Aunque la calidad es un concepto complejo y multifacético, los modelos CAD paramétricos de alta calidad en el contexto del diseño de ingeniería pueden definirse brevemente como modelos 3D que carecen de errores geométricos y topológicos, pueden modificarse sin provocar errores de regeneración que puedan obstaculizar su reutilización y transmiten adecuadamente la intención de diseño. El costo financiero de los modelos de baja calidad es significativo. Múltiples evidencias muestran que aunque la mayoría de las empresas reconocen el problema [BRC14], no pueden determinar su alcance o medir con precisión el impacto en otros procesos comerciales. En muchos casos, las empresas asumen que existen ineficiencias inherentes en los procesos que involucran modelos virtuales, y aceptan a regañadientes los costos asociados. Además, las empresas suelen ser reacias a discutir abiertamente la prevalencia de modelos de baja calidad en sus organizaciones, ya que requeriría admitir prácticas comerciales ineficientes. Curiosamente, el problema de la calidad paramétrica del CAD ha recibido poca atención por parte de la comunidad investigadora.
La razón de esta baja calidad de modelos es el resultado de varias situaciones. La educación y formación, tanto en la universidad como en las empresas que proporcionan formación técnica o proveedores de software CAD, suelen centrarse en aprender la funcionalidad del paquete de software. Sin embargo, conocer la funcionalidad no es suficiente para generar buenos modelos CAD. El conocimiento estratégico de la herramienta CAD es clave para obtener modelos que puedan ser editados y reutilizados en el futuro [*CCO15]. Algunas grandes empresas abordan estos problemas desarrollando pautas o estándares de modelado que guían a diseñadores e ingenieros en sus tareas de modelado. Este tipo de documentos no están disponibles públicamente y, por lo tanto, su eficacia y eficiencia no han sido demostradas. En el dominio público, hay muy pocos ejemplos de metodologías de modelado formales. Los pocos que existen se centran en el modelado sólido, como el modelado horizontal protegido por patente [LK04], el modelado resiliente [Ger22] (accesible a través de un sitio web de pago) o el modelado basado en referencias explícitas [BRC14] descrito en un artículo.
El proceso de modelado paramétrico
En un proceso típico de modelado paramétrico basado en características, la geometría se construye combinando gradualmente una serie de características en una secuencia específica (comúnmente gestionada a través de un árbol de modelo). Estas características están controladas por parámetros (ya que se construyen mediante la parametrización de perfiles) y se organizan en relaciones de padre-hijo (porque están vinculadas entre sí mediante referencias directas o a través de ejes de referencia; cuando se cambia una característica padre, sus características hijas se actualizan en consecuencia [BLV20], [SM95]). Desde el punto de vista del diseñador, durante el proceso de modelado se deben tomar muchas decisiones, ya que se pueden utilizar virtualmente un número ilimitado de estrategias para construir la geometría. La robustez y flexibilidad del modelo dependen en gran medida de cómo están conectadas y organizadas internamente las características y ejes de referencia. A medida que un modelo paramétrico se vuelve más complejo, también aumentan las dependencias entre padre e hijo y su grado de interconexión, lo que hace que el modelo sea más difícil de mantener y las modificaciones de geometría subsiguientes sean difíciles de predecir y ejecutar [*AJA21], [*AJC22]. Se presenta un ejemplo que ilustra estos conceptos en la siguiente figura.
La noción de que el modelado paramétrico permite a los usuarios incorporar algún tipo de "inteligencia" en sus modelos se refiere a la capacidad de la geometría para representar inherentemente la intención de diseño dentro de su estructura, de modo que pueda adaptarse a los cambios fácil y eficazmente [*OCC18]. Las prácticas de modelado deficiente y la gestión de dependencias suelen dar como resultado modelos que son difíciles de modificar y requieren una considerable cantidad de retrabajo [LPG18], [OST20] (por ejemplo, la estrategia B en la Figura 3). Se han propuesto algunas metodologías de modelado formal para mitigar los problemas mencionados anteriormente, especialmente el modelado horizontal [LK04], el modelado de referencias explícitas [BRC14] y el modelado resiliente [Geb22]. Aunque hemos probado y confirmado que algunas de estas metodologías tienen un impacto positivo [*CCC16], todavía hay un amplio margen para mejorar. En nuestra opinión, los métodos desarrollados hasta ahora (como [Her21], o [Geb22]) son contribuciones destacables, pero aún enfoques incompletos. Por lo tanto, es necesario un método que contemple los diferentes aspectos de la calidad de los modelos CAD.
Niveles de calidad
En nuestra investigación anterior, afirmamos que la calidad del CAD es un constructo complejo y multidimensional. De hecho, definimos las seis dimensiones principales de la calidad del CAD como validez, completitud, consistencia, concisión, claridad y la capacidad para transmitir la intención de diseño [*CCO15]. En este proyecto, abogamos por agrupar estas dimensiones en tres niveles principales para medir si los modelos CAD son (1) utilizables, (2) reutilizables y (3) semánticamente ricos. Los modelos que son utilizables deberían clasificarse como "aceptables", los modelos que también son reutilizables como "buenos" y los modelos que, además de ser utilizables y reutilizables, son semánticamente ricos como "excelentes". Estos tres niveles formarán el esqueleto de nuestra metodología formal.
En nuestra opinión, la usabilidad abarca la validez y la completitud, las características de reutilización incluyen la consistencia y la concisión, y un modelo semánticamente rico implica claridad y la capacidad de transmitir la intención de diseño [*CCJ14]. Los verificadores de calidad actuales para modelos CAD apenas evalúan la validez de los modelos. Los sistemas comerciales disponibles de Prueba de Calidad del Modelo (MQT, por sus siglas en inglés) solo proporcionan mecanismos automáticos para identificar los errores geométricos y topológicos descritos por estándares como VDA 4955 y SASIG PQD 2.1. Sin embargo, aspectos relacionados con la verificación y la implementación efectiva de la intención de diseño, así como la medición de la capacidad de los modelos 3D para ser reutilizados, adaptados y modificados, no están respaldados [*GCC17].
Muchos estudios académicos fomentan la consistencia en los modelos CAD [*GPP21]. Sin embargo, un estudio reciente demostró que la consistencia del esbozo en los modelos CAD procedurales (un aspecto de la dimensión de consistencia más amplia que resulta de la mejor práctica en CAD que fomenta los esbozos completamente restringidos) es muy inusual. Solo un 2,5% de los esbozos analizados en 2 millones de modelos creados con PTC Onshape durante el período de 2015 a 2020 estaban completamente restringidos [SOZ20]. También existen estudios sobre concisión y claridad dirigidos a garantizar la reutilización en los modelos CAD [*AJA21] [NEN21] [Her21] [Geb22]. Sin embargo, estas dimensiones de calidad del CAD han recibido comparativamente menos atención de la industria. Excepto por el trabajo realizado anteriormente por nuestro grupo, no hay referencias previas para analizar el impacto de las metodologías de modelado desde el punto de vista de la calidad.
Finalmente, existe una actividad de investigación reciente en torno a considerar cómo los modelos CAD transmiten la intención de diseño [RM21] [RMC18] [RMZ17] [KA21] [MOR16] [*OCC18] [*CNC20]. Algunos autores centran su atención en las diferencias entre el conocimiento declarativo, procedimental y estratégico [DTS12] [DSD20] [GGM19], que resuenan con los niveles que miden si los modelos CAD son utilizables, reutilizables y semánticamente ricos.
La adecuación de las características y el propósito de la modalidad seleccionada
Nuestra propuesta tiene como objetivo generar sinergias entre tres instituciones diferentes, la Universitat Politècnica de València (UPV), la Universitat Jaume I (UJI) y Mondragon Unibertsitatea (MU), que comparten una visión centrada en la calidad en torno a la tecnología CAD. La historia de colaboración en este campo entre la UPV y la UJI se remonta a más de 20 años, con la publicación del artículo más citado en todo el mundo sobre el tema de la calidad de los datos de productos [*CPV02]. Desde entonces, se ha mantenido una actividad constante en este campo, a la que se unió desde 2021 la colaboración con Mondragon Unibertsitatea, que ya ha dado sus primeros frutos [*AJA21], [*AJC22]. El proyecto CAD-Q servirá para reforzar este esquema de cooperación científica que ha sido exitoso hasta la fecha y para potenciar la internacionalización del grupo a través de su relación con la Universidad de Purdue, que comenzó en 2019.
La propuesta combina la generación de nuevo conocimiento científico y su aplicación para resolver un problema importante en todos aquellos sectores industriales que utilizan herramientas CAD paramétricas para la definición geométrica de sus productos. La colaboración con las empresas que han expresado su interés en los resultados del proyecto permitirá, durante su ejecución, una primera transferencia de resultados. El ambicioso plan de difusión a llevar a cabo pondrá los resultados del proyecto a disposición de los sectores industriales mencionados anteriormente.
Justificación y contribución esperada del proyecto para resolver problemas específicos vinculados a la prioridad temática seleccionada
El proyecto propuesto CAD-Q está alineado con la prioridad temática "Mundo digital, industria, espacio y defensa" del Plan Estatal de Investigación Científica, Técnica e Innovación 2021-2023, que se despliega en cuatro ejes principales: (1) transformación digital e inteligencia artificial, (2) transición industrial, (3) I+D e innovación en el espacio, y (4) I+D e innovación en el sector de la defensa.
En el contexto de la Industria 4.0, la digitalización de las cadenas de valor industriales aumentará la eficiencia y flexibilidad en los procesos de producción, reducirá los costos y al mismo tiempo aumentará la calidad. En este contexto, el proyecto CAD-Q es de particular relevancia porque las principales empresas manufactureras organizan sus actividades en función de la representación digital del producto. En estos escenarios, los modelos CAD se convierten en la fuente de verdad y en los elementos principales que respaldan las actividades de diseño, análisis y fabricación.
Dado que los modelos CAD en 3D son los elementos fundamentales que respaldan el proceso de diseño de la mayoría de los productos, desde los más complejos e innovadores, como los desarrollados por las industrias automotriz y ferroviaria, con una fuerte presencia en España, hasta los más tradicionales, como electrodomésticos, muebles y juguetes, no hay duda de que los resultados del proyecto propuesto pueden tener un impacto positivo en la economía. El impacto será presumiblemente mayor en las pequeñas y medianas empresas, que, debido a su tamaño, generalmente no pueden asignar recursos para el desarrollo de metodologías internas para trabajar con herramientas CAD como pueden hacerlo las organizaciones más grandes.
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