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Integrando las Herramientas Computacionales al curso de diseño de piezas plásticas María Virginia Candal [email protected] Universidad Simón Bolívar Venezuela Resumen El objetivo de la presente experiencia, no sólo es brindar a los estudiantes la oportunidad de conocer un programa modelador de sólidos tridimensional, sino enseñarles que el manejo de esta herramienta combinado con conocimientos teóricos sobre materiales plásticos, procesamiento, mercadeo, costos y diseño, les permitirá el desarrollo de la técnica de la ingeniería concurrente aplicada a la manufactura de una pieza plástica. Al final de la asignatura se le exige al alumno la entrega de un proyecto basado en su inventiva personal sobre la fabricación de una pieza, ya sea para cambiar su material original de manufactura haciendo las consideraciones pertinentes para fabricarla en plástico o simplemente se permite la optimización de un producto plástico para lograr su mejor desempeño. Palabras clave: educación, diseño asistido por computadora, nuevos productos.

Abstract The objective of the present experience is to offer the students the opportunity of knowing a threedimensional solid modeler software, as well as teaching them that the handle of this tool combined with theoretical knowledge of plastic materials, manufacturing, marketing, costs and design, will allow them the development of the concurrent engineering technique applied to the plastic pieces manufacture. At the end of the subject matter the students should submit a project based on their personnel inventive about the piece production, to change their original manufacture material making the pertinent considerations to produce it in plastic or the optimization of a plastic product for obtaining its best acting performance. Keywords: education, computer assisted design, new products.

Introducción La revisión del programa de la asignatura Diseño de piezas plásticas y la inclusión de un tema relacionado con el empleo de herramientas computacionales se plantea debido a la necesaria actualización de los conocimientos a impartir a los estudiantes adaptados a las exigencias de la empresa y del mundo de hoy. Para estar al día con las necesidades del país es necesario que también las universidades mantengan una continua revisión y actualización de los pensu de los programas de las diversas carreras que ofrecen, con el propósito de satisfacer las necesidades del mercado con relación a la formación que deben recibir sus egresados. Esto es particularmente cierto en el caso de la Universidad Simón Bolívar (USB), dado su carácter experimental y muy especialmente se debe considerar la carrera de Ingeniería de Materiales opción Polímeros

porque, a nivel del continente americano, es esta universidad la única en ofrecer esta carrera a nivel de pregrado e incluso a nivel mundial existen muy pocas opciones. Actualmente en las empresas se observa que el nivel de educación superior relacionado con esta área ha venido creciendo día a día, por la presencia de ingenieros especializados que han recibido su formación en la USB. Pero con relación al personal técnico aún no se puede decir lo mismo dado que la insuficiencia de técnicos en este sector industrial ha venido siendo cubierta por personas sin experiencia que han aprendido sobre la marcha. Pero éste no ha sido el factor que más ha afectado a la situación actual de la empresas del sector plástico. La falta de programas que simulen los procesos, faciliten la producción y permitan obtener productos de mayor calidad y eliminar la gran cantidad de desperdicios por pruebas ha sido un factor que ha afectado el desarrollo rápido de nuevos e innovadores productos, imposibilitando la competencia con empresas extranjeras. Estas herramientas de diseño y simulación necesarias son de alto costo, y actualmente los dueños de las empresas no desean arriesgar capital hasta que la situación del país no se estabilice. Hoy en día, dentro de cualquier empresa, el diseño ocupa un lugar importante como herramienta en la gestión de los procesos industriales y de comunicación. Una gran parte de la labor estratégica, técnica y de organización de los distintos agentes que participan en una organización confluye, finalmente, en la creación y visualización de productos y servicios. Con la incorporación de asignaturas como ésta se busca preparar mejor a los estudiantes para que descubran su nivel de creatividad e innovación, y por otro lado que comiencen a poner en práctica todos los conocimientos obtenidos en otras materias conjugados con los adquiridos en ésta, de forma tal de organizar procesos de diseño tanto en papel como en la computadora. De esta manera, al salir a la calle se podrían enfrentar a cualquier problema de diseño y resolverlo con certeza. La innovación es esencial en toda empresa porque los clientes buscan productos mejorados que logren satisfacer plenamente sus deseos y necesidades o solucionen sus problemas. La única garantía de triunfar que tiene la empresa, es precisamente dar respuestas adecuadas y oportunas a estas necesidades y deseos. Para ello se debe orientar su quehacer hacia los consumidores y hacia el mercado mismo. Pero sin embargo, esto trae como consecuencia un riesgo ineludible para toda organización, tanto a nivel tecnológico como financiero y de mercadeo, siendo notoriamente alta la tasa de fracasos en los nuevos productos. Por eso es de suma importancia estudiar el problema y los procedimientos que pueden disminuir el fracaso y por el contrario, aumentar considerablemente las posibilidades de éxito en esta tarea (Schmarch, 1998).

Diseño de Producto: diseñar es un proceso mediante el cual se transforman los recursos existentes en sistemas o productos para la satisfacción de necesidades de cualquier índole; entendiéndose como recursos no solamente los materiales utilizados sino también, entre otros, las máquinas y equipos existentes, el tiempo disponible para el diseño, el dinero con que se cuenta y los conocimientos tecnológicos. Todos estos recursos son finitos y su posibilidad de ejecución varía en cada situación, por lo que se deben tratar de aprovechar en forma óptima (Milani, 1997). Diseño de Piezas Plásticas: en la actualidad, los plásticos son materiales bien definidos, con personalidad propia, habiendo dejado de lado el concepto de materiales baratos sustitutivos de otros de mayor calidad. El empleo de los plásticos continuará, sin ninguna duda, creciendo debido a sus ya bien establecidas aplicaciones y a los futuros desarrollos en nuevos usos. Este crecimiento tendrá lugar fundamentalmente en los polímeros ya existentes o en modificaciones de los mismos. Estas modificaciones seguirán generando nuevos materiales con características sobresalientes en ciertas propiedades (eléctricas y mecánicas), pero que debido a su alto costo serán limitados al campo de la aviación y de los equipos aeroespaciales (Brydson, 1977). Hoy en día, los polímeros han sustituido en numerosas aplicaciones a otros materiales como los metales, el vidrio, las cerámicas y la madera. Esto es debido a que poseen un rango de propiedades sumamente extenso, lo cual los hace adaptables a una gran variedad de usos. Pero esta característica particular que los diferencia notablemente del resto de los materiales, genera la necesidad de utilizar un proceso de diseño diferente para hacer piezas plásticas. Aspectos como el método de procesamiento a utilizar, afectan directamente el desempeño final de la pieza, por lo que debe ser considerado a fin de optimizar el diseño del artículo en cuestión (Levy y Dubois, 1977). Desarrollo de Nuevos Productos: el ciclo de vida de muchos productos puede ser tan corto como un año. Pero por el contrario, en otras empresas, el ritmo de innovación es lento. Esta definición de novedad en realidad depende de quien está haciendo la evaluación, si el comprador o el vendedor. Al evaluar cualquier idea de un nuevo producto en cualquier empresa, la gerencia debe tener algún juicio acerca de la forma como el mercado responderá ante ésta. Específicamente, los gerentes deberán determinar las necesidades y preferencias de compra, el tamaño y las posibilidades de crecimiento del mercado y las percepciones del producto en relación con los competidores. Sin embargo, la incertidumbre acerca de la respuesta del mercado podría ser mayor cuando un producto todavía tiene que llegar al mercado. Debido a la probabilidad de fracaso de los nuevos productos, y puesto que las consecuencias del mismo son importantes, la mayor parte de las organizaciones han desarrollado sistemas formalizados para gerenciar el proceso de desarrollo de nuevos productos. Las empresas encargadas de elaborar piezas complejas como artículos eléctricos o mecánicos, desarrollan procesos que incluyen gran cantidad de actividades específicas y revisiones continuas de las mismas. Mientras que en empresas pequeñas y en la mayoría de las organizaciones de servicios intervienen pocos pasos en dicho proceso. Sin embargo, los

principales tipos de actividades que se realizan son similares para todos los casos (Guiltinan y Paul, 1994). Diferentes autores (Guiltinan y Paul, 1994; Stanton, 1980) coinciden en afirmar que las fases para desarrollar un nuevo producto son: (a) generación de ideas; (b) generación del concepto; (c) prueba del concepto; (d) análisis del negocio enfocado al mercado; (e) análisis del negocio enfocado a la factibilidad técnica; (f) análisis del negocio enfocado a la rentabilidad; (g) desarrollo del producto; (h) prueba del producto para medir su ventaja comparativa desde la perspectiva del comprador; (i) prueba de mercado; y (j) lanzamiento del producto. Una herramienta que define bien el desarrollo de productos es la Ingeniería Concurrente (IC). Se define como una técnica sistemática y simultánea utilizada para diseñar productos, servicios y procesos organizacionales. Las ventajas que aporta la IC son la reducción del tiempo en la producción de un producto, la notable minimización en los desperdicios, la reducción de los costos de manufactura y diseño, mayor calidad y menores errores de diseño(Clevelend y Ireland, 2001). Herramientas de Diseño asistido por Computadora (CAD): la sistematización del proceso de diseño y manufactura de artículos plásticos mediante el empleo de herramientas de computación ha facilitado enormemente la larga y tediosa fase del proceso de obtención de una pieza. Con estos programas se puede verificar aspectos relacionados con el ensamblaje y el acabado final de los mismos. Los sistemas CAD son herramientas sofisticadas que un constructor de piezas debe usar para incrementar su productividad. Son relativamente fáciles de usar; un individuo con conocimientos básicos en polímeros, necesita sólo unos pocos meses para aprender a utilizar y aplicar estas herramientas en forma eficiente. Actualmente hay gran cantidad de programas disponibles en el mercado que brindan muchas posibilidades y ventajas tanto para el área de diseño y manufactura como para el área de ingeniería a través de simulación computarizada de diversos procesos (Bernhardt, 1983). El empleado para esta experiencia es el Pro/ENGINEER. Éste es un programa concebido para crear y modificar geometrías en el modelado de artículos que permiten simulaciones funcionales y de manufactura en diseños industriales y mecánicos. Esta herramienta posibilita la creación de prototipos virtuales en las primeras etapas del proceso de diseño, inclusive antes de haber realizado esquemas o aproximaciones físicas del artículo a elaborar. El programa permite el diseño de piezas, la creación de ensamblajes haciendo coincidir y alinear diferentes partes del producto, elaborar planos incluyendo vistas generales, proyecciones auxiliares, detalladas, parciales, despiece y secciones transversales (Parametic Technology Corporation, 2001). Metodología El programa de la asignatura consta de temas como: (a) introducción al diseño: estudio del proceso de creación, diseño y lanzamiento de nuevos productos; (b) consideraciones y detalles de diseño en los métodos de procesamiento de piezas plásticas: compresión, transferencia, inyección, extrusión, soplado, rotomoldeo y termoformado; (c) fundamentos de la resistencia de materiales: tracción, flexión, fuerzas cortantes, torsión, pandeo,

fatiga, creep y cargas combinadas; (d) diseño asistido por computadora; (e) análisis de costos de piezas plásticas; (f) diseño de formas específicas: recipientes de pared delgada, envases soplados y sistemas de tuberías; y (g) análisis y evaluación de piezas plásticas por computadora utilizando los métodos de los elementos finitos, diferencias finitas, elementos de frontera y volúmenes de control. El curso se completa con la realización de dos proyectos: el primero sobre el diseño de una pieza plástica sencilla, generalmente un envase conformado por dos piezas utilizando un programa modelador de sólidos en tres dimensiones para aprender a ensamblar y hacer los respectivos planos de las vistas de la pieza y el segundo proyecto consiste en el diseño de una pieza más compleja con sus respectivos planos de vistas necesarias con el modelador, del cual se basará la presente discusión de resultados. El trabajo consta de las siguientes secciones: (a) concepción del diseño: uso y necesidad del diseño, condiciones de uso, selección inicial del material, selección del proceso de fabricación; (b) análisis de productos similares existentes en el mercado; (c) creación del modelo en tres dimensiones de la pieza y sus vistas utilizando Pro-ENGINEER; (d) análisis de esfuerzos en la pieza diseñada; (e) análisis de costos; (f) innovación de la pieza; (g) mercadeo de la misma y (h) factibilidad de producción nacional. Es importante acotar que para el año 1998, el laboratorio “E” de la USB adquirió el programa modelador de sólidos en tres dimensiones Pro-ENGINEER y en ese mismo año el Departamento de Mecánica adquirió la licencia del paquete Mechanical Desktop. Con estas herramientas computacionales es factible que los estudiantes realicen el diseño de piezas plásticas, visualicen su planos con vistas y cortes necesarios y hagan los ajustes necesarios. Se dispone para las prácticas de dos salas de computación para los estudiantes ubicadas en el Laboratorio “E” con 16 computadoras y en el Departamento de Mecánica con 19 computadoras. Los modelos de las máquinas son Pentium 3 con sus respectivas tarjetas de red que permiten el manejo de la herramienta computacional. Resultados y Discusión de Resultados Se debe comenzar mencionando que el planteamiento didáctico comienza con un extenso curso de tres clases de dos horas cada uno sobre el manejo del programa modelador de sólidos Pro-ENGINEER con las respectivas explicaciones teóricas y 12 ejercicios guiados sobre la realización de extrusiones, roscas, agujeros, bordes redondeados, bordes en ángulo agudo, cortes, revoluciones, etc. Los grupos de estudiantes varían dependiendo del trimestre en el que se dicte la asignatura (dos en el año). Uno siempre posee una cantidad de estudiantes reducida, alrededor de diez, y otro con una cantidad más numerosa alrededor de veinte, por lo que siempre hay alguna computadora compartida entre dos estudiantes, porque no son suficientes para dictar el curso. Siempre hago una pregunta al iniciarlo, quién ha realizado algún curso similar. Sólo en una oportunidad un estudiante sabía manejar el programa Autocad, lo cual le facilitó en gran forma el aprendizaje. Cabe resaltar que existían alumnos mucho más motivados que otros, por lo cual se deben tratar de diferente manera, ya que a unos les cuesta entender el

programa y hay que estar más pendiente de ellos. Otros por el contrario son más creativos y hacen y deshacen ellos solos pero al final tanto para la profesora como para los alumnos es una gran experiencia porque todos aprendemos unos de otros. Es sumamente importante que todos los alumnos aprendan a manejar el programa debido a que en una asignatura posterior (ingeniería de moldes) deben construir en tres dimensiones un molde de inyección o termoformado para algunas piezas. Para ello necesitan emplear el programa Pro-ENGINEER y un simulador del proceso de fabricación que aprenden durante ese curso. Dada la diversidad de materiales, procesos y aplicaciones, el diseño de polímeros exige una mayor experiencia que el diseño con otros materiales. Es por ello que el proyecto que se exige como requisito a los estudiantes en la asignatura de diseño de piezas plásticas consiste básicamente en aplicar todos los conocimientos adquiridos hasta el momento del curso para diseñar una pieza innovadora u optimizada con materiales poliméricos. El trabajo exigido en esta asignatura busca resaltar esta característica de los polímeros. Consta de varias secciones en las que se toma en cuenta parte de los pasos para el diseño de un producto. Estas fases fueron determinadas por González y colaboradores (2003) quienes establecieron una metodología basada en la ingeniería concurrente para el diseño específico de piezas plásticas mediante el empleo de herramientas computacionales de diseño asistido por computadora (CAD), durante el cual se evalúan los aspectos relacionados con la optimización o el desarrollo de un nuevo diseño de una pieza en particular. Estas etapas son las siguientes: (a) concepción del diseño; (b) estudio de mercado; (c) análisis de los diferentes productos existentes en el mercado (similares al planteado) y (d) creación de un modelo de sólidos en tres dimensiones completo de la pieza existente en el mercado y del nuevo diseño utilizando un programa tipo CAD. El resto de las etapas son llevadas a cabo en la asignatura que sigue a continuación de diseño de piezas plásticas que es ingeniería de moldes. Entre los proyectos de mayor interés presentados por los estudiantes se encuentran: - Andadera Plegable Ortopédica: la necesidad del diseño propuesto viene dada por los requerimientos de un equipo más liviano, compacto y fácil de transportar. Se obtuvo, sin embargo, costos levemente mayores al de la fabricada en aluminio. - Carrito de Equipaje: la desventaja principal de estos carros es su dificultad para armarse y desarmarse, además de su relativo alto peso debido al material con el cual están fabricados (aluminio), pero que al ser realizados de polímeros estos problemas son solventados. - Carro-soporte para Labores Mecánicas: se diseñó una pieza plástica portátil, funcional, sencilla y económica que sirviera como base entre el suelo y la persona que va a realizar las labores mecánicas. - Carro Portabandejas: con estos carros se corrigen defectos como: la caída de las bandejas por la presencia de simples soportes; esto es corregido con la construcción de carros en una sola pieza. Se elimina la acumulación de alimentos en los bordes por poseer esquinas con ángulo recto, ya que la nueva pieza propuesta posee bordes redondeados. - Recipiente de Basura para sitios de comida rápida: el producto acabado presenta como principal función la de recolectar la misma cantidad de basura que pueda recogerse con

piezas de otros materiales, sólo que ahora la forma como se retira la bolsa del recipiente no hará necesario ejercer elevados esfuerzos por el hecho de que no serán ascendentemente sino de manera horizontal. - Biblioteca: con el nuevo diseño se busca obtener una pieza de la misma forma pero de menor peso, además de que se previene la posible oxidación, alcanzada fácilmente con los metales o el daño por insectos (polilla) en la madera, además de que puede ser presentada en diversos colores, lo cual podría ser muy conveniente si es para una biblioteca de niños. Además se eliminan las esquinas agudas que tienden a ser un lugar donde cualquier persona podría golpearse o cortarse. En la actual pieza todas las esquinas se encuentran redondeadas y su costo no es elevado. - Base Aérea para Televisor: se propone realizar esta base con un polímero reforzado con fibra de vidrio, de forma tal de sustituir el aluminio o el acero empleado para la fabricación de las existentes en el mercado. En cuanto al precio, se logra con este material obtener bases más económicas incluso que las de aluminio. Su forma es igual al existente en el mercado. - Atril para sostener Partituras o Libros: este diseño presenta como innovación más relevante el empleo de un material polimérico para su elaboración, que le proporciona un menor peso haciendo más fácil su traslado y manejo. Otro punto de importancia es que el costo del atril diseñado es mucho menor que el de los existentes en el mercado manufacturados con acero o aluminio. - Tuerca Universal: la innovación al crear esta pieza de un material como el polióxido de metileno es porque es resistente a altas temperaturas, la cual combinada con excelentes propiedades mecánicas permite un alto desempeño de la pieza en el tiempo para su aplicación que es en las tuberías por las que circula agua caliente del termo de agua. Esta pieza es mucho más liviana que la existente lo cual facilita su manipulación y la construcción del sistema. - Estanque para Tortugas: esta pieza está elaborada completamente de un material polimérico, y su innovación radica en que no existe en el mercado ninguna pieza tan versátil, que sea liviana, práctica y sencilla, a la vez de resistente y rígida. Además permite facilidad de limpieza y transporte porque posee un sistema de filtro de agua y otro de desagüe de la misma. Su precio sería bastante competitivo en el mercado. Una gran satisfacción me queda particularmente al terminar de dictar esta asignatura, ya que los estudiantes comentan su gran aprendizaje y a que gracias a que cada estudiante es un mundo diferente se pueden observar propuestas muy creativas e interesantes durante la elaboración de los proyectos. Es importante resaltar que es en este nivel (cuarto año de carrera) en que los estudiantes llegan a una materia donde aplican todos los conocimientos que han adquirido hasta el momento, especialmente de polímeros (materia = polímeros II), resistencia de materiales (mecánica I y resistencia de materiales I), procesamiento (tecnología del plástico I y II) para poner en práctica su potencial creativo. Además, se preparan para enfrentar los problemas que se le presenten en cualquier empresa relacionada con el diseño de productos plásticos, tanto desde la fase de creación hasta el diseño propiamente dicho y la fabricación. Otro punto importante es que esta asignatura es de las pocas que tiene la carrera de ingeniería de materiales opción polímeros donde el estudiante debe realizar un proyecto en el que pone en práctica la teoría aprendida para construir algo. Según un estudio realizado

por la SECAI (Programa de Evaluación de la Calidad de la Enseñanza de la Ingeniería), desarrollado por Columbus (Agencia de Cooperación de Educación Superior) y la Universidad Politécnica de Madrid (España), en el año 2000 se concluyó que esta carrera era muy teórica que parecía más una licenciatura que una ingeniería, por no proporcionar a los estudiantes materias del tipo práctico parecidas con lo que se van a enfrentar en la calle. Lo que se busca con esta materia, es entonces, fomentar el espíritu creador del estudiante para crear u optimizar productos que podría existir en algún futuro cercano en el mercado. Por lo tanto, más materias de este tipo deberían existir en la carrera para fortalecerla en el área que el estudio SECAI mencionó estaba deficiente. Uno de los problemas que más preocupa a los educadores de nuestros días es el de lograr medios idóneos para establecer hasta qué punto los educandos alcanzan las metas educativas preestablecidas; en otros términos, como llegar a la justa y válida evaluación del aprendizaje. Esta preocupación no es infundada, pues de las fases que intervienen en el proceso de enseñanza-aprendizaje, la evaluación es la más importante, ya que del grado de eficacia con que el maestro la realice depende el éxito o fracaso de dicho proceso, por lo que podemos decir que la evaluación del logro educativo es esencial para una educación eficaz, pues ésta nos va a indicar en que medida los alumnos han alcanzado los objetivos establecidos. Se ha notado que desde que se ha implantado a la asignatura el estudio con el programa modelador, el rendimiento de los alumnos ha mejorado notablemente, ya que se ven mucho mas motivados, por los comentarios continuos que realizan. Esta motivación es del tipo constructiva ya que es el grado en que una persona desea tener éxito. Un estudiante con alta motivación de logro se inclina a trabajar consistentemente en conseguir metas a largo plazo, le preocupa su buen desempeño y se considera a sí mismo como competente (Almaguer, 1999). Conclusiones La utilización de las tecnologías de información se encuentra cada vez más difundida en todos los ámbitos de la vida cotidiana y en especial, en el ambiente educativo. La USB, en particular, dispone en los actuales momentos de las herramientas necesarias para que el empleo de las tecnologías de información sea atractiva tanto para docentes como para estudiantes. Una de las ventajas de emplear las herramientas computacionales en el dictado de asignaturas relacionadas con el diseño de piezas plásticas frente a los métodos tradicionales de realización de las mismas en papel, ha sido ofrecer la posibilidad de mejorar la interacción del alumno con los conocimientos adquiridos durante el curso, su satisfacción personal, así como el mejoramiento de su rendimiento. El empleo del diseño asistido por computadora ha sido una herramienta adicional que ha mejorado la comunicación del estudiante con el docente, lo cual permite estimular al alumnado para que ponga en práctica los conocimientos previamente adquiridos. Además, de que lo enfrentará con casos prácticos previo a su desempeño laboral en la calle.

Una manera de concluir es utilizando lo dicho por Freire (2000), quien menciona que mujeres y hombres, somos los únicos seres que, social e históricamente, llegamos a ser capaces de aprehender. Por esos somos los únicos para quienes aprender es una aventura creadora, algo, por eso mismo, mucho más rico que simplemente repetir la lección dada. Para nosotros aprender es construir, reconstruir, comprobar para cambiar, lo que no se hace con apertura al riesgo y a la aventura del espíritu.

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Schnarch, A. (1998). Nuevo Producto. Creatividad, Innovación y Marketing, 2da. Ed., McGraw Hill Interamericana, Colombia. Stanton, W. (1980). Fundamentos de Mercadotecnica, McGraw Hill, Colombia.