¿Está poniendo mucho énfasis en el peso ligero?

"Un peso ligero" es un tema candente en el diseño mecánico. En pocas palabras, implica usar diferentes herramientas CAD/CAE, como el diseño de elemento finito (FEA) para modelar y simular un diseño; luego eliminar o reducir materiales de forma selectiva, volver a ejecutar la simulación y ver si el diseño es aún estable. El objetivo es minimizar el material, y reducir así el tamaño y el peso, a la vez que se simplifica la producción (ojalá) y se reducen los costos de las materias primas.

En términos más coloquiales, se cortan los objetos con la mayor precisión posible para que podamos obtener la mayor ventaja. En principio, es una gran idea; ya que la reducción de peso y costos son prioridades en prácticamente cada proyecto.

En los "viejos tiempos" antes de contar con estas herramientas poderosas de simulación y modelaje, los diseñadores dejarían o incluso agregarían un pequeño margen adicional de seguridad "por las dudas". Utilizaban una combinación de análisis, juicio y experiencia para decidir dónde se necesitaría ese adicional. En la actualidad, no obstante, hay presión para minimizar el margen porque las herramientas indican que todo va a estar bien.

Pero, ¿estará todo bien? Cada ingeniero sabe que cualquier simulación es solo tan buena como el modelo y cada modelo cuenta con presunciones y simplificaciones integradas. A este punto lo dejó muy claro Tony Abbey, un experto e instructor de FEA, en un artículo reciente sobre Ingeniería digital, "FEA Demos and Benchmarks" (demostraciones y referencias de FEA).

El Sr. Abbey ofrece ejemplos específicos en los que algunos arreglos estándares, que se utilizan mucho en diferentes configuraciones FEA, simplifican "pequeños aspectos" para facilitar su construcción y análisis; e incluso al hacerlo tendrá un gran impacto en la validez del análisis.

Por supuesto, no solo es el diseño mecánico que es propenso a esta deficiencia; los diseños electrónicos comparten algunos de los mismos problemas; solo menos dramáticos que una unión, un soporte o un miembro defectuoso. Incluso si el modelo incluye de alguna manera fidedigna los problemas parasitarios; ¿cómo se les asigna valor? ¿Estos valores cambian con el tiempo y la temperatura? ¿Cuál es la variación del valor nominal debido los materiales y variaciones de fabricación normales? Incluso si se cuenta con la simulación Monte Carlo correctamente diseñada del diseño, es casi imposible ejecutarla en todas las variaciones posibles.

Figura 1: La inevitable disipación de una resistencia provocará el aumento de su temperatura, lo que provoca que su resistencia real se desvíe del valor nominal; el gráfico muestra el rápido aumento de la temperatura a medida que la disipación de la resistencia se acerca a su nivel de potencia nominal. (Fuente de la imagen: TT Electronics)

La validez de los modelos no es solo un problema de RF, sino también de CC. Considere la resistencia ubicua de detección de corriente, que normalmente está en el rango de los miliohmios. En principio, esto se puede realizar utilizando un trozo corto de cable de cobre. Si bien esto funcionará, no lo hará bien por mucho tiempo debido al autocalentamiento y al cambio resultante en la resistencia del cobre. El cobre básico tiene un coeficiente de resistencia a la temperatura (TCR) de aproximadamente 4000 ppm/°C, por lo que una resistencia de 1 miliohmio (mΩ) que experimente un modesto aumento de 50°C pronto será una unidad de 1.2 mΩ: un cambio del 20% (Figura 1).

Un diseño que se valida únicamente en función del rendimiento electrónico, sin tener en cuenta los efectos térmicos, será marginal en el mejor de los casos. Cuando existen herramientas multifísicas como Comsol que permiten la vinculación y el modelado cruzado de análisis electrónicos, magnéticos, térmicos y mecánicos, incluso es necesario conocer estas correlaciones.

Es por eso que los proveedores de componentes especiales como Vishay Dale ofrecen resistencias especiales de bajo TCR, basadas en materiales y procesos complejos. Por ejemplo, su serie WSBS8518 de resistencias de cinta metálica de potencia tiene un TCR entre ±110 y ±200 ppm/°C (según el valor de resistencia nominal), mientras que su serie WSLP es aún mejor con un TCR tan bajo como ±75 ppm/°C. También existen resistencias altamente especializadas con TCR de un solo dígito de otras fuentes, destinadas a aplicaciones de metrología de alta gama.

Por lo general, un poco de humildad del diseñador es algo bueno. A menos que usted realmente sepa que su modelado es lo suficientemente bueno, agregue un poco más de margen a su diseño. Si el cálculo de la disipación dice que se necesita una resistencia de 0.22 vatios, tal vez debería optar por una unidad de ½ vatios en lugar de una de ¼ vatios. Los diseñadores en los días previos y tempranos de modelado sabían que no lo sabían todo, así que rutinariamente agregaban márgenes sustanciales para el rendimiento y la seguridad en lugar de optar por el aligeramiento extremo.

Las poderosas herramientas y modelos actuales pueden llevar fácilmente a la arrogancia del diseñador, pensando y actuando como si supiéramos mucho más de lo que sabemos. Siendo realistas, evaluar su nivel de confianza en el modelo y la simulación, y luego tenerlo en cuenta en el diseño y la lista de materiales, puede ser un movimiento muy inteligente.

Información sobre el autor

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Bill Schweber es un ingeniero electrónico que ha escrito tres libros sobre sistemas de comunicaciones electrónicas, así como cientos de artículos técnicos, columnas de opinión y características del producto. Anteriormente, se desempeñó como administrador técnico de sitios web para diferentes sitios de temas específicos de EE Times, así como editor ejecutivo y editor analógico en EDN.

En Analog Devices, Inc. (un proveedor líder de circuitos integrados analógicos y de señales mixtas), Bill trabajó en comunicaciones de mercadeo (relaciones públicas); como consecuencia, ha estado en ambos lados de la función técnica de relaciones públicas, ha presentado productos, historias y mensajes de la compañía a los medios y también ha sido destinatario de estos.

Antes de ocupar el puesto de MarCom en Analog, Bill fue editor asociado de su respetada revista técnica y también trabajó en sus grupos de mercadeo de productos e ingeniería de aplicaciones. Antes de dichas funciones, Bill trabajó en Instron Corp., donde realizaba prácticas de diseño analógico y de circuitos de alimentación e integración de sistemas para los controles de máquinas de prueba de materiales.

Tiene una maestría en Ciencias en Ingeniería Eléctrica (MSEE) (Universidad de Massachusetts) y una licenciatura en Ingeniería Eléctrica (BSEE) (Universidad de Columbia), es un ingeniero profesional registrado y posee una licencia de radio para aficionados de clase avanzada. Además, Bill planificó, escribió y presentó cursos en línea sobre una variedad de temas de ingeniería, incluidos los conceptos básicos de MOSFET, la selección de ADC y los LED de conducción.

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