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Sistema experto para análisis de falla de ejes V.H. Jacobo'Armendáriz, S.M. Cerrud-Sánchez, M.A. Ramírez-Rodríguez, A. Ortiz-Prado Departamento de Ingeniería Mecánica Facultad de Ingeniería, UNAM E-mails: [email protected] y [email protected] (recibido: julio de 2001; aceptado: diciembre de 2001) Resumen Con el fin de contar con un medio eficaz para la solución de problemas relacionados con el análisis de falla, en donde la experiencia juega un papel fundamental, el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería de la UNAM, está desarrollando el proyecto "Sistema experto para análisis de falla de elementos mecánicos metálicos", dicho sistema busca resolver el inconveniente de la escasez de expertos y se orienta, tanto a las necesidades de la industria metalmecánica como a las de la docencia. Presenta también complicaciones en su desarrollo, ya que se pretende la posibilidad de realizar análisis de falla de elementos como ejes, engranes, pernos, bielas, resortes, tornillos etc. Por lo anterior, se estableció como estrategia el desarrollo del sistema por módulos, ya que teniendo la experiencia de elaboración de un primer módulo, la construcción de los siguientes se facilitaría. En este artículo se presenta el desarrollo de un primer módulo orientado a la solución de problemas de ejes, mismo que servirá como plataforma para la expansión de la base de conocimientos del sistema global. Este módulo de ejes se desarrolló dentro de la estructura de lo que será el sistema global, incluyendo un programa auxiliar para la determinación de esfuerzos máximos. Descriptores: sistemas expertos, análisis de falla, diseño mecánico, ejes. Abstract An expert system for the failure analysis in metallic mechanical devices is being developed at the Mecfianical Engineering departaments of the F aculty of Engineering of the UNAM to provide a solu- tion for the failure analysis in cases where considerable experience in needed. The system pretends to resolve the scarceness of experts in the field of failure analysis and is oriented toward the metal-mechanics industry and will also have didactic applications. The main compliction in the develop- ment of the system is the broad range of applications envisioned, libe gears, shafts, bolts and springs between others. Therefore, it was decided to develop the system in a modular way, using the experience obtained in a first module to proceed faster in the others. The present paper presents the elaboration of the module that analyses shafts. This will serve as the base to expand the system toward other compo- nents. It uses the general structure of the global system, including an auxiliary software for the deter- mination of máximum stresses in the corresponding parts. Keywords: expert systems, failure analysis, mechanical design, shafts. °ONniN Ingeniería Investigación y Tecnología, ISSN 2594-0732, III.3, 111-122, 2002 (artículo arbitrado) DOI: http://dx.doi.org/10.22201/fi.25940732e.2002.03n3.012

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Sistema experto para análisis de falla de ejesV.H. Jacobo'Armendáriz, S.M. Cerrud-Sánchez, M.A. Ramírez-Rodríguez, A. Ortiz-Prado

Departamento de Ingeniería Mecánica Facultad de Ingeniería, UNAM

E-mails: [email protected] y [email protected]

(recibido: julio de 2001; aceptado: diciembre de 2001)

ResumenCon el fin de contar con un medio eficaz para la solución de problemas relacionados con el análisis de falla, en donde la experiencia juega un papel fundamental, el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería de la UNAM, está desarrollando el proyecto "Sistema experto para análisis de falla de elementos mecánicos metálicos", dicho sistema busca resolver el inconveniente de la escasez de expertos y se orienta, tanto a las necesidades de la industria metalmecánica como a las de la docencia. Presenta también complicaciones en su desarrollo, ya que se pretende la posibilidad de realizar análisis de falla de elementos como ejes, engranes, pernos, bielas, resortes, tornillos etc. Por lo anterior, se estableció como estrategia el desarrollo del sistema por módulos, ya que teniendo la experiencia de elaboración de un primer módulo, la construcción de los siguientes se facilitaría. En este artículo se presenta el desarrollo de un primer módulo orientado a la solución de problemas de ejes, mismo que servirá como plataforma para la expansión de la base de conocimientos del sistema global. Este módulo de ejes se desarrolló dentro de la estructura de lo que será el sistema global, incluyendo un programa auxiliar para la determinación de esfuerzos máximos.

Descriptores: sistemas expertos, análisis de falla, diseño mecánico, ejes.

AbstractAn expert system for the failure analysis in metallic mechanical devices is being developed at the Mecfianical Engineering departaments of the Faculty of Engineering of the UNAM to provide a solu- tion for the failure analysis in cases where considerable experience in needed. The system pretends to resolve the scarceness of experts in the field of failure analysis and is oriented toward the metal-mechanics industry and will also have didactic applications. The main compliction in the develop- ment of the system is the broad range of applications envisioned, libe gears, shafts, bolts and springs between others. Therefore, it was decided to develop the system in a modular way, using the experience obtained in a first module to proceed faster in the others. The present paper presents the elaboration of the module that analyses shafts. This will serve as the base to expand the system toward other compo- nents. It uses the general structure of the global system, including an auxiliary software for the deter- mination of máximum stresses in the corresponding parts.

Keywords: expert systems, failure analysis, mechanical design, shafts.

°ONniN

Ingeniería Investigación y Tecnología, ISSN 2594-0732, III.3, 111-122, 2002 (artículo arbitrado)DOI: http://dx.doi.org/10.22201/fi.25940732e.2002.03n3.012

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IntroducciónEl Departamento de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería a través de la Unidad de Investigación y Asistencia Técnica en Materiales, ha desarrollado una línea de traba jo en torno a s is temas inte l igentes para análisis de falla, en particular, se ha enfocado a la creación del sistema experto para análisis de falla de e le m en tos m ecánicos metáli cos (SEAFEM). La idea funda­mental es contar con un sistema de cómputo en donde esté confinado el conocimiento de expertos en análisis de falla (AF) y de casos reportados en la literatura (ASM, 1974; 1986 y 1987) . Una vez construido el sistema es factible su reproducción, por lo que las empresas podrán contar con el soporte te c n o ló g ic o sin la neces id ad de que el experto esté presente. La orientación del SEAEFM, es la de actuar como colega, facilitando la toma de decis iones , a la vez de servir como soporte tecnológico a las pequeñas, medianas y grandes empresas; las cuales generalmente en México no disponen de personal cap ac i tad o en el área. El sistema se caracterizará por aprender de su propia experiencia, garantizando así, su crecimiento y confiabilidad. Este sistema podrá ser operado por personas con estudios de ingeniería, y proporcionará ayuda al analista para tomar decisiones relacionadas al AF. Además, cont iene un módulo en donde se cuanti f ican los es fu erzos máximos a los que estuvo sometido el e lemento en el momento de servicio, así como la u b icac ión de dichos esfuerzos. Por otro lado, el sistema no sólo ayuda a resolver un problema de AF, s ino que puede utilizarse como tutorial para capacitar a personal en esta área.

La justificación para el desarrollo del SEAFEM (Cerrud, et al. 1998), se e s tab lec e no sólo por lo expresado en líneas anteriores, sino que además se tomaron en cuenta el procedimiento de evaluación de apli cac io nes de s is tem as propuesto por Beckman, y los desarrollos que sobre el tema se han llevado a cabo en algunas in st i tuciones , por ejemplo, bajo los auspicios de sociedades como la NACE (National A ssoc ia tion of Corrosión Engi- neers) se han realizado SE para el AF, por corrosión (Roberge, 1996). En algunas universidades (Southampton, U.K.) Graham y Mellor (1997a) y

(1997b), bajo otro enfoque, reportan avances en el desarrollo de sistemas expertos (SE) (Walton, 1991) para AF.

Objetivos del SEAFEM

Para el desarrollo del s istema se plantearon los siguientes objetivos:

1. Diseñar e implementar un sistema expertode tipo colega para la determinación de las causasde falla de elementos mecánicos metálicos.2. Construir el s is tema ba jo ambientePC-Windows para facilitar su aplicación.3. Determinar las a c c io n e s correctivasrequeridas o propuestas.4. A partir de la imagen digitalizada, elsistema indicará las probables condiciones decarga que condujeron a la falla.5. Ahorrar tiempo en el AF.6. Contar con un experto que se puedaconsultar en diferentes lugares a la vez.

Metodología para el desarrollo del SEAFEM

A continuación, se presentan los diferentes pasos que se han aplicado para la construcción del sistema:

1. Desarrollo del ingeniero del conocimiento.2. Integración del grupo de expertos en AF.3. Establecimiento de las característ icas deoperación del SE.4. Adquisición del conocimiento.5. Es tructuración y represen tac ión delconocimiento.6. Construcción de la base de conocimientos.7. Desarrollo de un subprograma para elcálculo de esfuerzos máximos.8. S e le c c ió n del lenguaje o la herramientade desarrollo.9. Construcción del prototipo.10. Construcción de la interfase con elusuario.1 1. Verificación y validación del prototipo.12. Expansión de la base de cono cim ientosdel prototipo.

DOI: http://dx.doi.org/10.22201/fi.25940732e.2002.03n3.012

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13. Verificación y validación del sistema.14. Integración del sistema.15. Desarrollo e integración de módulosauxiliares de análisis de esfuerzos, deterioroambiental, propagación de grietas, etc.16. Verificación y validación del sistema.

Avances del SEAFEM

Actualmente el proyecto ha concluido en su totalidad los puntos 1,2,3,7,8 y 10. Los puntos 4, 5,6,9 y 1 1 muestran avances parciales.

Problemática general del desarrollo del SEAFEM (Cerrud e t a l ., 2000)

La fase de adquisición del conocimiento es la más conflictiva, pues demanda entre un 60 y 70% del tiempo de desarrollo, y al ser la primera fase del proceso , es una actividad neurálgica. Por otro lado, en el AF el cono cim iento que se involucra para el análisis y la toma de de c is io n e s es muy com ple jo , razón por la que se debe definir un m étodo que permita la ex t ra c c ió n , s e le c c ió n , es truc tu rac ión , organizac ión y validación del c o n o c im ie n t o de manera co n f iab le , ya que la forma en que se realice, repercutirá en las fases s u b s e c u e n te s del desarrollo del s is tema. Independientemente de lo anterior, los expertos no tienen el tiempo necesario para involucrarse de lleno en el proyecto.

La re p re sen tac ión del c o n o c im ie n t o es otro problema, ya que para trasladar el conocimiento del experto a una com putadora es n e c e sar io utilizar es truc tu ras d is c re ta s que indican complicaciones al verterlo. Las estructuras que se plantearon fueron las reglas de decis ión. En el caso concreto del AF es factible desarrollar una estructu ra de reglas de e s te t ipo. La práctica general del AF parte de conocer ciertas premisas, é s tas a su vez son s u f ic ie n tes para e ncon trar algunas c o n c lu s io n e s in termedias que vayan delimitando la solución del problema. Dado que la solución de un caso de AF es factible que posea varias respuestas tentativas, un SE se convierte en una herramienta idónea que puede dar solución a la disyuntiva que éstas representan.

Determinar las causas de falla en elementos sometidos a cargas uniaxiales es sencillo, ya que las características de las zonas de falla son fácilmente identif icables. En las situaciones donde los elementos mecánicos se someten a solicitaciones triaxiales, además de condiciones dinámicas de carga, variaciones de temperatura, desgaste y corrosión, la determinación de la causa de falla se vuelve compleja, requiriendo de un grupo interdisciplinario coordinado por un experto en AF.

En principio, la estructuración de las reglas que repre sentan el c o n o c im ie n to del AF están enfocadas a determinar las carac ter ís t icas intrínsecas de la falla, principalmente el tipo de falla que se presenta; la función principal y la más deseab le del SE para AF, es determinar las cond ic iones que provocaron la falla. Así, fue necesar io encontrar y desarrollar reglas que involucraran los diferentes tipos de falla y demás información contenida en ellas, con condiciones que activarán a éstas. Esto es una tarea compleja, ya que existen dentro del AF condiciones diversas que conducen a la determinación de no sólo un tipo de falla, existen fallas en las que varios mecanismos de fractura estuvieron involucrados y la superficie c o nt iene c a ra c te r í s t i c a s de todos es tos mecanismos, además de diversas condiciones de operación que promueven la presencia de un tipo de falla en particular. Sin embargo, aunque la representación del conocimiento involucrado en el AF hace de ésta una tarea compleja, mas no imposible.

Estrategia para el desarrollo del sistema global

El SEAFEM es un sistema que busca dar solución a problemas relativos al AF de diversos elementos mecánicos como ejes, pernos, engranes, bielas, e tc . , por lo que in ic ia lm ente se es tructu ró el s is tema desde una visión global . También se diseñó la interfase de usuario y la estructura de la base de conocimientos de acuerdo con este plan­teamiento . Si bien es cierto que ésta es la base estructural del sistema, buscar construirlo como un todo resultó problemático y se manifestó en el propio desarro llo del p ro to t ip o ( Jacobo et a l.,

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2000) , ya que debido a lo rob usto del s is tema todas las acciones se complicaron. Por lo anterior, se planteó como estrategia la construcc ió n del s istema módulo por módulo, ya que teniendo la experiencia de este primer subsistema, los demás se facilitarían por tener la experiencia sobre los inconvenientes que se pudieran presentar en la adquisición y representac ión del conocimiento . Debido a la cantidad de información con la que se dispone y de la experiencia de solución de casos prácticos, el primer módulo que se desarrolló fue el relativo a ejes mecánicos metálicos. La estruc­tura y desarrollo de la base de conocimientos, se realizó a partir de lo que indica la técnica de la matriz de experiencia para AF (Dieter, 1991), ya que establece un criterio que organiza la informa­ción de la base tomando en cuenta tres aspectos: tipos de falla, modos de falla y conclu s iones . A continuación se presenta la forma de construc­ción de e s te módulo y la operac ió n del mismo, f inalmente se e s ta b l e c e n las recom en daciones para el desarrollo de otros módulos necesar ios para la integración del sistema global.

Desarrollo del sistema experto para análisis de falla de ejes

El enfoque inicial para su construcción fue desarrollar un módulo experimental con base en los datos propor­cionados por la inspección visual del usuario, con el fin de determinar de forma sencilla, a través de una inter­fase con elementos gráficos, el tipo de falla que se presenta en los ejes. La base de reglas para este caso no es muy amplia (Figuras 1 y 2), dado que la informa­ción requerida para llegar a las conclusiones a partir de la inspección visual no es abundante. Sin embargo, mediante esta primera aproximación fue posible darse cuenta de la necesidad de encontrar una estructura lógica para el desarrollo de los cuestionamientos por parte del sistema hacia el usuario, de manera que exis­tiese una secuencia que orientará al usuario en forma amigable y no contradictoria, evitando caer en cues­tionamientos redundantes o repetitivos en el desa­rrollo de las preguntas. Con la lógica planteada, se estructuró la secuencia de operación del sistema global, que implica tanto el orden en que aparecen las pantallas de interacción con el usuario, como el de la activación de las reglas de decisión correspondientes.

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Operación general del sistema globalTomando en cuenta la necesidad de establecer una jerar­quía en la secuencia de operación del sistema, al principio se plantearon tres preguntas relevantes, que de manera conjunta aportan una gran cantidad de información sobre el elemento en estudio, éstas son referentes a:

MaterialTipo de piezaSistema al que pertenece

A través de estos conceptos se establece un marco característico de tres condiciones simultáneas, pero éste no es suficiente para obtener detalles específicos sobre la falla. Es a partir de esta información donde se inicia la ramificación del árbol de preguntas a través de la interacción con las pantallas, mismo que está relacionado con el árbol de reglas contenido en la base de conocimientos (Figura 2).

Como se ha mencionado, el sistema se desarrolló para el caso de ejes, sin embargo, al estar corriendo el programa sobre la plataforma del sistema global, aparecen una serie de opciones para el usuario: ejes, engranes, resortes, pernos, mecanismos 4R, carcazas, etc., así el usuario elige la pieza en estudio. Una vez capturado el tipo de pieza, se define el sistema al que

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pertenece, y en este rubro, se localizan sistemas de transmisión par-potencia, generación de energía, almacenamiento de energía, soporte y los que se agre­guen. Estas clasificaciones orientan hacia la determi­nación de las posibles causas, requiriéndose preguntas más específicas y, por ende, bifurcaciones del árbol. Posteriormente, surgen en la operación del sistema una serie de preguntas en un segundo plano, pero ligadas a las respuestas obtenidas a partir del primer nivel de preguntas. En el caso de ejes, estas cuestiones estarán relacionadas con características físicas, tipos de carga, geometría (sección transversal, continuidad en el diámetro, rnuescas, etc). De este modo se dan detalles cada vez más finos de la pieza, lo cual, logra mejores aproximaciones hasta obtener el resultado final. Terminada la inspección visual se hacen una serie de preguntas correspondientes a los parámetros básicos de diseño, información que será utilizada para el módulo de cálculo de esfuerzos. Los resultados de este módulo serán comparados con la información correspondiente al tipo de material y condiciones de operación almacenadas. Una vez defi­nida la solución, el sistema buscará casos similares en la base de casos, validando o desechando el usuario, la decisión tomada.

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Operación del sistema experto para ejesLa secuencia de operaciones que sigue el usuario en su interacción con el sistema para solucionar un problema de análisis de falla de ejes es la siguiente:

1 . Al inicio, el s is tema cuestiona al usuario con relación al tipo de material y e lemento mecánico. La interfase utilizada es del tipo de documento múltiple, lo cual faci lita el movi­miento a través de los distintos módulos por un menú principal. Se cuenta con la opción de elegir entre una gran gama de aceros y e lemento s mecánicos como ejes, pernos, engranes, etc.

2. Una vez que se s e le c c io n ó el e lementoeje, se activa la siguiente pantalla (Figura 3) endonde se solicita información relativa al tipo defalla, maquinado, acabados, aspecto general dela pieza, condiciones de servicio y presencia dec o ncentradores de es fuerzos . Esta pantallafunciona para cualquier elemento, puesto quealmacena información genérica en donde elúnico cambio que existe es el icono del elementoanalizado.

3. Si se activa la opción de concentradoresde esfuerzos y se están analizando ejes, apareceuna nueva ventana que cont iene informaciónsobre los distintos tipos existentes de concen­tradores para este elemento (Figura 4), de estamanera se puede cuantif icar el coef ic iente deseguridad para el diseño.

4. Una vez que se precisa la informaciónrequerida por la ventana principal (aspecto srelativos a las condiciones de servicio y paráme­tros de diseño) se activa una ventana adicionalen donde se captura información especí f i ca(geometría, dimensiones y condiciones de carga)relacionada con las condiciones de servicio deejes (Figura 5).

5. En la siguiente ventana (Figura 6) se soli­cita información relativa al aspecto de la zona defractura (textura, apariencia, marcas), asimismo,se demandará información al usuario conrespecto al tipo de carga. Con esta información

se determina la primera conclusión de la inspec­ción visual (Figura 7).

6. En la figura 8 se presenta un ventana quese activa cuando la conclusión que se obtuvo enel punto anterior fue que la falla del eje sedebería a fatiga, por lo que se presentan unaserie de imágenes que muestran los distintospatrones de fractura causados por fatiga, depen­diendo del tipo de carga y la concentración deesfuerzos ; buscando con es to corroborar elestado de esfuerzos y el tipo de carga suminis­trados por el usuario anteriormente en la formade información visual (Figura 6).

7. En la siguiente ventana (Figura 9), deacuerdo con la información obtenida en el puntoanterior se establece una deducción con base enel tipo de carga y su relación con la superficie defractura.

8. Existe un módulo auxiliar orientado haciael cálculo de esfuerzos (Figura 10), el objetivo deeste módulo es encontrar la magnitud de losesfuerzos principales y su ubicación en elelemento, para así poder comparar esta informa­ción con la recopilada por el usuario.

9. Se cuenta con un módulo adicional endonde el usuario puede comparar el casoresuelto con los conten idos , en una base decasos sobre fallas en ejes (Figura 1 1); esta rutinale sirve para tener información adicional y validar las c o nc lu s ione s ob tenid as por elsistema experto.

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Figura 3. Información general sobre elementos mecánicos

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Figura 4. Opciónes de concentradores de esfuerzos sobre ejes

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Figura 5. Información sobre condiciones de servicio de ejes

Figura 6. Información relativa a la apariencia de la fractura del eje

DOI: http://dx.doi.org/10.22201/fi.25940732e.2002.03n3.012

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Apariencia de !a s jnerhc» de fractura

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1^ Anáfisis £use de Casos Ventana ¿yuda -iéixiR e g ió n d e F ra c tu ra ( In fo rm a c ió n Vrsi

Apaiencia de la superficie de fractura

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DOI: http://dx.doi.org/10.22201/fi.25940732e.2002.03n3.012

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Figura 9. Deducción sobre el tipo de carga

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Figura 1 1. Estructura de un registro de la base de casos

El s is tema que se ha desarro llado , busca solucionar casos relativos a fallas de e jes con base en lo que se desprende de la in sp ec c ió n visual sob re el fen óm en o , la siguiente e tapa sería adicionar una serie de reglas que evalúen aspectos relativos a la información de laborator io como o b s e rv a c io n e s m eta lográ f icas , m ed ic io nes dedureza, e tc . , con e s t o se o b te nd rán mayoresniveles de c er teza en las c o n c lu s io n e s que sedesprendan del análisis.

Conclusiones

El s is tema de anál is is de falla de e jes resuelve c a s o s tal y com o lo haría el experto humano, garantizado un elevado grado de confiabilidad en los resultados obtenidos.

La estrategia empleada ha permitido avanzar y organizar de una mejor m anera las actividades del grupo de desarrollo del sistema.

La experiencia adquirida en la elaboración de este sistema, permite que los módulos de análisis de falla de otros elementos se puedan desarrollar con mayor facil idad para integrar de manera

gradual el s istema global de análisis de falla de elementos mecánicos metálicos.

Agradecimientos

Se reconoce el apoyo económ ico proporcionado por la Dirección General de Asuntos del Personal Académico de la UNAM, para el proyecto 1N 105198 "Sistema experto para el análisis de falla de piezas metálicas mecánicas" .

Se agradece la part ic ipac ión de los tes is tas Víctor Eduardo Rosas y Raúl López, quienes colabo­raron en la programación de módulos, así como al M.en C. Rafael Schouwenaars por sus aportacionescomo experto en análisis de falla.

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Semblanza de los autoresVíctor Hugo Jacobo-Armendáriz. Ingeniero mecánico electricista (industrial) y maestro en ingeniería en el área de investiga­

ción de operaciones por parte de la Facultad de Ingeniería, UNAM. Ha participado en proyectos para la industria y es profesor en el área de manufactura y materiales. Actualmente trabaja en un proyecto de investigación doctoral con líneas orientadas al desarrollo de sistemas expertos en análisis de falla.

Sara Mercedes Cerrud-Sánchez. Es ingeniera mecánica electricista (industrial) y maestra en ingeniería mecánica por la Facultad de Ingeniería de la UNAM. Ha participado en más de 25 estudios, proyectos y asesorías para el sector indus­trial. Fungió como corresponsable en el proyecto Sistema experto para el análisis de falla de piezas mecánicas, metálicas. Tiene más de 25 publicaciones y actualmente es profesora del área de manufactura y materiales.

Marco Antonio Ramírez-Rodríguez. Estudiante de décimo semestre de la carrera de ingeniería mecánica. Participó en el proyecto PAP1IT Sistema experto para análisis de falla de piezas mecánicas metálicas. Actualmente se encuentra desa­rrollando su tesis con el tema Metodología para el desarrollo de un sistema experto en análisis de falla.

Armando Ortiz-Prado. Es ingeniero mecánico electricista y maestro en ingeniería mecánica por la Facultad de Ingeniería, UNAM. En 1989, obtuvo la distinción Universidad Nacional para jóvenes académicos en el área de docencia en ciencias exactas. Ha dirigido más de 70 tesis entre licenciatura y posgrado, así como más de 50 estudios y proyectos para el sector industrial en el área de manufactura, materiales y en particular, análisis de falla. Tiene más de 40 publicaciones relacionadas con el área de su especialización en foros nacionales e internacionales. Actualmente es profesor y coordinador de la Unidad de Investigación y Asistencia Técnica en Materiales.

DOI: http://dx.doi.org/10.22201/fi.25940732e.2002.03n3.012