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Enero/Febrero 2008
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NIST y ASTM International

por Robert Ausura

Cuando el Instituto Nacional de Normas y Tecnología realiza investigaciones y los comités técnicos de ASTM International crean normas basadas en esa investigación, el resultado es una sociedad que transfiere tecnología con eficiencia de la mesa de dibujo a la industria.

Si hay algo que caracteriza el compromiso de NIST con la industria, quizás sea esto: 149 científicos e ingenieros de NIST pertenecen en la actualidad a ASTM International y son miembros de 398 comités y subcomités técnicos. Este nivel de compromiso no es nuevo. ASTM International ha estado desarrollando normas de consenso voluntario durante 110 años, y durante 107 de ellos NIST ha demostrado ser un socio confiable, no solo a través de las membresías sino también a través de programas de cooperación formal e informal adecuados a las cambiantes necesidades de la industria.

El mandato de NIST es desarrollar y mantener las herramientas técnicas que la industria de los EE.UU. necesita para seguir siendo competitiva y que Estados Unidos mismo necesita para mantener su seguridad económica y física. Sin embargo, el respaldo de NIST a ASTM ha tenido un gran impacto sobre la industria mundial, y la sociedad de estas dos organizaciones (en todas sus formas) sigue afectando no solo a industrias establecidas hace años sino también a industrias emergentes.

Robots para el mundo real

Los gobiernos y la industria, frente a los crecientes desafíos del terrorismo y los desastres naturales, están buscando nuevas vías para desarrollar tecnologías esenciales para proteger a las personas y la infraestructura y responder a los incidentes críticos. NIST y ASTM está proporcionando esas vías. Un ejemplo se da en el campo de los robots para búsqueda y rescate urbano (US&R por sus siglas en inglés), una disciplina joven que atrae talentosos científicos e ingenieros jóvenes como Elena Messina y Adam Jacoff.

Messina se desempeña como jefa de la División de Sistemas Inteligentes del Laboratorio de Ingeniería de Fabricación de NIST. Explicó que los equipos de búsqueda y rescate urbanos en el actualidad no utilizan robots. "Ha habido intentos, pero todos han sido realizados por investigadores. Los equipos de investigación llevaron robots para colaborar en la búsqueda después del 11/9. Se utilizaron durante el Katrina y también en aludes de barro. En general con poco éxito, pero con un potencial claro."

El Departamento de Seguridad Nacional vio ese potencial y se acercó a NIST para colaborar en el desarrollo de normas para la tecnología. "Ya teníamos mucha experiencia general en robótica," dijo Jacoff, un ingeniero mecánico de la División de sistemas inteligentes, "y habíamos realizado evaluaciones de preparación de movilidad autónoma para el ejército de los Estados Unidos." NIST incluso diseñó cursos de prueba para competencias de robots de US&R auspiciadas por la Agencia de Proyectos de Investigación  Avanzada en Defensa en 2000. Mientras tanto, la Oficina de Normas para la aplicación de leyes de NIST estuvo trabajando con las comunidades de aplicación de la ley y seguridad pública en normas de desempeño para robots de desactivación de bombas.

El primer paso fue trabajar con brigadas de emergencia para conocer qué necesitaban que hicieran los robots. De ese modo se obtuvo una lista de alrededor de 100 requerimientos de desempeño con métricas, umbrales y objetivos asociados. "Ya hacía casi un año que estábamos haciendo esto cuando el DHS decidió que para brindarle estructura al programa necesitaba un lugar de radicación de los métodos de prueba resultantes," dijo Messina. "Entonces buscamos, y un par de organizaciones de normas expresaron su interés, y ASTM International resultó ser la mejor opción."

"La participación es un factor crítico en cualquier actividad," dijo Timothy Brooke, vice presidente segundo de Operaciones del Comité Técnico, y gerente de personal del Comité E54 de Aplicaciones para la Seguridad Nacional. "Si no se tiene sentados a la mesa a todos los interesados, y hablo de las agencias de gobierno, la industria, los usuarios, los proveedores, los académicos, en realidad no se está en posición de lograr toda la eficiencia posible. La función de ASTM es ofrecer un foro en el que todas estas personas y expertos importantes se reúnan."

ASTM formó un grupo de tareas sobre robots aplicados a la búsqueda y rescate urbanos dentro del Subcomité E54.08 sobre Equipos Operativos, y sus miembros se pusieron a trabajar en el diseño de métodos de prueba para diversos requerimientos de desempeño. A medida que avanzaba el trabajo, NIST halló modos adicionales y únicos de evaluar los métodos de prueba: incorporándolos a una serie anual de eventos llamada RoboCupRescue, en la que robots US&R de todo el mundo compiten para demostrar movilidad, percepción de sensores, mapeo, teleoperación remota e incluso capacidades autónomas. En la actualidad, en RoboCupRescue se utilizan casi todos los métodos de prueba emergentes del grupo inicial.

"RoboCupRescue ha ayudado a ejercitar y refinar los métodos de prueba," explicó Jacoff, que preside la Liga de Robots RoboCupRescue. "Realmente está guiando a los creadores de robots hacia la respuesta a las necesidades del brigadista, y los ganadores están demostrándonos la siguiente ola de capacidades robóticas.

NIST ha encontrado la manera de subirse a esa ola invitando a los ganadores más destacados en cada tipo de RoboCupRescue a participar en ejercicios que desafían a los robots en entornos de búsqueda y rescate en el mundo real. "Organizamos estos eventos en diversos sitios de capacitación FEMA [Agencia Federal de Manejo de Emergencias]," indicó Messina. "Hay uno en la misma calle de las instalaciones de entrenamiento para incendios y rescate en el Condado de Montgomery (Maryland) y existe Disaster City." Disaster City es un lugar de capacitación en la Universidad A&M de Texas que incluye desde edificios colapsados hasta descarrilamientos de trenes. Junto con los robots de investigación, docenas de robots disponibles comercialmente (por lo general desarrollados para aplicaciones que no son US&R) se han sumado a los ejercicios, en los que los miembros de la fuerza laboral de US&R de FEMA los opera en escenarios reales de capacitación y practica con ellos los métodos de prueba.

Los ejercicios de evaluación de los robots no tienen espectadores, solo creadores de robots, sus robots y los primeros respondientes de todo el país que acuden para ver de qué son capaces las últimas tecnologías. "Los creadores desean venir a estos eventos," dijo Jacoff, "porque les damos acceso exclusivo a este panel de brigadistas en instalaciones que realmente les permiten probar sus robots. Lo que más me alienta es su deseo de que sus robots fallen en estos entornos extremadamente desafiantes. Están claramente interesados en ver qué pueden y qué no pueden hacer sus robots."

"La bueno de esto," expresó Messina, "reside en que estamos involucrando a los brigadistas en el punto de surgimiento de estas tecnologías, de modo que puedan ayudar a guiar el desarrollo hacia la respuesta a sus requerimientos. Y estamos trabajando en métodos de prueba estándar, no normas per se, por lo que no estamos robando ningún desarrollo. Los creadores tienen la libertad de solucionar el problema como deseen, y eso es lo que estamos viendo." Se rió. "Podrías decirse que todos estamos trabajando sin que nos entorpezca lo que creemos que ya sabemos," dijo.

Trabajo creativo con metal

"El tema más difícil en este momento para la gente del sector del metal," explicó John Sieber, químico investigador en la División de química analítica del Laboratorio de ciencia y tecnología química de NIST, "es convencer a los auditores y acreedores de que tienen la calidad del laboratorio bajo control." Un tema es la falta de herramientas analíticas para manejar el flujo estable de nuevas aleaciones; la industria está desarrollando nuevas aleaciones más rápido de lo que el NIST puede desarrollar los Materiales de Referencia Estándar para ellos.

Los SRM de NIST han sido el centro de la calidad industrial de los EE.UU. durante más de un siglo. El catálogo del instituto tiene casi 400 SRM activos sólo para metales industriales. Esto es un logro impresionante, pero aún carece de los requerimientos de la industria del metal, especialmente desde el advenimiento de la ISO 17025, Requerimientos generales para la competencia de laboratorios de prueba y calibración, y sistemas de garantía de calidad. Es un problema persistente que ha puesto a prueba la creatividad compartida de NIST y ASTM durante décadas.

El atasco comenzó alrededor de 1960, con la fundiciones produciendo una gran variedad de nuevas aleaciones, particularmente de cobre y aluminio. Luego la industria aeroespacial creó un nuevo mercado inmenso para las aleaciones de titanio, y la industria nuclear requirió aleaciones de zirconio. Thomas O´Toole, gerente de personal del Comité E01 sobre Química Analítica de metales, minerales y materiales relacionados, explica que hacia fines del 70 había tres comités técnicos que recurrían a NIST en busca de SRM relacionados con metales y minerales, y los recursos NIST no eran suficientes para manejar todas las peticiones. "NIST recibió demasiados materiales de referencia para desarrollar," dijo O´Toole, "y finalmente agregó `Ya no podemos hacerlo. Dedíquense a sus prioridades’ ”

ASTM lo hizo creando un comité para investigar a fondo los requerimientos de SRM. Luego, en los 80, las dos organizaciones firmaron un Memorando de Entendimiento que complementó los esfuerzos de SRM de NIST con fondos de la industria, que se reinvierten continuamente en SRM nuevos y renovados. Bajo su mandato del Congreso, NIST debe recuperar su inversión en desarrollo de SRM a través de ventas. La inversión de ASTM se recupera del mismo modo, mediante un recargo al precio de cada SRM. NIST devuelve el dinero a ASTM, y cada año ASTM lo reinvierte en el programa. "Eso", dijo Sieber, "mantiene en marcha algunos de los proyectos de metales y minerales."

Aún así, la necesidad de materiales de referencia del sector del metal supera ampliamente la capacidad de NIST de cubrirla. Por lo tanto, Sieber, miembro del Subcomité E01.22 de ASTM sobre Calidad del Laboratorio, ha buscado incrementar la participación de fabricantes y laboratorios dentro de la industria. El objetivo de NIST es concentrarse en proveer SRM clave al tiempo que respalda el aumentado desarrollo de materiales de referencia certificados, CRM, por los laboratorios comerciales. CRM es el término aceptado internacionalmente para los materiales de referencia de más alta calidad. NIST utiliza el término SRM para sus propios productos CRM.

La participación de la industria ha llevado también a éxitos cooperativos en la resolución de problemas específicos. "Durante una cierta cantidad de años, algunas de estas compañías de aleaciones de alta tecnología estuvieron solicitando a NIST más valores sobre un SRM de una aleación de níquel cobalto en particular", indicó Sieber, "y era algo costoso que nos iba a causar dificultades. Acudimos entonces a varias compañías, fabricantes y laboratorios, que ofrecen pruebas a terceros, y básicamente realizaron un proyecto de análisis cooperativo para nosotros." NIST entregó las muestras de material, los laboratorios privados realizaron las muestras y devolvieron sus datos, y los especialistas en estadísticas de NIST calcularon la mejor estimación del valor real basándose en los datos. "Pusimos esos números en nuestro certificado como valores de referencia," explicó Sieber, destacando que estos valores de referencia en particular no son resultado de análisis de NIST. "Son números bastante buenos, y responden a algunas de las preguntas de los fabricantes y sus clientes. Los fabricantes están muy contentos y piensan que éste podría ser un modelo para ciertos programas."

Sieber y otros consideran que estas soluciones creativas son al menos una respuesta parcial a la gran demanda de materiales de referencia de las industrias de los metales y los minerales, y cree fervientemente que ASTM está en posición de encontrar esas soluciones. "Que los fabricantes y los clientes elaboren normas juntos, definitivamente tiene una ventaja," dijo. Pero también cree que la situación exige aún más participación. "Tenemos una larga lista de miembros del Comité E01, pero solo una pequeña cantidad de compañías permiten a sus laboratorios participar en estudios para ayudar a elaborar los materiales de referencia. Existen muchos recursos allí afuera que simplemente no estamos utilizando. Si todas estas organizaciones se unieran y trabajaran a un nivel superior, podríamos hacer mucho más."

Dureza y calibración

Samuel Low es un ingeniero investigador de materiales y experto de NIST en dureza Rockwell, una medición de la dureza de la superficie de los materiales, que, a menudo, es un indicador importante de su durabilidad. El método de prueba de dureza Rockwell, que consiste en insertar un identador de bola de carburo de tungsteno o un identador cónico de diamante en la superficie de un material bajo ciertas cargas específicas y medir la profundidad de la indentación, fue desarrollado en 1921 y ha sido utilizado en todo el mundo desde entonces, especialmente por los fabricantes y compradores de acero. "Es una prueba muy rápida," dijo Low, "toma alrededor de 15 segundos, y es bastante poco destructiva. Es el ensayo más utilizado para controlar la calidad en la industria." En efecto, la norma ASTM E18, Métodos de Prueba de Dureza Rockwell de Materiales Metálicos, está entre los métodos de prueba más descargados en el catálogo de ASTM.

En la década del 80, un número creciente de problemas llevó a la industria de los EE.UU. a darse cuenta de que las bases de su método de prueba de dureza Rockwell no tenían consistencia. Siguieron 20 años de intensas discusiones y esfuerzo técnico que llevaron a NIST a desarrollar un nuevo SRM y al Comité E28 sobre Pruebas Mecánicas a publicar una revisión importante del método de prueba en 2007.

El problema central fue la calibración de las máquinas de prueba, que se realiza con bloques de dureza estandarizados de características conocidas. Los laboratorios privados fabrican los bloques, y un estudio de aquel momento demostró variaciones importantes entre los bloques de los diferentes proveedores. "Era como el huevo o la gallina," dijo Low. "Los laboratorios tenían bloques de dureza para verificar sus máquinas, pero no había un patrón nacional para controlar los bloques. Y entonces los errores se repetían en ciclos y se agravaban."

Las consecuencias fueron graves. "Alguien fabrica un material que está justo en el límite del rango de tolerancia aceptable, lo cual es correcto", explicó Low. "Luego lo envía al comprador, y la máquina del comprador está levemente descalibrada, y eso pone al material fuera del rango de tolerancia. De pronto, surge una disputa. Han habido muchos materiales rechazados que debieran haber sido aceptados y materiales aceptados que debieran haber sido rechazados. Y eso es costoso." Además, la desviación en la exactitud de la máquina estaba sacando a los EE.UU. de alineación con respecto a las escalas de dureza Rockwell utilizadas en otros países.

En 1988 ASTM se acercó a NIST para desarrollar un SRM para la dureza Rockwell: grupos de bloques de dureza de características uniformes bien documentadas que sirvan de referencia nacional con respecto a la cual puedan rastrearse todos los bloques de dureza producidos por otros laboratorios. "Cuando publicamos esa norma," dijo Low, "terminó cambiando la escala Rockwell C (escala aplicable al acero) en los EE.UU., que nos alineó aún más con otros países, pero también nos dio muchos dolores de cabeza. La gente tenía miedo de tener que descartar sus máquinas, lo cual no era cierto. Algunos debieron reemplazar sus indentadores, cosa que probablemente hubieran tenido que hacer igual, y realizar mantenimiento básico. Eso fue todo. Llevó cerca de un año y medio asentar todo, y ahora la situación general está bien." El resultado ha sido una mayor uniformidad y menos disputas en la industria, tanto nacional como internacionalmente. 

Una vez resuelto el problema de la calibración, el Subcomité E28.06 de ASTM sobre Pruebas de dureza de indentación, que preside Low, pasó a una revisión importante de la norma E18. Después de 10 años de votación, se emitió el año pasado. "Desde mi punto de vista, la nueva versión indica claramente la intención que tenía la versión vieja," expresó Low. "También tiene mejoras por cierto, pero el gran cambio es el formato. Es mucho más clara y funciona mucho mejor."

Esto demuestra que aún una vieja prueba  de 85 años cierta y comprobada puede ser mejorada.

Enfoque práctico de la calidad

Según Scott Orthey, gerente de personal de los Comités C01 sobre Cemento y C09 sobre Concreto y agregados del concreto de ASTM, la cantidad de miembros ha superado el doble en los últimos 10 años. Un motivo es el auge de la construcción en los países en desarrollo. Otra, es la conciencia creciente de la necesidad de los EE.UU. de tratar su propia infraestructura en deterioro. Mientras que muchas industrias se han unido a la filosofía de garantía de la calidad para mantener la integridad de sus laboratorios de prueba, las industrias del cemento y del concreto se están apegando a lo que mejor les funciona desde 1929: el Laboratorio de referencia del cemento y del concreto.

"El gobierno tuvo problemas con la uniformidad del cemento utilizado en los proyectos federales de construcción allá por la década del 20," explicó Ray Kolos, director de CCRL, "y reclamó a ASTM que necesitaba mejores normas. Resultó que la verdadera necesidad eran personas que recorrieran el país y garantizaran que los laboratorios estuvieran realizando las pruebas correctamente." ASTM y el gobierno federal crearon CCRL para hacer justamente eso y le dieron un lugar en NIST, en donde tendría acceso a los recursos técnicos del Instituto. "Fue un éxito desde el principio," dijo Kolos, "y ha seguido así desde entonces."

En la actualidad, CCRL tiene sus oficinas en la División de Investigación de construcción y materiales del Edificio y Laboratorio de Investigación en Incendios de NIST. El personal de CCRL cuenta con 16 inspectores, todos empleados de ASTM, que viajan a casi 500 laboratorios de ensayo de cemento y concreto por años, completando un ciclo entero de inspección de más de 1100 laboratorios cada 27 meses. Los inspectores llegan a cada lugar con un laboratorio de medición portátil calibrado según los patrones de NIST. Dedican la mayor parte de dos días a verificar las dimensiones y características operativas de los equipos críticos, observar a los técnicos durante la ejecución de los procedimientos de prueba de ASTM y a revisar los elementos del sistema de calidad comprendidos en las normas ASTM. Al final, CCRL entrega al laboratorio un informe de la adecuación de sus operaciones con respecto a los requerimientos de las normas ASTM.

CCRL también realiza  un Programa de Muestreo de Aptitud para ayudar a los laboratorios a controlar su desempeño entre las evaluaciones en el lugar. "En estos programas obtenemos materiales a granel (cemento hidráulico, concreto, acero de refuerzo, cenizas volantes, unidades de mampostería de concreto) y los procesamos para realizar muestras homogéneas," dijo el Gerente General de CCRL, Peter Spellerberg. "Distribuimos las muestras en pares, solicitamos a los laboratorios participantes que ejecuten una serie de pruebas con ellas y nos devuelvan los resultados para su análisis."

"Lo más importante sobre las muestras es que tienen propiedades de prueba uniformes," explicó Kolos. "Las propiedades de prueba específicas del material se determinan estadísticamente mediante el uso de valores consensuados. Según la cantidad de desviaciones estándar de los resultados de la prueba de cada laboratorio con respecto a los valores consensuados, determinamos una clasificación. Y la clasificación otorga a cada laboratorio una idea de la calidad de su desempeño."

Las inspecciones de CCRL y los PSP dan a los laboratorios industriales información invaluable para mantener la calidad, y respaldan los programas de normas ASTM y NIST. Cuando un comité técnico de ASTM tiene un método de prueba en estado de borrador, CCRL puede solicitar a los laboratorios que participan en su PSP que realicen pruebas con el método nuevo o modificado además de la batería usual de pruebas. Esto le da al comité una opinión real en la etapa de borrador. Cuando ASTM emtie un método de prueba nuevo o modificado, los inspectores de CCRL ofrecen tutorías y responden preguntas en los laboratorios que visitan. "Si advertimos que varios laboratorios están teniendo un problema o están confundidos con un nuevo procedimiento," dijo Kolos, "lo registramos y comunicamos a los comités técnicos. Y podemos hacer alguna sugerencia sobre cambios en la redacción para que resulte más claro." Una vez realizado el cambio, los resultados siguientes de la inspección de CCRL brindan un seguimiento para evaluar si el cambio resolvió el problema.

Orthey agregó que CCRL está cumpliendo una función en más de 225 estudios entre laboratorios que ASTM está desarrollando para brindar enunciados precisos en sus métodos de prueba. "Debido a CCRL, tenemos un gran equipo de laboratorios de los que obtener datos," afirmó. "Y utilizamos esos laboratorios para pruebas sobre otros materiales además del concreto. Carbón, por ejemplo."

Para NIST, CCRL es una fuente de materiales y datos. "Ayudamos a NIST obteniendo los materiales que ellos usan para desarrollar los SRM de cemento Pórtland," agregó Spellerberg. "También podemos hacer algo de procesamiento de materiales, y por cierto ofrecemos datos de los Programas de Prueba de Aptitud." NIST y sus socios industriales también han utilizado los datos de los PSP para desarrollar modelos de computación para Laboratorios de Prueba de cemento y concreto virtuales de BFRL, un paquete de programas basados en la web para predecir el comportamiento de materiales basados en cemento y reducir la cantidad de pruebas físicas requeridas por los productores, ingenieros e investigadores del concreto.

"Estamos en NIST," concluyó Kolos, "porque compartimos la misma meta: mejorar las pruebas de materiales. En ese aspecto somos un bueno equipo, una sociedad que definitivamente ha trabajado para mejorar el país y la industria."

Robert Ausura, escritor y fotógrafo, reside en Gaithersburg, Maryland.