Autor: Felipe Henao
Con los constantes avances en la computación y los software de ingeniería, la simulación computarizada comienza a verse no como una alternativa elegante al prototipado físico sino como una necesidad en los flujos de trabajo de los equipos de diseño. Aunque la simulación no se plantea como un reemplazo de las pruebas físicas, sí que permite a los diseñadores y equipos de trabajo probar sus opciones de diseño antes de invertir en un costoso prototipo. A continuación, repasaremos los pasos necesarios para determinar el software de simulación adecuado y si vale la pena implementarlo.
1. Listar los requerimientos
Definir bien los requerimientos en palabras simples nos permitirá acotar y evaluar con mejor criterio el amplio abanico de opciones que tenemos en el mercado. Por ejemplo, algunas personas optan por decir “necesito adquirir un software de análisis de elementos finitos”, lo cual es sumamente amplio y puede llevar a evaluar gran cantidad de herramientas que no cumplen y otras sobrecalificadas. En cambio, al reducirlo a “requiero evaluar la resistencia mecánica a compresión de una nueva pieza que estoy desarrollando”, podríamos incluso darnos cuenta de que tal vez nuestro software CAD ya incluye las capacidades necesarias para realizar dicha tarea y que tal vez, por ahora, no necesitamos un software de análisis por elementos finitos aparte.
2. Escoger las áreas de simulación
Una vez definido el requerimiento, es fácil elegir las familias de simulación (simulación estructural, de fluidos, eléctrica, electromagnética, de inyección de material, entre otros). Por ejemplo, si queremos evaluar la capacidad de un diseño de dron para volar, requeriremos una simulación CFD (Dinámica de fluidos computacional), pero si además requerimos evaluar la rigidez estructural del dron, o su comportamiento bajo ciertas frecuencias, tendremos que hacer un análisis estructural también. Esto es importante ya que usualmente las soluciones CFD no incluyen análisis estructural y viceversa, ni tampoco hay software todo en uno que permitan hacer todos los análisis para cierto producto (como un software de simulación específico para drones que evalúe estos parámetros).
3. Flujo de trabajo
En el caso tratado anteriormente ¿requiero entonces dos software de simulación? No necesariamente. Al hacer un mapa del flujo de trabajo deseado, podremos encontrarnos con que la simulación CFD se hará diariamente, pero el análisis estructural solo en las fases finales del proyecto, con lo cual, podría evaluarse subcontratar la simulación estructural del dron.
Al ser conscientes del flujo de trabajo con las herramientas de simulación, nos damos cuenta también la interacción con las demás herramientas y equipos de trabajo. Por ejemplo, cabe preguntarse si constantemente habrán cambios de diseño que influyan en la simulación. En caso afirmativo, podría ser bueno considerar aquellos software de simulación que se integran directamente con los software CAD, para evitar la tediosa tarea de exportar un diseño al software de simulación cada vez que hay un pequeño cambio en el diseño. De igual manera, es importante tener en cuenta la presentación de los resultados, ya que algunas herramientas permiten compartir los resultados de la simulación sin necesidad de exportar ni que las otras personas cuenten con la misma herramienta instalada (por ejemplo, a través de un enlace).
4. Habilidades requeridas y soporte
Siguiendo el flujo de trabajo propuesto, deberemos tener en cuenta también el personal de trabajo requerido. Para la herramienta que quiero implementar ¿cuento con un estudiante, un diseñador, un ingeniero o un especialista? Esto no siempre depende de los requerimientos definidos, sino también de la propia herramienta. Algunas personas saben correr análisis en determinada herramienta, lo cual puede ser un motivo de peso para optar por dicha herramienta; sin embargo, gracias a la facilidad de uso y el soporte que el software tenga en la región, podría considerarse optar por otra herramienta y formular un cronograma de aprendizaje. Aunque el tener que entrenar a un equipo puede ser un factor disuasivo para muchas empresas, las bondades y beneficios de la herramienta escogida pueden justificar el entrenamiento adicional. Por esta razón, también es importante evaluar la facilidad de uso del software y su interfaz. Aunque la teoría detrás del análisis computacional permanece en términos generales constante, una interfaz desordenada y poco amigable con los usuarios puede inducir errores, retrabajos, retrasos e ineficiencias en los equipos, ya sea en personal nuevo o experimentado.
5. Requerimientos de sistema
Usualmente, los software de simulación requieren de potentes máquinas para funcionar adecuadamente. Además de la inversión en el propio software, la adquisición o alquiler de la máquina, en caso de que no se tenga, puede suponer una inversión considerable. Afortunadamente, algunos software de simulación son ejecutables desde la nube (sin apenas consumir recursos del equipo propio), se apoyan parcialmente en la nube, o se puede alquilar máquinas virtuales por horas para correr simulaciones puntuales. Similar al caso del personal entrenado requerido, contar con un sistema que pueda correr el software es fundamental, y la decisión que se tome, ya sea adquirir una máquina o alquilarla, puede suponer un punto de inflexión entre proseguir con el flujo de trabajo propuesto anteriormente u optar por otras opciones para la validación de los diseños.
6. Modalidad del licenciamiento
Por último, pero no menos importante, se debe determinar en como licenciar la herramienta que se desea. Hay opciones que permiten la adquisición de la licencia (software perpetuos), mientras que otros se manejan en modalidad en renta. La modalidad perpetua supone un alto costo de entrada y usualmente, un desembolso periódico para mantener la herramienta actualizada a la última versión. Las licencias en renta representan un costo periódico menor, pero el servicio cesa una vez se deja de pagar la suscripción. De acuerdo con el flujo de trabajo definido, podrían identificarse momentos del año en los que se necesita la simulación y otros donde no. Por ejemplo, si se tienen proyectos semestrales y solo se requiere simular un par de meses al final de cada semestre, a lo mejor sería bueno contar con una alternativa que permita la renta mensual o trimestral en vez de una renta anual o compra de licenciamiento perpetuo.
7. Conclusiones
No siempre habrá una respuesta clara, ni necesariamente seguir los pasos anteriormente descritos en el orden propuesto supondrá un avance significativo en la toma de la decisión, pues a veces se hace necesario iterar; sin embargo, las preguntas ayudan a acotar y definir bien lo que se desea y lo que se requiere definitivamente. Muchas veces es recomendable realizar una tabla comparativa o idealmente, una matriz ponderada, donde se tengan en cuenta aquellos factores importantes específicamente para el caso propio. Por ejemplo, el software A puede ser el más poderoso según los requerimientos, el más fácil de usar y el que parece ser el más adecuado a todas luces, pero si el presupuesto es el factor más importante en la matriz de ponderación, a lo mejor se concluye que optar por el software B, 50% más económico, es la decisión adecuada para la empresa en ese momento.
Con el fin de consolidar los pasos anteriores, veamos un par de ejemplos:
CASO: Incursión en la simulación
- Requerimientos: “En mi empresa fabrico autopartes, requiero evaluar a tensión un nuevo diseño de pieza”
- Área: Se evidencia que se requiere una simulación estructural, un análisis te tensión común y corriente.
- Flujo de trabajo: Diseño constante de prototipos y piezas nuevas en SOLIDWORKS. Las piezas, usualmente están sometidas a tensión, por lo cual, finalizando la fase de diseño se requiere validar su resistencia a tensión. El mismo diseñador es quien realizaría y validaría la simulación.
- Habilidades y soporte: La evaluación de estos casos son relativamente sencillos para cualquier técnico, ingeniero o estudiante de disciplinas afines. En este caso, el diseñador podrá realizar la simulación y concluir adecuadamente gracias a su conocimiento y al soporte de SOLIDWORKS en la región (y a nivel mundial).
- Requerimientos del sistema: Al no tratarse de una simulación exhaustiva, se realizarán pruebas con el mismo equipo con el que cuenta el diseñador.
- Modalidad de licenciamiento: Al requerir trabajos constantes, sería beneficioso contar con renta anual o software perpetuo.
- Conclusiones: Como se mencionó anteriormente, la mayoría de software CAD incluyen capacidades de simulación básicas. En el caso de SOLIDWORKS, en sus versiones Standard y Professional, se cuenta con Simulation Xpress, que permite hacer análisis estructurales a piezas. En vista de que es fácil de utilizar, ya viene embebido en el programa que utiliza el diseñador, se cuenta con los conocimientos y el soporte adecuado, no se requiere un equipo de cómputo adicional y la herramienta no supone un coste extra, se concluye que las validaciones de las piezas en el requerimiento planteado se tratarán con Simulation Xpress de SOLIDWORKS.
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CASO: simulación avanzada
- Requerimientos: Los posibles diseños deben validarse previo a las pruebas físicas. Deberán hacerse pruebas de impacto considerando el líquido dentro de la botella.
- Contexto: Multinacional de productos cosméticos. Se requiere rediseñar una botella de shampoo para reducir costos en material y producción.
- Área: En este caso, el equipo se enfocará en la simulación estructural, más específicamente, se tratará de una simulación no lineal dinámica explícita. También podrían realizarse simulaciones de fatiga en la tapa si se quisiera, o soplado e inyección de plástico para la producción de la botella, pero esto le corresponde a otro departamento de la compañía.
- Flujo de trabajo: Se conformará un equipo compuesto por un diseñador y un especialista en simulación estructural, el avance y los resultados deberán compartirse constantemente con las directivas del departamento. Anteriormente no se habían realizado simulaciones de este tipo en la empresa, a modo de proyecto piloto se tendrán 6 meses para concluir sobre la integración del diseño con la simulación previo al prototipado.
- Habilidades y soporte: El equipo de trabajo lleva varios años trabajando con las herramientas de diseño Autodesk (Inventor específicamente) y el especialista en simulación ha trabajado diversas soluciones populares. Están abiertos a considerar otras opciones fuera del portafolio Autodesk o las herramientas que conoce el especialista, siempre y cuando cuenten con una interfaz moderna, sean fáciles usar y, sobre todo, que cuenten con buen soporte en la región (LATAM), con distribuidores oficiales cerca, ya que pueden requerirse también entrenamientos.
- Requerimientos de sistema: Aunque la multinacional cuenta con un buen presupuesto para adquirir las máquinas adecuadas, es deseable contar con alternativas que permitan computación en la nube para no sobrecargar los equipos de cómputo y realizar las simulaciones más rápidamente.
- Modalidad de licenciamiento: Tratándose de un proyecto piloto inicialmente, es deseable que el software no sea perpetuo y que permita la renta por periodos menores a 12 meses.
- Conclusiones: Si bien el especialista en simulación contaba con experiencia en poderosas herramientas de simulación como Ansys, se optó por una solución del portafolio SIMULIA de Dassault Systèmes llamada Structural Mechanics Engineer (abreviado como SSU) por las siguientes razones:
- Cumple a cabalidad con las capacidades para simular casos no lineales dinámicos explícitos. De hecho, este software hace uso del potente y reconocido solver Abaqus.
- El diseñador utiliza Autodesk Inventor, pero requiere compartir constantemente sus diseños con el especialista en simulación. A través de la herramienta llamada Collaborative Designer for Inventor (del portafolio Dassault Systèmes también), el diseñador puede subir y mantener actualizados sus diseños en la nube en un sistema PLM/PDM llamado 3DEXPERIENCE, a la cual viene integrada la herramienta de simulación escogida. De este modo, no hace falta exportar los diseños y versiones para compartirlas al especialista en simulación, corriendo el riesgo de tomar versiones desactualizadas y perdiendo tiempo en tareas sin valor. También, el especialista en simulación puede compartir con las directivas un enlace a los resultados de simulación, sin que estos requieran instalar ningún programa o adquirir una licencia.
- El software hace parte del portafolio de Dassault Systèmes, quienes cuentan con una amplia presencia en la región a través de oficinas establecidas y gran cantidad de distribuidores lo cuales. El soporte y los entrenamientos no serían un inconveniente, aunque cabe mencionar que la herramienta es bastante intuitiva y cuenta con una interfaz agradable y fácil de entender.
- En caso de requerir, la herramienta también permite hacer uso de la computación en la nube para reducir los tiempos de simulación.
- En cuanto a las opciones de licenciamiento, el equipo puede rentar y renovar el software cada 3 meses, o anualmente, lo cual les otorga gran flexibilidad en su uso para la prueba piloto.
Usualmente, empresas como las mencionadas en los dos casos anteriores, terminan renovando y aumentando su portafolio de simulación, ya que reconocen que simular no solo tienen aplicabilidad en el cumplimiento de normativas, sino también en el ahorro de costos, la innovación y la propuesta de valor frente a otras empresas.
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