El diseño

Diseñar es formular un plan para satisfacer una necesidad específica o resolver un problema particular es un proceso innovador y altamente iterativo. Si el plan resulta en la creación de algo físicamente real, entonces el producto debe ser funcional, seguro, confiable, competitivo, útil, que pueda fabricarse y comercializarse.

Es una actividad que requiere una intensa comunicación. Los ingenieros deben comunicarse en forma eficaz y trabajar con gente con formación en muchas disciplinas.

Las capacidades del diseñador en cuanto a creatividad y habilidad se relacionan con el uso de tecnología y sus principios fundamentales además de las herramientas de la ingeniería se combinan para producir un plan, que cuando se lleva a cabo, crea un producto con las características anteriormente mencionadas.

El diseño en ingeniería mecánica

El diseño en ingeniería mecánica involucra todas las áreas que componen esta disciplina, entre ellas están la mecánica de sólidos, fluidos, la transferencia de masa y momento, los procesos de manufactura y las teorías de la electricidad y de la información.

Fases e interacciones del proceso de diseño

Comienza con la identificación de una necesidad y la decisión de satisfacerla. A menudo la necesidad no es del todo evidente; el reconocimiento se acciona por una circunstancia adversa o por un conjunto de circunstancias aleatorias que se originan casi de manera simultánea.

Existe una diferencia entre el enunciado de la necesidad y la identificación del problema. La definición del problema es más específica y debe incluir todas las especificaciones del objeto que va a diseñarse. Las especificaciones definen el costo, cantidad a manufacturar, vida esperada, el intervalo, temperatura de operación y la confiabilidad, mientras que las características específicas son las velocidades, avances, limitaciones de la temperatura, los rangos máximos, las variaciones esperadas en las variables, las limitaciones dimensionales y de peso, etc.

Hay muchas especificaciones implicadas que resultan del entorno particular del diseñador o de la naturaleza del problema. Los procesos de manufactura disponibles, junto con las instalaciones de cierta planta, constituyen restricciones a la libertad del diseñador además de las habilidades de trabajo disponibles y la situación competitiva.

El primer y más importante paso en la tarea de la síntesis es llamado diseño conceptual que sugiere que deben proponerse varios esquemas de solución, investigarse y cuantificarse en términos de medidas establecidas. A medida que el desarrollo del esquema progresa se deben realizar análisis para evaluar si el desempeño del sistema es satisfactorio y si lo es, cuán bien se desempeñara. Los esquemas de solución no sobreviven al análisis, se revisan, se mejoran o se desechan y los de mayor potencial se optimizan para determinar el mejor desempeño.

Tanto el análisis como la optimización requieren que se construyan o desarrollen modelos abstractos del sistema que admitirá alguna forma de análisis matemático. A estos modelos se les llama modelos matemáticos. Cuando se desarrollan se espera que sea posible encontrar uno que simule muy bien al sistema físico real. Seguido a esto, se pasa a la fase de evaluación que representa la prueba final de un diseño exitoso y, por lo general, implica una prueba de prototipo en el laboratorio con el fin de saber si el diseño satisface las necesidades.

Presentación y comunicación de los resultados a otros es el paso final y vital del proceso de diseño.

Responsabilidades profesionales del ingeniero de diseño

En general el ingeniero de diseño debe satisfacer las necesidades de los usuarios y se espera que lo haga en forma competente, responsable, ética y profesional.

La responsabilidad y el profesionalismo se empiezan a desarrollar al inicio de un programa educativo, en el cual se debe cultivar la ética de trabajo profesional y aptitudes de procesamiento antes de graduarse, de manera que esté preparado para enfrentar los retos cuando inicie formalmente su carrera de ingeniería.

Cuando trabaje en un problema de diseño es importante que desarrolle un enfoque sistémico. Los siguientes pasos deben recibir una atención especial, lo cual le ayudara a organizar su técnica de procesamiento de la solución:

Entienda el problema Identifique la información conocida Identifique la información desconocida y formule la estrategia de solución Establezca todos los supuestos y todas las decisiones Analice el problema Evalúe la solución Presente su solución

Como se estableció antes todos los procesos de diseño son iterativos e interactivos. Por lo tanto, puede ser necesario repetir algunos o todos los pasos anteriores más de una vez si se obtienen resultados no satisfactorios.

Normas y códigos

Una norma es un conjunto de especificaciones para partes, materiales o procesos establecidos a fin de lograr uniformidad, eficiencias y cantidad especificadas. Uno de los propósitos más importantes es poner un límite al número de variaciones que pueden surgir al crear arbitrariamente una pieza, material o proceso.

Un código es un conjunto de especificaciones para analizar, diseñar, manufacturar y construir algo. Su propósito consiste en lograr un grado específico de seguridad, eficiencia y desempeño o calidad. Es importante observar que los códigos de seguridad no implican seguridad absoluta, esta es imposible de obtener.

Aspectos económicos

La consideración del costo tiene una función tan importante en el proceso de la decisión de diseño que fácilmente podría emplearse el mismo tiempo para estudiar el factor del costo que el dedicado para realizar el estudio de todo el tema de diseño.

Primero tome en cuenta que no se puede decir nada en un sentido absoluto respecto de los costos. A menudo, los materiales y la mano de obra incrementan su costo de un año a otro. Pero es de esperar que los costos del procesamiento de materiales presenten una tendencia a la baja debido al empleo de máquinas herramientas automatizas y robots industriales. El costo de fabricar un mismo producto varía de ciudad en ciudad y de una planta a otra, debido a las diferencias

entre los gastos generales, mano de obra, impuestos y fletes y a las ligeras variaciones en la manufactura.

Tamaños estándar

La utilización de tamaños estándar o comunes es el principio fundamental de la reducción del costo.

Tolerancias amplias

Las tolerancias de los diseños influyen de muchas maneras en la factibilidad de fabricación del producto final; las tolerancias estrictas quizá necesiten pasos adicionales en el procesamiento o incluso provocan que la producción de una pieza sea económicamente impráctica. Las tolerancias cubren la variación dimensional y el intervalo de rugosidad superficial, así como la variación de propiedades mecánicas que generan el tratamiento térmico y otras operaciones de procesamiento.

Puntos de equilibrio

Algunas veces sucede que cuando se compara el costo de dos o más enfoques de diseño, la elección entre ellos depende de un conjunto de condiciones como las cantidades de producción, la velocidad en las líneas de ensamble o alguna otra condición. Así, se llega a un punto que corresponde a costos iguales, el cual se llama pinto de equilibrio.

Estimaciones de los costos

Hay muchas formas de obtener las cifras de los costos relativos, de manera que se pueda hacer una comparación aproximada de dos o más diseños. Se pueden utilizar diversos estimadores de costos, según sea la aplicación, como área, volumen, potencia, par de torsión, capacidad, velocidad y diversas relaciones de desempeño.

Seguridad y responsabilidad legal de producto

En Estados Unidos de América prevalece el concepto de la responsabilidad legal estricta, el cual dispone que el fabricante de un artículo es legalmente responsable por cualquier daño perjuicio que provoque debido a un defecto. Y no importa si el fabricante sabia o no acerca del defecto.

Las mejores formas para prevenir la responsabilidad legal son la buena ingeniería del análisis y el diseño, el control de calidad y los procedimientos exhaustivos de pruebas.

Factor de diseño y factor de seguridad

Un enfoque general del problema de la carga permisible contra la carga de pérdida de función es el método del factor de diseño determinístico, al que algunas veces se le llama método clásico de diseño. La ecuación fundamental es:

nd=parámetrode pérdidade funciónparámetro máximo permisible

Donde nd se conoce como factor de diseño. El factor de diseño real puede cambiar como resultado de modificaciones como el redondeo a un tamaño estándar de una sección transversal o el uso de componentes recién lanzados con clasificaciones más altas en lugar de emplear lo que se había calculado usando el factor de diseño. En este caso, el factor se conoce como factor de seguridad, n, que tiene la misma definición que el factor de diseño, pero por lo general difiere en su valor numérico.

Confiabilidad

Es donde se conoce o se determina la distribución de los esfuerzos y de las resistencias; después se relacionan las dos con objeto de lograr un índice de éxito aceptable.

La medida estadística de la probabilidad para que un elemento mecánico no falle en el servicio se llama confiabilidad de ese elemento. La confiabilidad R puede expresarse mediante:

R=1−pf

Donde pfes la probabilidad de falla, dada por el número de ocurrencias de falla sobre el número total de ocurrencias posibles

Según el método de confiabilidad de diseño, la tarea del diseñador consiste en hacer una selección sensata de materiales, procesos y dimensiones para logar un objetivo específico de confiabilidad.

Si un sistema mecánico falla cuando lo hace cualquiera de sus componentes, se dice que es un sistema en serie. Si en un sistema de n componentes en serie la confiabilidad del componente i es Ri, entonces la confiabilidad del sistema está dada por:

R=∑i=1

n

Ri

¿Qué es el diseño?

En ingeniería según Thomas Tredgold “es el arte de dirigir las vastas fuentes de poder de la naturaleza para el uso y conveniencia del hombre”

Diseño es la transformación de conceptos e ideas en maquinaria útil. Una máquina es una combinación de mecanismos y de otros componentes que transforma, transmite o emplea energía, carga o movimiento para un propósito específico.

Una máquina comprende varios elementos diferentes, diseñados apropiadamente y arreglados para trabajar en conjunto como una unidad. Las decisiones fundamentales concernientes a la carga, a la cinemática y la selección de materiales deben tomarse durante el diseño de la máquina. También es necesario considerar otros factores como resistencia, confiabilidad, tribología, deformación, costo y necesidades de espacio.

Diseño de elementos de máquinas

El diseño adecuado de un elemento de máquina usualmente comprende los siguientes pasos:

1. Selección del tipo adecuado del elemento de máquina desde la consideración de su función.

2. Estimación del tamaño del elemento de máquina que sea probable para ser satisfactorio.

3. Evaluación del desempeño del elemento de máquina contra los requisitos a cumplir.

4. Modificación del diseño y de las dimensiones hasta que el desempeño esté cerca de cualquier punto óptimo considerado más importante.

Una vez que se selecciona el tipo adecuado de un elemento de máquina para la función que se requiere, se diseña el elemento de máquina específico analizando la cinemática, la carga y el esfuerzo. Estos análisis acoplados con una selección adecuada del material permitirán la evaluación del esfuerzo – deformación, unitario – resistencia en términos de un factor de seguridad.

Se considera que ha fallado un elemento de máquina:

Cuando es completamente inoperable. Cuando aún es operable pero es incapaz de desempeñar

satisfactoriamente su función programada. Cuando un serio deterioro lo ha hecho inconfiable o inseguro para su

uso continuo.

Consideraciones fundamentales de diseño

Modos de Falla y análisis de Efectos y árbol de fallas

Algunas herramientas comunes, disponibles para los ingenieros de diseño, son los modos de falla y el análisis de efectos (FMEA por sus siglas en inglés) y el análisis del árbol de fallas.

Los FMEA abordan los efectos de las fallas de los componentes en el sistema completo, fuerzan al ing. de diseño a considerar exhaustivamente los modos de falla predecibles para cada componente. Son flexibles, permiten que las hojas de datos se ajusten para aplicaciones particulares.

En el análisis del árbol de fallas la información estadística se incorpora al análisis de los modos de fallas para ayudar a identificar los más probables (en oposición a los posibles).

A los diseñadores de máquinas se les requiere legalmente proporcionar productos razonablemente seguros y que consideren los usos propuestos al producto, así como los abusos previsibles. La utilización de estas dos técnicas también ayuda a identificar abusos no previsibles. El ejemplo clásico de un abuso previsible, es el de una silla propuesta como asiento, y que alguien se pare sobre ella para cambiar un foco. Aunque el uso real no fue el que propuso el diseñador, el abuso es previsible y el diseñador tiene que producir una silla en la que alguien se pueda sentar y parar con seguridad. Por supuesto, ésta también es la expectativa del público.

Las computadoras en el diseño

Es la aplicación de la tecnología de las computadoras a la planeación, realización e implementación al proceso de diseño. Las computadoras permiten que se integren virtualmente todas las fases del proceso de diseño.

El diseño asistido por computadora permite que el diseñador visualice las configuraciones geométricas sin tener que elaborar modelos costosos, interacciones o prototipos.

La inteligencia artificial (AI por sus siglas en inglés) intenta duplicar cómo funciona la mente humana y aplicarla a los procesos en la computadora. Algunas veces sirven para describir casos donde la computadora se emplea más que solo como herramienta de dibujo y en realidad ayuda en las tareas intelectuales del diseño.

Los sistemas expertos son programas de computadoras basados en reglas que resuelven problemas especializados al nivel de experto, y proporcionan habilidades para resolución de problemas al ingeniero de diseño.