Los Sistemas CAD/CAM/CAE y su Aplicación para la Formación de Competencias Profesionales en Estudiantes de Ingeniería

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1 Fifth LACCEI International Latin American and Caribbean Conference for Engineering and Technology (LACCEI 2007) Developing Entrepreneurial Engineers for the Sustainable Growth of Latin America and the Caribbean: Education, Innovation, Technology and Practice 29 May 1 June 2007, Tampico, México. Los Sistemas CAD/CAM/CAE y su Aplicación para la Formación Competencias Profesionales en Estudiantes Ingeniería Carlos Arturo Rodríguez Arroyave Universidad EAFIT, Departamento Ingeniería Producción, Mellín, Colombia, carodri@eafit.edu.co RESUMEN Los sistemas diseño, manufactura e Ingeniería Asistidos por Computador juegan un papel importante en el diseño sistemas Ingeniería para la industria en general. Des el sector académico universitario se disponen una serie herramientas, mediante el uso estas tecnologías, que permiten sarrollar en el estudiante una serie competencias que serán la base para el ejercicio su profesión. En este trabajo se fijarán las bases para el sarrollo estas competencias y se expondrá la experiencia l autor en el uso estas herramientas como medio aprendizaje diferentes al uso estas aplicaciones como herramientas molación tridimensional y análisis Ingeniería. Finalmente se expondrán algunas experiencias ya realizadas con el uso estas herramientas, s el uso l sistema comercial Solidworks y su aplicación a cursos Ingeniería. Palabras claves: Molación Tridimensional, Sistemas CAD/CAM/CAE, Solidworks, competencias, Formación en Ingeniería. ABSTRACT The CAD/CAM/CAE systems plays an importat role in the sign Engineering System for the industry. In the acamic area we have a serie of tools, that they permit to velop in the stunt a series of competences that to be the base for the exercise of their profession. In this work the bases for the velopment of these competences will be set and the experience of the author in the use of these tools will be exposed like a learning way, different to your use as tools of three-dimensional moling and as analysis of Engineering. Finally some experiences will be exposed already carried out with the use of these tools, since the use of the commercial system Solidworks and their application to courses of Engineering. Keywords: 3D moling, CAD/CAM/CAE Systems, Skills, Engineering formation. 1. INTRODUCCIÓN La formación competencias en Ingeniería es un tema relativamente nuevo en Latinoamérica, mostrándose Colombia como uno los países innovadores y con un amplia experiencia en su aplicación en el área, aunque ahora por proyectos como TUNING América Latina, se extien vertiginosamente por todos los países l área, el cual ya ha logrado finir competencias específicas para las áreas temáticas Administración Empresas, Educación, Historia y Matemáticas y para algunas carreras profesionales (TUNING, 2005). En Colombia la Asociación Ingenieros Mecánicos y afines ACIEM y el Consejo Profesional Nacional Ingeniería Eléctrica, Mecánica y afines han realizado un estudio nominado Caracterización Profesional Ocho especialidas la Ingeniería, competencias y funciones los profesionales recién egresados (ACIEM, 2005). También ACOFI 7E.5-1

2 y otras Universidas han sarrollado foros, talleres y eventos en el tema formación por competencias para programas Ingeniería (Educación en Ingeniería: Competencias y metodologías, Marzo 2006). (Unians, 2006). Aguilar y Rivera, plantean el diseño un currículo para un programa Ingeniería Electrónica basado en Competencias (Aguilar y otros, 2005), entre otros. El autor ha trabajo en la formación basada por competencias para cursos en Ingeniería como base para el sarrollo cursos interactivos en una plataforma bimodal. (Rodríguez y Ramírez, 2006). Muchas Instituciones Colombianas actualmente alantan reformas curriculares basadas en este enfoque por competencias como el efectuado por la Asociación Ingenieros Industriales la Universidad Antioquia y que se ha tomado como referencia para su reforma curricular. (ASIDUA, 2006), o como el caso la Escuela Ingeniería Antioquia en sus reformas curriculares. (Rodríguez, 2005) o en la Universidad EAFIT los lineamientos dados por EPRODE (European Production Engineer) para la reforma curricular en Ingeniería Producción. (EPRODE, 2005), (Nicolescu y otros, 2005) A nivel internacional en el tema también ha sido amplio bate en la última década, el estudio presentado por Torres y Abud la Universidad Zaragoza, muestra las competencias requeridas para la formación un Ingeniero Industrial s el estudio diferentes organismos internacionales acreditación (Torres y Abud,). En 1999, Mason formuló en la Gran Bretaña, algunas competencias para la formación Ingeniería, (Mason, 1999). También en España, Cano y otros, plantean cuales son los elementos formación para el Ingeniero Producción, con base en los lineamientos l comité principal l IMS (Intelligent Manufacturing Systems), quien ha señalado la necesidad sarrollar un sistema global educación en IMS. (Cano y otros, 2003), o el informe l proyecto EPRODE anteriormente citado, amás muchos estudios no mostrados acá en el tema. Como se observa el tema formación en competencias en Ingeniería es un tema ampliamente batido y controvertido, por lo tanto en este trabajo se mostrará como s los sistemas CAD/CAM/CAE se puen formar muchas las competencias propuestas en muchos estos molos. 2..MARCO TEORICO 2.1 DEFINICIÓN DE COMPETENCIA: El investigador colombiano Ph.D. Sergio Tobón las fine como: Las competencias se refieren a la realización actividas profesionales con eficiencia y eficacia. Se componen un conjunto tareas específicas, así como las habilidas, conocimientos y actitus necesarias para realizarlas con idoneidad ntro l marco un terminado proceso. Las competencias profesionales también se componen los medios para llevarlas a cabo (equipos, herramientas y materiales), y los problemas atípicos que es preciso resolver. (Tobón, 2005). Des el enfoque epistemológico l pensamiento complejo, las competencias son pensadas como procesos que construyen, reconstruyen y afianzan las personas con el fin comprenr, analizar y resolver diferentes tareas y problemas los entornos laborales, con conciencia reflexiva, autonomía y creatividad, buscando el crecimiento la productividad la organización s la propia autorrealización personal, empleando forma racional los recursos ambientales disponibles y teniendo en cuanta la complejidad e incertidumbre la situación (Tobón, 2004, p.4). Y según el Servicio Nacional Aprendizaje SENA Colombia: La competencia laboral es la aplicación conocimientos habilidas, comprensiones y valores a la realización funciones productivas ntro un área ocupacional, alcanzando en contextos cambiantes los niveles sempeño esperados en el trabajo. La competencia laboral es la capacidad real que tiene una persona para aplicar conocimientos, habilidas y strezas, valores y comportamientos, en el sempeño laboral, en diferentes contextos. (SENA, 1998). El molo competencias profesionales integrales establece tres niveles, las competencias básicas, las genéricas y las específicas, cuyo rango generalidad va lo amplio a lo particular. Las competencias básicas son las capacidas intelectuales indispensables para el aprendizaje una profesión; en ellas se encuentran las competencias cognitivas, técnicas y metodológicas, muchas las cuales son adquiridas en los niveles educativos previos (por ejemplo el uso acuado los lenguajes oral, escrito y matemático). Las competencias genéricas son la base común la profesión o se refieren a las situaciones concretas la práctica profesional que requieren 7E.5-2

3 respuestas complejas. Por último, las competencias específicas son la base particular l ejercicio profesional y están vinculadas a condiciones específicas ejecución. (Huerta, J., y otros). Siguiendo a Tobón, Cada competencia y subcompetencia se compone tres tipos saberes: saber conocer (conocimientos específicos necesarios), saber hacer (habilidas) y saber ser (actitus). También contienen los medios indispensables para su puesta en escena: Son los equipos, espacios y herramientas. (Tobón, 2005, p.4). La tabla número 1 muestra apartes l molo propuesto por Tobón para finir un módulo formación por competencias. (p.6) Tabla 1. Apartes l Molo para la formulación los elementos competencia en módulos aprendizaje. (Tobón, 2004, p.6) Competencia: Diseño y Gestión Proyectos Subcompetencia: Diseñar proyectos acor a criterios establecidos Elementos competencia SABER CONOCER SABER HACER SABER SER PRODUCTOS Conceptualización los proyectos -Concepto proyecto -Clases proyectos -Contenido los proyectos -Importancia los proyectos en economía -Diferenciar un proyecto otros documentos -Determinar el tipo proyecto más pertinente a una situación dada Motivación hacia la metodología trabajo por proyectos Presenta un mapa con los componentes un proyecto Como entonces los sistemas CAD/CAM/CAE ayudan a la formación estas competencias en los cursos Ingeniería don se aplican estas herramientas computacionales? 2.2 APLICACIÓN DE LAS COMPETENCIAS A CURSOS DE INGENIERÍA CON SISTEMAS CAD/CAM/CAE. Los sistemas CAD/CAM/CAE han jugado un papel muy importante en la formación Ingenieros s hace mucho tiempo. En Latinoamérica, safortunadamente, muchos estos esfuerzos se concentran en la enseñanza las operaciones básicas molación tridimensional y levantamiento planos en 2 dimensiones con el fin representar objetos complejidad media o baja. En los años ochenta con la introducción los sistemas CAD en 2 dimensiones, muchos docentes abandonaron la enseñanza las normas básicas l dibujo, las tolerancias, el levantamiento vistas, los ajustes, por la enseñanza una serie comandos, interfases graficas, tips and tricks ; ahora s los noventa con los sistemas tridimensionales y ante el hecho que estos sistemas generan automáticamente los planos en 2D, se ha abandonado la formación en la normas básicas l dibujo. Se tienen ahora planos fabricación muy bonitos, pero que no responn a las normas internacionales planos para la manufactura. Des el enfoque basado en competencias, las asignaturas ben enfocarse hacia lo que las empresas necesitan, hacia lo que el contexto social y empresarial exige e impone, pero cuando se diseñan las asignaturas esto es realmente cierto? Por lo tanto en el enfoque basado en competencias se be tener cuidado, dado que s su formulación estas están mas orientadas a cumplir con las necesidas formación para un mercado laboral, pero nuestra labor como educadores en una Universidad no be enfocarse solamente a la formación hacia las 7E.5-3

4 empresas, también se tienen responsabilidas hacia la formación competencias universitarias en la formación investigadores y emprendores y formadores nuevo tejido industrial y bajo los esquemas impuestos por las competencias laborales, estas necesidas formación se eliminan los cursos regulares. Una pregunta que se be formular, es porque los bajos índices población universitaria que sigue un posgrado en Latinoamérica o la baja cantidad investigadores alto nivel con que se cuenta? No será acaso la orientación los programas formación única y exclusivamente a lo que las empresas locales requieren? Por lo tanto se hace necesario reformular las competencias que se forman en los cursos Ingeniería que usan los sistemas CAD/CAM/CAE como plataformas soporte y más como la enseñanza una herramienta computacional, un medio para formar en los estudiantes competencias adicionales a las que les empresas le exigen y que les permitan a futuro, motivarlos a continuar estudios superiores o a aplicar en las empresas conceptos innovadores a lo normal o porque no, motivar actitus emprendimiento hacia el montaje nuevos negocios con alto contenido tecnológico, que permitan introducir al mercado nuevos productos o servicios. 3. RESULTADOS EN EL CURSO DE MODELACION GEOMETRICA Bajo este enfoque se ha rediseñado el curso Molación Geométrica la Especialización en Diseño Mecánico y el cual toman algunos estudiantes l pregrado Ingeniería Mecánica, bajo un enfoque normal competencias este curso bería enfocarse a la formación avanzada en un sistema CAD/CAM/CAE, bajo el supuesto que los estudiantes ya conocen algún molador tridimensional o han tomado un curso regular Dibujo Técnico. La tabla 1 muestra un ejemplo una las competencias a sarrollar en este curso. Para este curso se ha tomado como plataforma el programa comercial Solidworks, seleccionado para este curso por su facilidad y rápida curva aprendizaje, amplia disponibilidad material didáctico y apoyo y elementos motivacionales encontrados en los estudiantes por su facilidad uso y amigabilidad, muchas veces frustrados ante otras aplicaciones comerciales, que aunque más porosas, mucho más difíciles aprenr. Tabla 2. Ejemplo una competencia a formar en un curso Molación Geométrica. Competencia: Molación Objetos Tridimensionales Subcompetencia: Molar objetos tridimensionales usando fórmulas y ecuaciones Elementos competencia SABER CONOCER SABER HACER SABER SER PRODUCTOS Molación -Concepto objetos a partir representación ecuaciones o fórmulas matemáticas una ecuación en 2D o en 3D -Como convertir una ecuación a la forma paramétrica. -Concepto básicos programación -Importancia las ecuaciones en el diseño objetos tridimensionales. -Generación una tabla puntos XYZ a partir una ecuación matemática. -Encontrar en fuentes información, bases datos con curvas 2D y 3D, ampliamente conocidas. -Importación una tabla puntos en el sistema CAD. Motivación hacia la Mola un objeto en representación 2D o 3D a partir curvas en 3D. la ecuación una curva matemática conocida. Encontrar aplicaciones artísticas al uso curvas en 2D y 3D para la molación esculturas u obras arte. Motivación a entenr mejor las matemáticas. 7E.5-4

5 En la Figura 1 se observan dos ejemplos aplicación la anterior competencia, la primera es la generación un croquis en 2D la Lemniscata Bernoulli y la segunda es la molación una pelota tenis a partir la programación en Matlab o en EXCEL y la generación en el CAD una curva por puntos XYZ que luego sirve como base para la molación 3D. Figura 1: Croquis la Lemniscata Bernoulli y molación una pelota tenis, a partir ecuaciones matemáticas. Este es un ejemplo una competencia que no busca satisfacer una necesidad empresarial o l mercado laboral, sino una motivación l estudiante para explorar otras aplicaciones a los sistemas CAD/CAE, asi como la obtención o reforzamiento lenguajes programación 1. En la tabla 2 se observa otro ejemplo un elemento competencia para este mismo curso: Tabla 2. Otro ejemplo competencia a formar en un curso Molación Geométrica. Competencia: Molación Objetos Tridimensionales Subcompetencia: Molar objetos tridimensionales complejos a partir superficies Elementos competencia SABER CONOCER SABER HACER SABER SER PRODUCTOS Molación objetos forma compleja a partir superficies y su conversión a un sólido. -Concepto superficie. -Concepto molación sólidos -Concepto molación hibrida. -Solidificación -Molar objetos -Motivación forma compleja hacia la a partir utilización superficies. las superficies con en formas -Importar y complejas. exportar superficies en -Encontrar distintos formatos. aplicaciones artísticas al uso -Solidificar un superficies. Mola un muñeco conocido en 3D a partir superficies. Obtención los mols para su producción por un proceso manufactura. 1 Es muy usual en este tipo cursos encontrar que los estudiantes no manejan ningún lenguaje programación como en el caso posgrado e incluso en la nueva generación estudiantes pregrado. Algunos manejan en alguna medida Matlab o Labview, pero no manejan ningún lenguaje estructurado como Visual Basic o C. 7E.5-5

6 molos superficies. -Formatos importación e intercambio superficies y sólidos entre aplicaciones comerciales. molo 3D a partir superficies. - Aplicar las superficies a la obtención mols y herramentales. -Motivación a la utilización herramientas avanzadas molación a partir superficies. Motivación al molar figuras conocidas, no solo partes mecánicas, La figura 2 muestra algunos ejemplos la molación figuras conocidas mediante la utilización superficies, acá es importante anotar la motivación tan alta los estudiantes al sarrollar este tipo molaciones y scubrir nuevos procedimientos para lograr el objetivo. Figura 2: Ejemplos molación figuras conocidas utilizando superficies. La tabla 3 muestra otro ejemplo l diseño un módulo en diseño Colaborativo y en Ingeniería Concurrente. Este es otro ejemplo competencia don su aplicación en el medio industrial local prácticamente es nulo. En este caso se busca sarrollar en el estudiante inquietus innovadoras que le permitan llevar nuevas ias a la industria o participar en equipos diseño internacionales o proyectos globalizados. Tabla 3. Ejemplo competencias en Diseño Colaborativo. Competencia: Diseño Colaboraiivo Subcompetencia: Realizar diseños 3D mediante el uso herramientas colaborativas Elementos competencia SABER CONOCER SABER HACER SABER SER PRODUCTOS Formación equipos diseño colaborativo anivel local e -Concepto Diseño -Conexión por Internet con pares -Motivación hacia el trabajo Diseño un producto a nivel 7E.5-6

7 internacional. colaborativo y Globalizado -Concepto Ingeniería Concurrente -Herramientas colaboración usando Internet. -Herramientas colaboración en los sistemas CAD. -Conocimiento otros mercados -Conocimiento otras metodologías diseño. nacionales e en equipo. local utilizando el internacionales. 3D meeting y las -Rompimiento herramientas -Manejo las l paradigma colaboración herramientas l trabajo Solidworks. colaboración l los sistemas sistema CAD CAD forma Participación en Solidworks 3D individual. proyectos Meeting.. diseño -Comparación Colaborativo -Uso otras competencias Internacionales herramientas con pares Nacionales. colaboración nacionales e o como la Internacionales. vioconferencia. -Motivación a la -Capacidad utilización participar en herramientas equipos Diseño comunicación nacionales e en la Internet. Internacionales. -Uso y mejora otros idiomas. -Conocimiento otras culturas y metodologías trabajo. La figura 3 muestra algunos ejemplos aplicación las actividas inherentes a esta competencia: Figura 3: Ejemplos Diseño Colaborativo: a la izquierda diseño un componente mecánico usando 3D Meeting por equipos locales y a la recha vioconferencia con equipos diseño en Penn State University con Acrobat Breeze. 7E.5-7

8 4. RESULTADOS EN PROYECTOS DE FIN DE CARRERA O DE CURSO. También los sistemas CAD/CAM/CAE juegan un papel muy importante en la planeación competencias que se puen sarrollar por medio proyectos fin curso o fin carrera (llamados proyectos grado) para cursos pregrado. La tabla 4, muestra un ejemplo una competencia que se sarrolla a partir este tipo proyectos, en este caso utilizando la API (Automatic Programming Interfase) l sistema CAD. Tabla 4. Ejemplo competencias en Proyectos Diseño fin curso o carrera. Competencia: Molación automática partes y ensambles Subcompetencia: Realizar diseños 3D automáticos mediante el uso la API programación l sistema CAD Solidworks. Elementos competencia SABER CONOCER SABER HACER SABER SER PRODUCTOS Desarrollo aplicaciones embebidas en el sistema CAD, que permitan el diseño automático partes y ensambles para la automatización tareas diseño. -Conocimiento lo que es una API. -Como funciona una macro. -Programación mediante VBA o Visual Basic. -Aplicaciones mediante lenguajes como C, C++ u otros. -Manejo cálculos y ecuaciones forma automática. -Personalización tareas y labores rutinarias. -Como hacer una macro. -Como realizar cálculos mediante ecuaciones. -Saber programar en VBA tareas rutinarias. -Como reducir tiempos diseño usando herramientas la API -Dominar lenguaje programación. un -Motivación a continuar estudios superiores. -Motivación al ver la capacidad crear módulos aplicables a casos prácticos. -Emoción hacer aplicaciones que resuelven problemas industriales. -Desarrollo capacidas emprendimiento al encontrar posibilidas aplicaciones que generen nuevos negocios. Aplicación ejecutable en Solidworks para el diseño automático y que resuelve un caso empresarial o investigación. La figura 4 muestra algunos resultados aplicaciones sarrolladas usando esta estrategia formación. En estos casos se empleo Visual Basic for Aplications como lenguaje programación, dada su facilidad aprendizaje y el sconocimiento lenguajes como el C, que presentan muchos nuestros estudiantes pregrado. Acá la API Solidworks, se muestra como una utilidad gran ayuda, porque le permite a los estudiantes sarrollar aplicaciones gran por, muy amigables y con una alta posibilidad comercialización a futuro. También los dota herramientas para buscar la máxima productividad en la aplicación los sistemas CAD en las industrias. 7E.5-8

9 vistas s el punto vista estrictamente laboral, ha saprovechado o limitado el uso estas herramientas para la formación competencias mas tipo investigativo o preparación o motivación para continuar estudios superiores o para la generación un espíritu emprendor en nuestros estudiantes. Correspon por lo tanto al momento l diseño l micro currículo los cursos que usan sistemas CAD/CAM/CAE, explorar el uso estas herramientas, no solo con el fin formar personal para los requerimientos las empresas, sino amás formar profesionales con capacidas investigativas y emprendimiento. -Al momento l diseño l micro currículo se be tener en cuenta incluir competencias diferentes a las encontradas ntro l análisis l contexto social, los sistemas CAD/CAM/CAE son una excelente excusa para sarrollar en los estudiantes otras competencias que serán gran utilidad en su futuro y no solamente como operadores una herramienta Dibujo. -La aplicación comercial Solidworks ha sido una ayuda invaluable, porque ha permitido a todos los estudiantes la misma oportunidad sarrollar las competencias antes mostradas. Otras aplicaciones disponibles o no cuentan con esta facilidas o son masiados complejas aplicar, reduciendo su uso solo a estudiantes avanzados o que dican muchas horas a su estudio. Con Solidworks se ha permitido una verdara mocratización l conocimiento y el sarrollo competencias cognoscitivas (al permitir la obtención l conocimiento una forma mucho más fácil), actuacionales (al permitir aprenr haciendo muy rápidamente y ver materializadas las ias forma fácil) y actitudinales (al aprenr una forma divertida y con altos niveles motivación). REFERENCIAS ACIEM, (2007). Caracterización Profesional Ocho especialidas la Ingeniería, competencias y funciones los profesionales recién egresados. Asociación Colombiana Ingenieros eléctricos, Mecánicos y afines, ACIEM. Bogotá, Colombia, ASIDUA, (2006). Competencias Profesionales, Una estrategia para el sempeño exitoso los Ingenieros Industriales Asociación Ingenieros Industriales la Universidad Antioquia. Disponible en línea en: Aguilar, J y Rivera, L. Elaboración un Currículo Basado en Competencias. Memorias XXV Conferencia Nacional Facultas Ingeniería ACOFI Octubre 2005 BERNAL, L.y Rodriguez, C. (2005). Aplicación una herramienta ingeniería asistida por computador para el análisis unidimensional tornillos extrusión termoplásticos. Mellín, 71p. Proyecto grado (ingeniería mecánica). Universidad EAFIT. Departamento ingeniería mecánica. Cano, J. Sáenz, M. Franz, F y Roman, P. (2005). Estándar global formación en ingeniería producción. Memorias Congreso Asociación Española Ingenieros proyectos. Disponible en línea: EPRODE, (2005). European Curriculum in Production Engineering (PE). Informe l proyecto: EPRODE European Production Engineer Suecia. Disponible en línea en: Huerta, J., Perez, I. y Castellanos, A. Desarrollo curricular por competencias profesionales integrales. Mexico. Disponible en línea en: Mason, G. (1999). Engineering Skills Formation in Britain: Cyclical and Structural Issues. Skills Task Force Research Paper 7. National Institute of Economic and Social Research. London. Nicolescu, M., Bayard, O. Aresku, M. (2005). Designing and Implementing a European Production Engineering Education. Memorias l 3rd CeTUSS Workshop. Uppsala University, Uppsala, Swen.December 5-6, Disponible en línea en: 7E.5-10

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