Caso de estudio TRIZ – La nueva iluminación de Hyundai

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Algo que define a esta compañía surcoreana es precisamente su nombre: Hyundai, que se puede traducir como “modernidad”. Hyundai Motor Company no es ninguna novata en el mercado, pero mantiene su estatus de “moderna” gracias a sus esfuerzos por innovar. Lo veremos claramente en este caso de estudio de TRIZ: La nueva iluminación de Hyundai.

Para nadie es desconocida la feroz lucha que existe entre las diferentes empresas de automoción que operan a nivel global. Esa “pelea” se ha vuelto más intensa cuando las expectativas del sector se han visto sacudidas por un escenario poco o, mejor dicho, mal previsto: COVID-19.

Pero claro, no es lo mismo que los cambios o las crisis te pillen en “pijama” o con los deberes hechos.

Hyundai Motor Company es como una “embarcación” que ha sabido mantenerse “a flote” a pesar de los envites de las fuertes “tormentas” que han sacudido el sector en tiempos pasados… y seguramente también lo hará en la era poscoronavirus.

Una de las piezas fundamentales en el “puzzle innovador” de Hyundai es TRIZ. Además del caso, descubriremos cómo es la estrecha relación de esta empresa con la metodología.

El caso de estudio [1] que analizamos en esta entrada se presentó en el marco de la Conferencia “TRIZ Future 2018”, organizada por la Asociación Europea de TRIZ (ETRIA) celebrada en Estrasburgo, Francia.

Sobre los resultados del trabajo asociado se han presentado 7 solicitudes de patente por parte Hyundai Motor Company.

Hyundai Motor Company y TRIZ

Hyundai Motor Company es el mayor fabricante surcoreno de automóviles y el sexto productor a nivel mundial. Sin ir más lejos, en el año 2019 vendió cerca de 4,5 millones de vehículos.

Junto a la empresa subsidiaria Kia Motors, Hyundai Motor Company forma parte de Hyundai Motor Group que, después de Toyota, es el segundo mayor fabricante de automóviles de Asia.

Llegar y mantenerse en el “top 10” de la industria automotriz mundial ha sido posible gracias, en buena parte, a su apuesta por el futuro a través de la I+D+i.

Logo y slogan de Hyundai

Figura 1. Logo y eslogan de Hyundai Motor Company. Fuente [2].

Hyundai Motor Company (Hyundai, a partir de ahora) cuenta con tres centros de investigación y desarrollo en Corea del Sur, además de los que tiene fuera de su territorio (Alemania, Japón e India). Para el desarrollo de los diseños dirigidos al mercado estadounidense, la empresa dispone de un centro especializado en California.

Gracias a esa estrategia de diversificación y presencia en diferentes mercados es capaz de detectar de forma temprana cambios en la demanda y reaccionar de forma rápida y flexible ante nuevas disrupciones.

Por ejemplo, una de las apuestas claras de la compañía es la transición hacia un modelo de transporte más sostenible basado en el coche eléctrico; en concreto tiene previsto para 2025 que su catálogo disponga de 44 modelos electrificados, posicionándola entre las tres primeras del sector. Como es lógico ese tipo de desafíos suponen también fuertes inversiones: 47.000 millones de euros.

La estrategia de I+D+i de Hyundai está reforzada con el empleo de metodologías específicas como TRIZ.

Al igual que ocurre con la mayoría de las empresas surcoreanas que han adoptado TRIZ, su introducción comenzó en los primeros años de este siglo. La evolución ha sido constante y hoy en día los centros de I+D utilizan TRIZ en todos los proyectos.

Para entender la importancia que le confiere Hyundai a TRIZ y lo rigurosa que supone la formación y ascenso en el escalafón “inventivo e innovador” dentro de la compañía, es requisito tener al menos 2 patentes presentadas que hayan sido desarrolladas con TRIZ para obtener el nivel 3 (según MATRIZ, The International TRIZ Association, existen 5 niveles, siendo el más alto en nivel de “TRIZ Master”).

En la Conferencia Internacional organizada por MATRIZ en Lisboa (Portugal) en el año 2018 (TRIZfest 2018), optó al título de TRIZ Master una persona muy reconocida dentro de Hyundai: Jae Yeon Kim. Este ingeniero e inventor ha presentado en los últimos años de 8 a 10 patentes/año basadas en TRIZ y, de ellas, más del 50% han sido implementadas. De más está decir que, en base a su trayectoria y experiencia en el uso de la metodología, se le concedió el título de TRIZ Master.

El problema

Desde hace unos años, los diferentes fabricantes de automóviles han impreso su huella diferenciadora de marca, entre otras cosas, en el diseño de sus sistemas de iluminación.

Diferenciación de marca en el sector automoción a través del sistema de iluminación

Figura 2. Diferenciación de marca en el sector automoción a través del sistema de iluminación. Fuente [3].

La mayoría de estos diseños utilizan lo que se conoce como “lámpara de luz guiada”, con una fuente de luz LED que se propaga por la zona iluminada a través del principio de reflexión total. 

Lámpara de luz guiada

Figura 3. Descripción de las “lámparas de luz guiada”. Fuente [1].

¿Qué elementos componen la “guía” de la luz? En principio, todo el sistema formado por la lente interna, el tubo de luz, la óptica (que envía al exterior la luz que vemos) y la cubierta posterior. Para aclarar los conceptos, el tubo de luz corresponde a una pieza tubular que sirve de “camino” a través del cual la luz es “conducida” por medio de reflexiones sucesivas.

Este tipo de diseño tiene varios inconvenientes. Entre ellos se encuentra las diferencias que puede presentar la imagen iluminada en función de la dirección de visualización. Además, en algunos casos aparecen zonas oscuras, en la que la iluminación es muy escasa o inexistente.

Encontrando soluciones con TRIZ

Análisis de los factores que determinan el guiado de la luz

La primera parte del proceso de búsqueda de soluciones consiste en analizar la situación problemática de partida. En este caso se aplicó la herramienta de Análisis de Funciones de TRIZ para determinar los factores conflictivos que pueden afectar la dirección del recorrido de la luz a través del tubo.

En la elaboración del Modelo de Funciones, se tuvieron en cuenta varias consideraciones, basadas en lo que se muestra en la siguiente figura.

Factores que afectan el guiado de la luz

Figura 4. Principales factores que afectan el guiado de la luz. Fuente [1].

En primer lugar, si se realiza un seguimiento inverso de la luz proveniente de la lámpara, se aprecia que la luz pasa primero a través de la lente externa (basada en el diseño exterior del vehículo, así que se excluye del análisis), se transmite a través de la lente interna y la estructura óptica.

La luz que se propaga a través del tubo está producida por una fuente LED; ésta también se elimina del análisis porque los tipos de LED utilizados para cada vehículo son uniformes.

De esta forma, los principales factores que influyen en dirección de la luz son la lente interna, el tubo de luz, la óptica y la cubierta posterior, como se muestra en el Modelo de Funciones de la Figura 5.

Modelo de funciones para el guiado de la luz

Figura 5. Modelo de Funciones para el guiado de la luz. Fuente [1].

Análisis de la competencia

Una vez identificados los principales factores que afectan el guiado de la luz en el sistema de iluminación, se compararon con modelos de la competencia. Esta comparativa permitió seleccionar los factores específicos capaces de proporcionar la mayor mejora del sistema de iluminación.  

Como resultado, se encontró que existían diferencias en la cubierta posterior y el tubo de luz.

Por ejemplo, se confirmó que la configuración de estructura óptica se encontraba en la cubierta posterior en algunos modelos de AUDI, a diferencia de lo realizado hasta el momento del análisis en Hyundai, donde no existía un modelo producido en masa con estructura óptica en la cubierta posterior. En el caso del tubo de luz, se comprobó que la competencia había minimizado la estructura óptica (1 mm) y había elevado el ángulo de inclinación para recoger la luz en la lámpara delantera.

Generación de ideas empleando CECA basado en TRIZ

El Análisis de Cadenas de Causa-Efecto (CECA, su acrónimo en inglés) es una técnica de análisis que se utiliza para identificar las causas-raíz del problema.

Por medio de este análisis se determinaron cuatro causas-raíz que dan lugar al problema que se quiere resolver: “La iluminación varía según la dirección de visualización, generando en ocasiones zonas oscuras”.

Seguidamente se enumeran las causas-raíz encontradas:

  1. La forma de la sección transversal de la lente interna está distorsionada.
  2. Espacio demasiado amplio entre los elementos de la estructura óptica.
  3. La longitud de la estructura óptica es corta.
  4. La reflectancia de la cubierta posterior no es suficiente.

Sobre la base de esas cuatro causas se propusieron alternativas de solución para cada una de ellas que responden a las demandas que generan:

  1. Modificar la forma de la curva en la zona angular.
  2. Reducir el espacio entre los elementos de la estructura óptica.
  3. Incrementar la longitud de la estructura óptica.
  4. Incorporar la estructura óptica a la cubierta posterior.

Hasta el momento de la realización de este proyecto, se había progresado mucho en elementos como la lente interna, el tubo de luz y la estructura óptica. Sin embargo, el diseño de la cubierta posterior prácticamente no había cambiado.

El Modelo de Funciones confirma que hay varias funciones que afectan el movimiento de la luz en la cubierta posterior. La luz que se mueve a lo largo del tubo llega a la cubierta posterior, y la cubierta posterior tiene la función de refractar la luz y enviarla al tubo (ver las relaciones funcionales entre la cubierta posterior y el tubo de luz en la Figura 5).

Hay que destacar que la deposición de aluminio en la cubierta posterior, con una reflectancia más alta que la pintura blanca, produce mejoras sobre el brillo de la luz, pero el sistema de guiado de la luz se oscurece cuando la luz está apagada y presenta el fenómeno de “punto caliente” cuando la luz está encendida.

Por lo tanto, se optó por desarrollar la alternativa de solución número 4 mencionada arriba: Incorporar la estructura óptica a la cubierta posterior.

Generación de ideas utilizando la Clonación de Problemas de TRIZ

La técnica de Clonación de Problemas de TRIZ consiste en comparar problemas inventivos diferentes que tienen contradicciones físicas idénticas. De esta forma, si el reto que se está resolviendo tiene una contradicción física igual a la de un problema diferente que ya ha sido resuelto, esa solución podrá extrapolarse al problema objetivo.

Comúnmente los sistemas de iluminación en vehículos utilizan la reflexión especular, según la cual la luz se refleja en la dirección opuesta al ángulo de incidencia. Se propone explorar el principio de retrorreflexión para ser aplicado a la estructura óptica de la cubierta posterior en el sistema de guiado de la luz.

La retrorreflexión es la capacidad que tienen algunas superficies que por su estructura pueden reflejar la luz de vuelta hacia la fuente, sin que importe el ángulo de incidencia original.

Son muchos los ejemplos disponibles en los que se utiliza el principio de retrorreflexión: señales escritas en la superficie de la carretera, chalecos reflectantes, señales de tráfico, etc. En la siguiente figura se ilustra cómo funciona el principio de retrorreflexión y su comparativa con la reflexión especular.

Retrorreflexión vs reflexión especular

Figura 6. Retrorreflexión vs. reflexión especular.

Es así como se define la hipótesis de que la aplicación del principio de retrorreflexión al sistema de iluminación mejora el brillo y la uniformidad de la luz al devolver la luz difusa a la dirección frontal.

Verificación de las ideas mediante simulación

Como resultado de la simulación, se obtuvo que el valor del flujo luminoso subió de 22,5 a 25 lúmenes, lo que significa una mejora de aproximadamente el 11%. Ver Figura 7.

Figura 7. Simulación del flujo luminoso: a) Sin retrorreflexión, b) Con retrorreflexión Fuente [1].

Si se observa la línea amarilla correspondiente a 1 candela (intensidad luminosa) en la Figura 8, es posible apreciar que después de aplicar la retrorreflexión, la iluminación sobre una pantalla a 25 metros se extiende en el área correcta, pasando de 50 grados a 75 grados.

Por lo tanto, los resultados de la simulación muestran que la aplicación de la retrorreflexión aumenta la cantidad total de luz, y es efectiva para incrementar el ángulo de extensión óptica.

Simulación de iluminación sobre pantalla a 25 metros

Figura 8. Resultados de la simulación de iluminación sobre una pantalla a 25 metros con y sin retrorreflexión. Fuente [1].

Verificación de las ideas en el vehículo real

En la Figura 9 puede verse, gracias a las mediciones con cámara, que antes de modificar la cubierta posterior según las ideas expuestas anteriormente, no había suficiente luz dentro del marco en amarillo (zonas oscuras). Asimismo, se aprecian muchas áreas de color rojo que, igualmente, representan zonas oscuras.

Figura 9. Resultados de la incorporación de la solución a un vehículo real. Fuente [1].

Sin embargo, después de incorporar la estructura óptica a la cubierta posterior con retrorreflexión, es apreciable el incremento en la intensidad lumínica y la reducción de las zonas oscuras.

Las ideas de mejora en el sistema de guiado de la luz se han implementado en vehículos en desarrollo. Varias pruebas de fiabilidad han demostrado que la solución está lista para su producción en serie.

Al momento de la presentación de este caso en 2018, se tenía previsto la introducción del nuevo sistema de iluminación en modelos a ser comercializados en Europa y Estados Unidos en ese mismo año.

Conclusiones

Como resultado de la aplicación de varias técnicas de TRIZ (Análisis de Funciones, Análisis de Cadenas de Causa-Efecto, Clonación de Problemas) se ha generado una solución que mejora sustancialmente el sistema de iluminación en los vehículos de Hyundai.

En concreto se ha logrado:

  • Incrementar un 11% el flujo luminoso.
  • Aumentar 25 grados la extensión óptica.
  • Reducir zonas oscuras.

La solución obtenida gracias a TRIZ se ha incorporado en la producción de modelos reales para su venta en Estados Unidos y Europa.

Además, las soluciones parciales conseguidas a lo largo del proyecto han permitido presentar 7 solicitudes de patentes en Corea del Sur, 1 solicitud en EE.UU. y otra más en China (títulos en inglés):

  1. Multi-Layered Light Guide with Retro-Reflection (USA: 15/198.484, China: 201610579042.4, Korea: 1020150145381)
  1. Lighting Lamp Structure Using Type Optical System (Korea: 1020150090276)
  1. Diode Pumping Using Induced Emission Principle Light Guide (Korea: 1020150173516)
  1. Light guide for each principle of Brewster (Korea: 1020160050794)
  1. Multiple Elliptical Light Guide (Korea: 10201600629524)
  1. Multifunctional Film Light Guide (Korea: 10201600629524)
  1. Light Reverse Convergence Principle Using Light Guide (Korea: 1020160166722)

Fuentes

  1. Hyeongseon, L. Kyeongwon, “Development of Automobile Light Guide for Lighting Image Enhancement Using Retro-Reflection Principle” – Publicación; TRIZ Future Conference 2018 – European TRIZ Association, ETRIA, Estrasburgo (Francia); 2018.
  2. https://www.hyundai.com/
  3. Hyeongseon, J. Gun, N. Hyeong, L. Kyeongwon, “Development of Automobile Light Guide for Lighting Image Enhancement Using Retro-Reflection Principle” – Presentación; TRIZ Future Conference 2018 – European TRIZ Association, ETRIA, Estrasburgo (Francia); 2018.
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2 comentarios en «Caso de estudio TRIZ – La nueva iluminación de Hyundai»

  1. Ciertamente queda en evidencia que un problema complejo de muchas variables atacado de forma sistémica ( como TRIZ), puede ser resuelto de forma asertiva y eficaz. Pero debe estar orientado por alguien con el conocimiento de la herramienta y la suficiente agudeza para no perderse en la infinidad de soluciones posibles. Es muy importante al enfrentarse a problemas neurálgicos en la compañía tener un buen asesor o guía que pueda garantizar método y mantenerse centrado en la solución del problema para así disminuir la posibilidad de fallas o peor aún, desenfocarse de lo realmente importante.

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    • Como bien indicas Francisco, la resolución de problemas complejos requiere foco y, desde luego, experiencia. El punto de inicio es fundamental, siendo imprescindible un análisis exhaustivo de la situación problemática de partida y la definición concreta de qué es exactamente lo que se quiere lograr, con criterios de validación claros y mensurables. Afortunadamente, a la hora de abordar el proceso de resolución de retos con TRIZ, de cualquier nivel de dificultad, existe una «hoja de ruta» que facilita la selección de las herramientas más idóneas de la metodología. Aun así, es muy recomendable (y en muchas ocasiones, necesario) contar con un experto en la metodología, interno o externo a la organización, para que guíe el proceso y asegure el correcto uso de las técnicas de TRIZ.

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