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EL PROCESO DE DISEÑO MECÁNICO

Dr. Antonio de Jesús Balvantín García

TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN 2. NECESIDAD PRIMMITIVA 3. ANÁLISIS DE LA NECESIDAD 4. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA 5. REVISIÓN DE SOLUCIONES EN EL PASADO 6. ANÁLISIS DE FACTIBILIDAD 7. ANÁLISIS COMPARATIVO 8. DISEÑO PRELIMINAR 9. CONSTRUCCIÓN DE UN PROPOTIPO 10. PRUEBAS DE UN PROTOTIPO 11. DISEÑO DEFINITIVO 12. PRUEBAS DEL DISEÑO DEFINITIVO

Introducción:

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Proceso de Diseño El proceso básico de diseño es una forma particular para la resolución de problemas cuyas actividades se dirigen desde los objetivos (las funciones) hacia los medios (el diseño).

Inicialmente, ¿cómo es el proceso de desarrollo de un producto en las empresas? …

La situación actual

• En muchas organizaciones, el diseño y la manufactura son departamentos independientes.

• Se trabaja con un estilo “por encima del muro”.

Mercadotecnia Diseño Manufactura. Ventas y Servicio

Este enfoque secuencial no reconoce el impacto del Diseño en las actividades subsecuentes.

Existe una naturaleza secuencial para el Desarrollo de Productos:

Introducción: El Proceso de diseño


Ingeniería sobre el muro


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Introducción tradicional de productos


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…cuando debería ser así!



Paso de la información de

diseño a manufactura



Sistema tradicional: organización por funciones

Ingeniería concurrente vs. Ingeniería secuencial


Sistema mixto: organización matricial



Sistema concurrente: organización por líneas de productos



Definición de Ingeniería Concurrente Nueva forma de concebir la ingeniería de diseño y desarrollo de productos y servicios de forma global e integrada donde concurren las siguientes perspectivas: 1. Desde el punto de vista del producto.

2. Desde el punto de vista de los recursos humanos

3. Y, desde el punto de vista de los recursos materiales.



Diferencias entre la Ingeniería Concurrente y la Ingeniería Tradicional: Aceleración del gasto y reducción de inversión global



Necesidades del cliente

La decisión de desarrollar un producto parte de la manifestación de una necesidad o del reconocimiento de una oportunidad que puede tener numerosos orígenes comprendidos entre los dos extremos siguiente: •La petición explícita de un cliente (producto por encargo, máquina especial)

•Un estudio de mercado del fabricante (nueva oferta, rediseño de un producto)

Identificación de la Necesidad


Identificación de la Necesidad Primitiva


Antes del diseño de una nueva máquina o dispositivo generalmente aparece una situación que requiere una mejora. 1. No es un problema bien definido. 2. Con frecuencia no se dispone de datos suficientes. para evaluar

su importancia y definir el problema. 3. Con frecuencia la situación problemática no es clara y no se

conoce completamente las causas que la originan. 4. La situación problemática puede originarse en la necesidad de

una mejora, tal como producir a mayor velocidad, eliminar un daño ecológico o mejorar la calidad.

A tal situación inicial se le llama necesidad primitiva

Necesidad Primitiva


Una vez que se enfrenta una necesidad primitiva, se debe proceder a efectuar el análisis de esta, lo cual implica: 1. Clarificar la situación problemática definiéndola en términos

objetivos mediante indicadores medibles correspondientes al estado inicial.

2. Analizar la importancia de la necesidad en términos de los efectos de la situación existente. ¿La necesidad es realmente relevante? El análisis de la necesidad puede requerir de análisis estadísticos, de costos de oportunidad, impacto ecológico, impacto social etc.

3. El resultado de esta etapa debe ser: la propuesta sustentada de proceder o no con la búsqueda de una forma de satisfacer la necesidad, así como las condiciones deseables.

Análisis de la Necesidad


A partir del análisis de la necesidad se define un problema de ingeniería cuya solución podría satisfacer la necesidad o mejorar sustancialmente la problemática. Es indispensable adoptar una visión sistémica que considere tanto el sistema a diseñar (aún en abstracto) como sus interacciones con otros sistemas.

Definición del Problema


De acuerdo con Archer (1971), se pueden considerar 6 etapas en el proceso de desarrollo de un proyecto: 1. Planificación estratégica 2. Búsqueda 3. Diseño 4. Desarrollo 5. Inicio de la fabricación y comercialización 6. Producción

Planeación del producto/proyecto



Planificación Estratégica

1. Formular una política 1.1 Establecer objetivos estratégicos 1.2 Hacer un esbozo de calendario, presupuesto

y líneas maestras para la innovación

Búsqueda (Orientada al

producto, mercado, materiales y a fabricación)

2. Búsqueda preliminar 2.1 Seleccionar una invención, un descubrimiento, un

principio científico, una idea de producto o una tecnología de base.

2.2 Identificar una necesidad, un mercado nuevo, un de los usuarios, un producto defectuoso u otro valor

2.3 Establecer el estado de la técnica (bibliográfico y en el mercado)

2.4 Preparar un esbozo de especificaciones (especificación 1)

2.5 Identificar posibles áreas con problemas críticos



Búsqueda (Orientada al

producto, mercado,

materiales y a fabricación)

3. Estudio de viabilidad 3.1 Establecer la viabilidad técnica (cálculos básicos) 3.2 Establecer la viabilidad económica (análisis

económico) 3.3 Resolver los problemas críticos (invenciones) 3.4 Esbozar una solución global (esquema de diseño

1) 3.5 Estimar el trabajo de las fases 4 y 5 y la

probabilidad de éxito (análisis del riesgo)

Diseño

4. Desarrollo del diseño 4.1 Complementar y cuantificar la especificación

(especificación 2) 4.2 Desarrollar el diseño hasta el detalle (diseño ) 4.3 Predecir el comportamiento técnico y costo del

producto 4.4 Preparar la documentación del diseño 4.5 Realizar experimentos de evaluación del diseño técnico

y pruebas con usuario



Diseño

5. Desarrollo de prototipos 5.1 Construir maquetas y prototipos (prototipos 1) 5.2 Realizar ensayos de laboratorio con prototipos 5.3 Evaluar el comportamiento técnico 5.4 Realizar pruebas de usuarios con prototipos

(pruebas 1) 5.5 Evaluar el comportamiento durante el uso 6. Estudio de mercado 6.1 Evaluar de nuevo el mercado a la luz de las pruebas 6.2 Evaluar de nuevo los costos 6.3 Evaluar la relación entre fabricación y comercialización 6.4 Revisar los objetivos básicos (planificación estratégica) y

el desarrollo del presupuesto 6.5 Revisar la especificación (especificación 3)



Diseño

7. Desarrollo de la producción 7.1 Desarrollar un diseño para la producción (diseño

3) 7.2 Preparar la documentación para la fabricación 7.3 Diseñar pruebas técnicas, de usuario y de

mercado 7.4 Construir prototipos de preproducción

(prototipos 2) 7.5 Hacer pruebas técnicas, de usuario y de mercado

(pruebas 2) 7.6 Evaluar el resultado de las pruebas y modificar el

diseño 8. Planificación de la producción 8.1 Preparar la planificación de la producción 8.2 Preparar la planificación de la comercialización 8.3 Diseñar el embalaje, el material de promoción y el

manual de instrucciones 8.4 Diseñar las herramientas y los dispositivos



Inicio de la fabricación y

comercialización

9. Fabricación de dispositivos y preparación de la producción

9.1 Construir las herramientas y dispositivos 9.2 Fabricar una preserie con los dispositivos

(prototipos 3) 9.3 Hacer pruebas con los productos de preserie

(pruebas 3) 9.4 Realizar los materiales de promoción y otros 9.5 Instalar los equipos de comercialización 9.6 Instalar los equipos de control de la producción

Producción 10. Producción y ventas 10.1 Iniciar el despliegue comercial 10.2 Iniciar la producción y las ventas 10.3 Recopilar la información del mercado, los usuarios, las

reparaciones y el mantenimiento 10.4 Hacer recomendaciones para una segunda generación

del producto (etapas de la 2 a la 4) 10.5 Hacer recomendaciones sobre investigaciones (etapas

1 y 2)



¿Cuál fue la clave del éxito del “Auto de la Gente”?



Development 1938- 1946 No activity Due to 2nd

World war

Growth By 1955 1 Million cars sold.

Maturity 1965 1 million cars per month

Saturated 1971 1.3 million cars per month

Decline 1972- 1995 30000 cars per month

New Design 1998- 2005 891 159 Cars sold

Rejuvenate the Product 2011

1938- 1946 1950- 1965 1971- 1994 1998- 2005 New model to target new markets such as a 4 door family car and 4 wheel drive

2011-



Versión revisada de la primera formulación de la metodología IPD realizada por Fredy Olsson en 1976.

Desarrollo Integrado de Producto


Modelo modificado IPD de Hein, Andresean y Olsson de 1984.



Importancia de la integración entre áreas funcionales



¿Es lo mismo “Esto no existe en el mercado” a “Esto no se había

inventado”?

El Proceso de diseño y diseño conceptual


Artículo 15 (LPI).-Se considera invención toda creación humana que permita transformarla materia o la energía que existe en la naturaleza, para su aprovechamiento por el hombre y satisfacer sus necesidades concretas. Artículo 16 (LPI).-Serán patentables las invenciones que sean nuevas, resultado de una actividad inventiva y susceptibles de aplicación industrial.

El Proceso de diseño y diseño conceptual


De acuerdo con lCSlD (International Council of Societies of Industrial Design): El diseño industrial es una actividad proyectual que consiste en determinar las propiedades formales de los objetos producidos industrialmente. Por propiedades formales no hay que entender tan sólo las características exteriores, sino sobre todo, las relaciones funcionales y estructurales que hacen que un objeto tenga una unidad coherente desde el punto de vista tanto del productor como del usuario, puesto que, mientras la preocupación exclusiva por los rasgos exteriores de un objeto determinado conlleva el deseo de hacerlo aparecer más atractivo o también disimular sus debilidades constitutivas, las propiedades formales de un objeto son siempre el resultado de la integración de factores diversos, tanto si son de tipo funcional, cultural, tecnológico o económico.

Diseño Industrial


Se deben considerar aspectos como: •Modos de operación principales, ocasionales y accidentales del producto •Entorno donde opera •Servicios de entorno •Aspectos de fabricación •Aspectos comerciales •Aspectos legales •Política general de la empresa.

Diseño Industrial


Diseño conceptual

Diseño de materialización o

configuración Diseño de

detalle

Diseño Industrial


Proceso básico de

diseño

Proceso básico de

investigación experimental

El Proceso Básico de diseño


Definición del producto

Diseño conceptual

Diseño de materialización

Diseño de detalle

Etapas del proceso

de diseño según la norma

alemana VDI 2221

El Proceso de diseño


El Proceso de diseño


Métodos Complementarios de Diseño

QFD: Despliegue de la Función de Calidad, FMEA: Análisis de Modos de Fallas y Efectos, FTA: Árbol de Fallos, FDB: Diagramas de Ishikawa (Fish Bones Diagram), DE: Diseño de Experimentos, DP: Diagramas de Pareto.

Métodos Complementarios de Diseño


Un primer paso importante en el diseño es tratar de clarificar los objetivos del diseño. Algunos objetivos del diseño están contenidos en la descripción del diseño; otros deben obtenerse cuestionado al cliente, o discutiendo con el equipo de diseño. Procedimiento •Preparar un lista de objetivos de diseño •Ordenar la lista en conjuntos de objetivos de nivel superior y nivel superior. •Dibujar un árbol diagramático de objetivos, mostrando relaciones jerárquicas e interconexiones.

Árbol de objetivos


Lista de objetivos de diseño Se puede comenzar con objetivos vagos, para luego ir clarificándolos. Por ejemplo, un objetivo para una máquina-herramienta es que sea segura, pero puede expandirse a significar: •Bajo riesgo para el operador •Bajo riesgo de errores del operador •Bajo riesgo de daño a la pieza de trabajo o herramienta •Desconexión automática en caso de sobrecarga

Las preguntas que son útiles para expandir y clarificar objetivos son las simples como ¿Por qué?, ¿cómo? Y ¿qué?.

Árbol de objetivos


Ordenar la lista en conjuntos de objetivos de alto nivel y bajo nivel Conforme se expande la lista de objetivos, se debería volver claro que algunos están a un nivel de importancia más altos que otros; sub-objetivos se podrían fusionar para alcanzar los objetivos más altos y algunas de estos serán medios para lograr ciertos objetivos. Un ejemplo es “desconexión automática en caso de sobrecarga”, que no es un objetivo como tal, pero es el medio para lograr uno, como “bajo riesgo de daño a la pieza de trabajo o herramienta”. Sucesivamente, éste último es en si mismo un objetivo de nivel inferior de aquel objetivo general de seguridad. Entonces, la lista de seguridad podría ser:

•La máquina debe ser segura

•Bajo riesgo para el operador •Bajo riesgo de errores del operador •Bajo riesgo de daño a la pieza de trabajo o herramienta

•Desconexión automática en caso de sobrecarga

Árbol de objetivos


Dibujar un árbol diagramático de objetivos

Conforme se escriban y revise n las lista, probablemente se observará que algunos sub-objetivos están relacionados, o son medios para alcanzar, más de un objetivo de nivel superior. Entonces un diagrama de las relaciones jerárquicas de estos objetivos y sub-objetivos podría ser el que se muestra arriba.

Árbol de objetivos


1. Expresar la función general para el diseño en términos de la conversión entradas en salidas: hay que concentrarse en ¿qué debe lograrse con el nuevo diseño y no en cómo es que logrará?

Se recomienda hacer esta función general tan amplia como sea posible.

Análisis de funciones


2. Descomponer la función general en un conjunto de sub-funciones esenciales: no es una tarea simple…

3. Dibujar una diagrama de bloques mostrando las interacciones entre las sub-funciones.

4. Dibujar la frontera del sistema 5. Buscar componentes apropiados para llevar a cabo las sub-funciones y sus

interacciones.

Análisis de funciones


En el desarrollo de productos, estos deben realizar una serie de operaciones para cumplir las funciones que se le han encomendado, y que van a dar la dimensión de su valor de uso. Se pueden localizar aquellos sistemas encargados de desarrollar funciones sin las cuales el producto está imposibilitado de desarrollar sus funciones; mediante análisis de operaciones secuenciales. Estos sistemas principales, donde se realiza la operación básica del producto y donde se determina el fenómeno que más influye en su rendimiento, se llaman “Sistemas frontera” y este fenómeno principal se llama la frontera del producto. Para esto se desarrolla el análisis funcional, el cuál nos sirve para aclarar las funciones que debe realizar el producto, su interacción y a partir de éste análisis se plantea la forma de solucionar dichas funciones.

Diagramas Funcionales


El análisis funcional se desarrollar el modelado con diagrama de bloques, donde las interacciones se dan por la secuencia de operación. Se recomienda definir las funciones que cumple el producto, siguiendo la técnica FAST del análisis de valor (Fowler, 1982), donde se describen las funciones mediante dos palabras, la primera forzosamente es un verbo, mientras que la segunda es un sustantivo. Están prohibidos utilizar los siguientes verbos:

•Hacer •Estar •Ser •Deber •Haber •Tener



Una especificación define el desempeño requerido, y no el producto requerido. El propósito de la especificación de desempeño es hacer una especificación adecuada del desempeño requerido de una solución del diseño. El procedimiento es el siguiente: 1. Considerar los diferentes niveles de generalidad de solución que pueden

ser aplicables. Podría haber una variedad entre: • Alternativas de producto • Tipos de producto • Características de producto

Fijación de requerimientos (Especificación de desempeño)


2. Determinar el nivel de generalidad al cual operar. Esta decisión es usualmente

hecha por el cliente. Mientras más alto sea el nivel de generalidad, más libertan tiene el diseñador.

3. Identificar los atributos de desempeño requeridos. Los atributos debe ser expresados en términos que sean independiente de cualquier solución particular.

4. Enunciar requerimientos de desempeño breves y precisos para cada atributo. Cuando sea posible, las especificaciones deberían estar en términos cuantificables, y debería identificar rangos entre límites.

Fijación de requerimientos (Especificación de desempeño)


Su propósito es generar el rango completo de alternativas de soluciones de diseño y por ende de ampliar las nuevas soluciones potenciales. El procedimientos es : 1. Enlistar los rasgos o funciones que son esenciales para el producto. Aunque no

muy larga, la lista debe cubrir exhaustivamente las funciones, a un nivel apropiado de generalización.

2. Para cada rasgo o función, enlistar los medios por la cual pueda llevarse a cabo. Estas listas puede incluir nuevas ideas así como componentes o sub-componentes existentes.

3. Dibuje una gráfica conteniendo todas las sub-soluciones posible. Ésta representa el espacio total de solución para el producto, conformado por la combinación de sub-soluciones.

4. Identificar combinaciones posibles de sub-soluciones. En número total de combinaciones posibles puede ser muy largo , y entonces las estrategias de búsqueda deben ser guidadas por restricciones o criterios.

Diagrama morfológico


Se utiliza para comparar valores utilitarios de propuestas de alternativas de diseño, en la base de desempeño contra objetivos ponderados diferencialmente. 1. Enlistar los objetivos. Estos pueden necesitar una modificación de la lista inicial; un árbol de objetivos puede ser también un rasgo característico de este método. Los objetivos incluirán factores técnicos y económicos, requerimientos del usuario, requerimientos de seguridad, entre otros… 2. Priorizar la lista de objetivos. La comparación de pares puede ayudar establecer este orden. Se empieza preguntando, es “A más importante que B?” …. “que C?”… “que D?”

B C D A E

Ponderación de objetivos


3. Asignar pesos relativos a los objetivos. Estos valores numéricos deberían estar en una escala de intervalos; una alternativa es asignar pesos relativos a los diferentes niveles de un árbol de objetivos, entonces la suma de todos los pesos es 1.0 4. Establecer parámetros de desempeño o puntuación de utilidad para cada uno de los objetivos. Ambos, objetivos cuantitativos y cualitativos deberían reducirse a desempeño en escalas puntuales simples. 5. Calcular y comparar los valores utilitarios relativos de las alternativas de diseño. Multiplicar cada puntuación del parámetro por su valor ponderado. La mejor alternativa tiene el valor más alto de la suma; la comparación y discusión de los perfiles del valor utilitario podría ser una ayuda del mejor diseño que simplemente escoger el mejor.

Ponderación de objetivos


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