conceptos erróneos sobre los edificios modulares. ^[4] En realidad, la construcción modular es un método de construcción viable para empresas de rápida transformación y crecimiento. Las industrias que se beneficiarían de esto incluyen la atención médica, el comercio, el comercio minorista, el ejército y las viviendas multifamiliares/para estudiantes.

El diseño modular en el hardware de computadoras es el mismo que en otras cosas (por ejemplo, automóviles, refrigeradores y muebles). La idea es construir computadoras con partes fácilmente reemplazables que utilicen interfaces estandarizadas . Esta técnica permite que un usuario actualice 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 suministro de energía , procesadores , placas base , tarjetas gráficas , discos duros y unidades ópticas . Todas estas partes deberían ser fácilmente intercambiables siempre que el usuario utilice partes que admitan la misma interfaz estándar.

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, en el que el usuario puede comprar piezas individuales para reparar o actualizar el teléfono.

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 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 .

Algunas armas de fuego y armamento utilizan un diseño modular para que el mantenimiento y el funcionamiento resulten más sencillos y familiares. Por ejemplo, el fabricante de armas alemán Heckler & Koch produce varias armas que, si bien son de tipos diferentes, son visualmente y, en muchos casos, internamente similares. Se trata del fusil de combate G3 , la ametralladora de uso general HK21 , la metralleta MP5 , los fusiles de asalto HK33 y G41 y el fusil de francotirador PSG1 .

El concepto de diseño modular se ha vuelto popular en exhibiciones para ferias comerciales y exhibiciones promocionales para minoristas . Este tipo de exhibiciones promocionales implican diseños personalizados creativos, pero necesitan una estructura temporal que pueda reutilizarse. Por lo tanto, muchas empresas se están adaptando al estilo modular de diseño de exhibiciones. En este sentido, pueden utilizar sistemas modulares prediseñados que actúan como bloques de construcción para crear un diseño personalizado. Estos pueden luego reconfigurarse para otro diseño y reutilizarse para una exhibición futura. 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.

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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 partes) durante su ciclo de vida . ^[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]}

Algunos autores observan que el diseño modular ha generado en la industria automotriz un aumento constante del peso a lo largo del tiempo. Trancossi adelantó la hipótesis de que el diseño modular puede ser acoplado mediante algunos criterios de optimización derivados de la ley constructal . ^[8] De hecho, la ley constructal es modular por su naturaleza y puede aplicarse con resultados interesantes en sistemas simples de ingeniería. ^[9] Se aplica con un esquema típico de optimización de abajo hacia arriba:

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

Durante el proyecto MAAT EU FP7 se ha producido una mejor formulación. ^[10] Se ha formulado un nuevo método de diseño que combina la optimización ascendente anterior con un diseño descendente preliminar a nivel de sistema. ^[11] El proceso de diseño en dos pasos se ha motivado al considerar que el diseño constructivo y modular no se refiere a ningún objetivo que se deba 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 aeronave pequeña, ^[12] el diseño conceptual de una aeronave de cercanías innovadora, ^{[13] [14]} el diseño de una nueva pared entrópica, ^[15] y un vehículo todoterreno innovador diseñado para la eficiencia energética . ^[16]

• 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., " Control de variantes de diseño ", EE. UU.: Sociedad de ingenieros de fabricación 1999 [2] ISBN 0-87263-514-7 [3] 
• 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 [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" Archivado el 19 de julio de 2019 en Wayback Machine , una entrevista