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METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE MÁQUINAS
Ing. Manuel Ignacio Ayala Chauvin
La presente guía es una METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DISE ÑO DE MÁQUINAS Y ELEMENTOS DE MÁQUINAS, lectura de obligatoria de la unidad Diseño Mecánico Módulo 7 de la carrera de Ingeniería en Electromecánica de la Universidad Nacional de Loja.
Primera edición: Julio de 2012
Diseño de la cubierta: © los autores, 2012 © Ediciones UNL, 2012 Ediciones de la Universidad Nacional de Loja Ediciones Virtuales: www.unl.edu.ec E-mail:
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Tabla de contenidos 1 Notas básicas sobre el proceso de diseño.................................................................................. 4 1.1 Condiciones básicas y objetivos ............................................................................... .......................................................................................... ........... 4 La Metodología de diseño: ................................................................... .................................................................................................... ................................. 8 La ciencia del diseño: ............................................................... ............................................................................................................ ............................................. 9 1.2 Proceso de resolución de problemas y pasos del trabajo de diseño ................................ ................................ 10 Definición y aclaración del problema .............................................................. .................................................................................. .................... 13 Diseño Conceptual .................................................................... .............................................................................................................. .......................................... 13 Realización de Diseño............................................................... .......................................................................................................... ........................................... 14 Diseño de detalle........................................................... ................................................................................................................. ...................................................... 14 1.3 Definición y descripción de los sistemas técnicos ............................................................. 14 2 Aclaración de la definición del problema, la lista de los requisitos ......................................... 16 3 Función de Análisis y Descripción de las interrelaciones técnicas ........................................... 22 4. Métodos para Encontrar la Solución ................................................................... ....................................................................................... .................... 22 4.1 Requisitos básicos para la Búsqueda de solución ............................................................. ............................................................. 22 4.2 Los niveles de búsqueda, los métodos convencionales de alcance general ..................... 23 4.3 Métodos intuitivos ............................................................................................................ 26 4.3.1 Lluvia de ideas Brainstorming .................................................................................... .................................................................................... 27 Reglas de lluvia de ideas................................................................... ideas.................................................................................................. ............................... 27 1. Composición del Grupo ............................................................... ............................................................................................... ................................ 27 2. ambiente ..................................................................................................................... ..................................................................................................................... 27 3. procedimiento ......................................................................................... ............................................................................................................. .................... 28 4. evaluación ................................................................................................................... ................................................................................................................... 28 4.3.2 Abstracción y Análisis de la función ........................................................................... ........................................................................... 29 4.4 Métodos enfatizadas discursivas ...................................................................................... 35 4.4.1 La investigación sistemática de las relaciones físicas................................................. 36 4.4.2 Búsqueda sistemática con c on ayuda de los esquemas de clasificación .......................... 39 4.4.2.1 Trabajar con matrices morfológicas mo rfológicas ........................................................... .................................................................... ......... 41 5. Selección y Evaluación de Métodos ........................................................................................ ........................................................................................ 48 5.1 Métodos de selección ....................................................................................................... 48 5.2 Métodos de evaluación .......................................................... ..................................................................................................... ........................................... 48 6 Bibliografía ...................................................................................................................... ............................................................................................................................... ......... 60
1 Notas básicas sobre el proceso de diseño 1.1 Condiciones básicas y objetivos "El trabajo de los ingenieros consiste en es resolver problemas técnicos con la ayuda de los conocimientos científicos y en las soluciones se debe tomar en cuenta el material, la técnica y económica óptima". ¿Qué significa esto específicamente para el método de trabajo de los ingenieros?
Conocimiento Matemáticas Mecánica Tecnología de Fabricación Dibujo PROBLEMA TÉCNICO
SOLUCIÓN CONCEPTUAL
PROCESO DE OPTIMIZACIÓN
REALIZACIÓN
INGENIEROS
Restricciones,
Material Espacio, Ergonomía Costos
Figura 1 Condiciones del proceso de diseño.
El diseñador, soluciona problemas técnicos y tiene la responsabilidad principal en la función y los costes, juega un rol central en la aplicación de estas técnicas para el desarrollo de máquinas, plantas y equipos. La etapa de desarrollo y diseño es sólo una fase del ciclo de vida del producto y debe ser considerado en relación con otros pasos del trabajo de planificación de productos, formación, producción, introducción y hasta el reciclaje. La curva del ciclo de vida del producto muestra claramente cuando es necesario reemplazar producto para obtener la mayor utilidad y cumplir con las metas de la empresa.
Figura 2 Puntos clave en la evolución de los recursos para el ciclo de vida de un proyecto [adaptado de Riba, 2002]
Esta variedad de tareas exige al diseñador diversas habilidades, procedimientos y material de trabajo. Básicamente, debe tener un conocimiento amplio y recurrir a especialistas para cuestiones especiales. A modo de ejemplo el desarrollo de una serie demuestra que el diseño debe reelaborar los productos varias veces teniendo en cuenta diferentes puntos de optimización y las condiciones límite antes de que el desarrollo pueda darse por concluido.
Figura 3. Desarrollo escalonado escalonado de una serie de productos (fases del prototipado)
El producto técnico es el resultado de una serie de procesos de análisis, síntesis y prueba. La metodología de diseño ayuda a estructurar los pasos individuales y a evaluar los productos de acuerdo a diferentes características. Una ayuda importante está dada por la herramienta CAD (Computer Aided Design). Los métodos de trabajo actuales van más allá de la descripción de la forma geométrica y la estructura de productos, están todavía en desarrollo y en los próximos años en gran medida cambiarán el proceso de diseño. Un hallazgo importante es: Modelo de producto → conocimientos asimilados
Debido a esto el diseño no puede funcionar sin la gestión de la información (gestión de datos). Esto significa que el flujo de información desde los diseños existentes, así como dentro de la empresa debe ser garantizada. El diseñador tiene la obligación de procesar la información para los departamentos de compras, ventas, producción, etc. Esto significa que, en parte, las tareas de planificación se añaden al diseño. -
Con quien el diseñador debe identificar. identific ar. → No es un artista independiente!
-
Que aumentan con la introducción introducc ión de sistemas informáticos de apoyo (por ejemplo, la CIM). → Red de sistemas de información.
Figura 4.Esquema de flujo de información entre áreas de producción.
Figura 5.Esquema de distribución de actividades de diseño.
Este soporte informático, en general, eleva el nivel de información del diseñador y disminuye considerablemente el tiempo que se requiere para la obtención de información. Ejemplo: En la actualidad, las horas de trabajo que se gastan en la obtención de la información, según una encuesta de VDI son: Un jefe del departamento gasta Un líder del grupo gasta Un diseñador gasta Un dibujante gasta Un ingeniero de pruebas gasta
29% 36% 14% 3% 30%
Este proceso de desarrollo y formación de los productos se apoya en la teoría del diseño, que abarca: La Metodología de diseño: Sistema de acciones → método
La metodología de diseño esfuerza por: -
-
-
Una conexión conexión adecuada adecuada entre los pasos de trabajo para un proceso proceso de diseño, cualitativa y cuantitativamente de gran alcance. Considerar los requisitos principales principales del del producto a desarrollar desarrollar para lograr una calidad comercializable en relación con la función, uso, seguridad, ergonomía, formación, fabricación, montaje, transporte, envasado, mantenimiento, eliminación, el reciclado, y los costos. Un procedimiento independiente orientado al problema problema desde el el respectivo problema de la industria (no hay medidas relacionadas con la rama de la solución). Utilizar como base una computadora de uso general y flexible, apoyando el proceso de diseño. Hacer el diseño enseñable y comprensible.
La metodología no es: -
-
Una progresión inflexible de pasos de trabajo (receta). No es la sustitución del diseñador creativo y experiencia con la metodología o algoritmos. Reducción de la creatividad personal.
La base del diseño siempre ha sido la suma de un diseñador creativo más la experiencia. El diseño metodológico promueve la creatividad y la intuición mediadas por la experiencia, la dinámica de grupos, los métodos de solución y evaluación, y la utilización de la estructura de los sistemas informáticos asistidos por computador.
La ciencia del diseño: Estrategias y experiencia del diseñador La ciencia del diseño se ocupa de las estrategias del diseño bajo ciertos requisitos y ofrece información sobre los sistemas de diseño, seguridad y fiabilidad, el diseño en el área hombre-máquina, coste, y las reglas de diseño. La etapa de desarrollo y diseño es sólo una fase del ciclo de vida del producto y debe ser considerado en relación con otros pasos del trabajo de planificación de productos, formación, producción, introducción y hasta el reciclaje. Experiencia
1.2 Proceso de resolución de problemas y pasos del trabajo de diseño El trabajo de diseño se caracteriza por una serie de procesos de resolución de problemas que aparecen en diferentes etapas de la aparición del producto y siempre comprenden las mismas formas de acción.
Figura 6.Esquema de distribución de actividades de diseño.
Para ejecutar los pasos de trabajo separados de la solución de problemas de proceso, existen métodos que se adaptan a la información de estado respectivo del proceso de diseño y con la respectiva tarea. - Información sobre el problema durante el proceso de diseño. - Aumento gradual del estado del conocimiento. - Cualitativa → afirmaciones cuantitativas.
Figura 7.Esquema de distribución de actividades de diseño.
El procedimiento para la realización del desarrollo de diseño se puede dividir en diferentes niveles de especificación considerando el intercambio constante de información. Estos niveles de especificación deben ser reflexivos llevando a cabo con las siguientes intenciones: -
La optimización de cada paso. La mejora por medio de la retroalimentación. Fijación de un plazo, el cálculo de tiempo y costes. Documentación.
Figura 8.Esquema de distribución de actividades de diseño.
Una serie de publicaciones están disponibles para la planificación y el diseño de productos técnicos. Para Alemania las directivas VDI son una versión consolidada, con carácter innovador elaborado por los equipos. VDI Manual de Diseño 2221: enfoque sistemático para el diseño de sistemas técnicos y de los productos (traducción de 1986 de la edición alemana), Verein Deutscher Ingenieure Verlag, Düsseldorf. VDI Richtlinie 2220: Produktplanung, Ablauf, Begriffe Organización und. VDI Verlag 1980, de Düsseldorf. VDI Richtlinie 2221: Methodik zum Entwickeln und Systeme und Konstruieren technischer Produkte. VDI Verlag 1986, de Düsseldorf. VDI Richtlinie 2222, hoja 1: Konzipieren tecnología nischer Produkte, VDI Verlag 1975, de Düsseldorf. VDI Richtlinie 2222, Begriffe und im Bezeichnungen Konstruktionsbereich, VDI Verlag 1969, de Düsseldorf. El diagrama de flujo de trabajo en la página anterior muestra un procedimiento de refinado del proceso desarrollado para el diseño de máquinas, de acuerdo con VDI 2221, en la cual puede ser separado el trabajo y pasos de decisión en vista del grado de especificación reconocida. Al igual que con todos los procedimientos de los planes, la aplicación debe ser flexible en función de la situación del problema.
Definición y aclaración del problema La definición del problema sirve para obtener información acerca de los requisitos establecidos para la solución, así como a las condiciones existentes y su significado. El resultado de estos pasos de trabajo es la lista de requisitos (procedimiento se describe más adelante).
Diseño Conceptual Es una parte del diseño que establece el principio de solución después de la clarificación de la definición del problema a través de tomar los elementos esenciales del problema, el establecimiento de estructuras de función y a través de la búsqueda de los principios pertinentes de efectivos y su combinación en una estructura eficaz. Diseño Conceptual es el establecimiento del principio de una solución. La forma de presentación de un principio solución puede ser muy diferente. Estableciendo una presentación estructural por bloques de elementos de una estructura de función, por diagrama de circuito o basta un diagrama de flujo. En
otros casos, un esquema de línea es adecuado o un dibujo a grande escala se debe aplicar.
Realización de Diseño Es la parte del diseño que se elabora, a partir del concepto, diseño y formas, y se desarrolla un producto técnico o sistema de acuerdo con los aspectos técnicos y económicos. El diseño de realización es el establecimiento de una solución estructural. A menudo es necesario producir varios diseños a escala simultáneamente o sucesivamente con el fin de obtener más información acerca de las ventajas y desventajas de las diferentes variantes. El diseño definitivo acordado ofrece un chequeo de la función, fuerza, etc. compatibilidad espacial, y también en esta etapa debe ser evaluada la viabilidad financiera del proyecto. Después, si es admisible proceder con el diseño de detalle.
Diseño de detalle Es la parte del diseño que complementa la estructura constructiva de un objeto técnico a través de las regulaciones finales de calidad en la forma, dimensión y superficie de todas las partes separadas, la selección de materiales, control de las posibilidades de producción, así como los costos finales. También crea los dibujos y otros documentos obligatorios para su realización. El resultado del diseño detallado es la fijación de la solución en términos de producción. Todos los pasos de trabajo incluyen el proceso de solución del problema - la mayoría en varios lazos - con los elementos esenciales del análisis, la búsqueda de la solución y la evaluación específica de la solución elaborada a partir de la definición del problema. Una característica fundamental de un procedimiento metódico es una descripción abstracta de funciones, los sistemas y las propiedades que se explicarán a continuación.
1.3 Definición y descripción de los sistemas técnicos Un problema técnico se resuelve por: - Plantas - Aparatos / dispositivos - Máquinas - Mecanismos - Componentes - Pieza única
Sistema Técnico!
Dentro de este sistema una jerarquía puede existir que permite que la solución de problemas parciales. Por lo tanto los límites del sistema se deben definir para la definición de las cantidades de entrada y salida para estos sistemas. De acuerdo a la norma VDI 2221 un procedimiento, que propone una división en sub problemas independientes, se recomienda para resolver problemas técnicos complejos. Debido a esta ruptura de los problemas sub son generalmente más fáciles de resolver. Durante este tiempo, debe tomarse en cuenta la integración total del sistema. Dividiendo el problema general en sub problemas se han buscado soluciones individuales y que en su conjunto pueden ser presentadas como una solución general.
Figura 9.Esquema de distribución de actividades de diseño.
La descripción de los sistemas técnicos se presenta a través del examen de los estados existentes en los límites del sistema. Para cumplir con las tareas t areas de los sistemas técnicos la conversión de
Energía: mecánica, térmica, eléctrica, química, etc nucleares Materia: material componentes, etc
(líquido,
sólido,
gaseoso),
objeto
de
prueba,
De la Información (señal): valor de medición, control de impulsos, datos, señal de advertencia / alarma, etc tiene que ocurrir.
Figura 10.Sistema técnico
El sistema técnico se describe mediante la conexión entre la entrada y salida. → No describe de la forma, pero si la convención de la energía, materiales e información.
Esta contemplación ayuda al análisis de la definición del problema y análisis de la función para preparar la solución y encontrar por medio de métodos la teoría del sistema.
2 Aclaración de la definición del problema, la lista de los requisitos Todo trabajo comienza con una confrontación de los problemas definidos. Con esto la definición del problema primero es a menudo confusa, porque la información detallada se encuentra. encuentra . Las personas tienden a adherirse a las soluciones ya existentes y se engañan. Se adhieren a los métodos tradicionales y es difícil desvincularse de soluciones prefijadas . Por otra parte las condiciones de frontera son desconocidas y no pueden ser sometidas por una definición del problema exacto. El responsable del diseño necesita una especificación detallada del problema sobre la base de sus puntos de vista:
¿Qué propiedades debe tener una solución? ¿Qué propiedades no pueden aparecer? ¿Qué aplicación debe servir?
La mayoría de las veces estos requisitos no son suministrados por el cliente. En consecuencia, el diseñador debe hacerlo en un diálogo sucesivo con el cliente. Entre los posibles temas son, por ejemplo, las preguntas que productos deben ser reemplazados y cuáles son las razones. En qué mercado se va a vender y cuáles son los requisitos para la función y la moda. Si el producto debe ser fabricado en la propia empresa o fuera.
Para obtener la función necesaria para aclarar las actividades de definición de problemas se necesita más, aparte de las conversaciones con el cliente. El diseñador tiene que ampliar su estado de conocimiento específico sobre el producto. Se tiene que evaluar los comentarios de los clientes como las peticiones o quejas (pedidos y ofertas no son adecuados debido a la falta de experiencia práctica con el producto). Los registros de los informes de mantenimiento y de registro de ventas tienen que ser anotadas. Además, el estado de los conocimientos científicos y técnicos tiene que ser controlados. Análisis de los productos de la competencia, las patentes recientes, revistas etc, son medios comunes. Los datos fijos y condiciones de contorno como las normas, reglamentos para la seguridad y el medio ambiente hay que tener en cuenta también como los reglamentos de los clientes . A fin de garantizar una evolución del crecimiento fiable y sostenible en el futuro se debe prever. Los cambios estructurales y de moda, los objetivos de la empresa o en general los avances técnicos deben ser considerados. co nsiderados. Los datos recogidos se completarán con la calificación y cuantificación de información en la medida de lo posible. Costo objetivo y el plazo se incluyen en estos datos. Después de la recopilación de información una lista seguirá como Lista de Requerimientos, Especificaciones Objetivo de esta lista de acuerdo a las metas problema es el siguiente: -
Integridad (adiciones posible). Evitar ambigüedad. posible la división en grupos. marca la importancia del requerimiento. D = demanda, "conditio "conditio sine qua qua non" (por ejemplo, datos de rendimiento, las dimensiones máximas, etc) W = deseos, posiblemente cumplidas por los gastos adicionales (por ejemplo, libre de mantenimiento)
La lista de características puede servir como una ayuda para registrar los requisitos.
Figura 11.Formato de hoja de especificaciones
Se recomienda la elaboración de la lista de requisitos, como una forma que será cubierta por el servicio de actualización y por lo tanto se mantendrá como un documento de la empresa. La lista de requisitos r equisitos representa el documento de trabajo responsable, que debe ser actualizado de forma continua. Se trata de una prueba en la gestión y los departamentos que colaboran por lo que se recomienda las siguientes medidas de organización: -
obtener la firma! ! ! mantenerse al día-a-estado establecer las responsabilidades
Ejemplos de características de diseño Geometría: tamaño, altura, anchura, longitud, diámetro, área requerida, el espacio requerido, la cantidad, la disposición, la conexión, ampliación y expansión, la precisión Cinemática: el tipo de movimiento, la dirección del movimiento, velocidad, aceleración Fuerzas: dirección de la fuerza, el tamaño de la fuerza, la frecuencia de la fuerza, el peso, la carga, la deformación, rigidez, propiedades elásticas, fuerzas de inercia, la estabilidad, la resonancia, frecuencia, carga del suelo
Energía: capacidad, la eficiencia, la pérdida, la fricción, la ventilación, el estado, presión, temperatura, calefacción, refrigeración, la energía necesaria, el almacenamiento, el consumo de energía, la conversión de energía Materia: el manejo de materiales y el transporte, las propiedades físicas y químicas de los productos de entrada y de salida, los materiales de proceso, el material prescrito (maquinaria de alimentos ...) Señal: entrada y salida de cantidades medidas, forma de la señal, pantalla, equipo de monitoreo Seguridad: la tecnología de seguridad directa, los sistemas de protección, trabajo y ambiente de seguridad, rutas de escape Ergonomía: la relación hombre-máquina: operación / manipulación, la altura de la operación, tipo de operación, las fuerzas de la operación, la claridad, la comodidad del asiento, la luz, la formación de Fabricación: limitación a través de su lugar de fabricación, las dimensiones más grandes que puedan ser fabricados, proceso de fabricación preferido, la fabricación de maquinaria disponible, calidad posible y de las tolerancias, la tasa de rechazo Control: las posibilidades de medición y prueba, los reglamentos especiales de inspección, ASME, DIN, ISO, las normas de otros, etc), equipos de aprobación Ensamble: las instrucciones específicas de montaje, montaje, instalación, montaje en el emplazamiento de la obra, las fundaciones Transporte: la limitación por medio de grúas y ascensores, la remoción de la estructura (ferrocarril), ruta de transporte de acuerdo al tamaño y peso, tipo de distribución y las condiciones, la unidad de transporte t ransporte Uso: la disponibilidad, bajo nivel de ruido, la tasa de desgaste, la aplicación y el área de ventas, lugar de uso (por ejemplo, la atmósfera sulfurosa, trópico, ...) Mantenimiento: sin necesidad de mantenimiento o la cantidad y el tiempo requerido para el mantenimiento, inspección, sustitución y revisión / reparación de la pintura, la limpieza Costos: un máximo admisible de los costes de fabricación, costes de desarrollo, los costos de herramientas, de inversión y amortización, cambios en el proceso de fabricación Límites de tiempo: finales de desarrollo, esquema de ruta crítica para los pasos intermedios, plazo de entrega (tiempo de espera) para las partes externas, la línea de suministro muertos
Figura 12. Ejemplo 1 de hoja de especificaciones.
W
Responsible axial overall height = 70 mm (’overall length’) radial overall height = 126 mm ('Ø of gripper)
W
minimize overall height jaw lift 8-10 mm enable internal and external chucking internal chucking from 25 to 310 mm external chucking from 25 to 480 mm ensure a flowing transition through chucking diameter range
01-1882
chucking should be done with three chucking elements for centring
Sales dep., Smith
three ledgers, adjustable between Ø 40 to 480 mm W
flowing transition for ledgers basic draft Ø 200 hydraulic supply pipes may not increase overall length
02-1982
radial effective motion provide principle of basic jaw and interchangeable false jaw for internal and external chucking guarantee ability to turn 120 degrees around the arm for the head of gripper (or for the jaws). adjustability, adaptation to tool and machine during the production possible. assure face contact at chuck work piece weight max 220 N hydraulic operation, 34 bar guarantee in permeability (yearly change of seals) hydraulic circuit should stay sta y untouched when changing the diameter spec-trum, i.e. separate energy from mechanics (separate force generation from force transmission) simple manufacturing simple assembly change possible by operating personnel W
02-1982 01-1882
head of gripper should be maintenance-free protect movable parts from dirt form wearing parts replaceable production costs max 260 DM design to be handed over to planning department 03-15-82 first delivery 06-01-82 effective motion permissible with several components, with predominant radial motion
W
variant with two and four jaws, without additional expenditure (query cus-tomer xy) Figura 13. Ejemplo 2 de hoja de especificaciones.
Miller
3 Función de Análisis y Descripción de las interrelaciones técnicas Uno de los pasos de trabajo más importantes de un diseño metódico es el análisis del problema descrito en la lista de requisitos con respecto a las funciones que se cumplen para la solución. En el diagrama de flujo de trabajo se pone especial importancia en la fase de elaboración de nuevos diseños, ya que es la única forma que se pueden encontrar nuevos principios. Pero también en los problemas de diseño respecto de las soluciones de detalle el objetivo de la búsqueda de solución debe ser indicado con mayor precisión mediante un análisis de las funciones que deben cumplirse. Objetivos de este examen en un nivel abstracto son los siguientes: -
La liberación de la prefijación El reconocimiento de las funciones esenciales La eliminación de funciones no esenciales Reconocer las limitaciones aparentes
Durante este tiempo, uno a de tratar de encontrar una formulación del problema lo más amplio posible mediante la aplicación de una expansión sistemática o alteración.
4. Métodos para Encontrar la Solución 4.1 Requisitos básicos para la Búsqueda de solución La esencia de toda actividad de diseño es el hallazgo de soluciones de diseño para una función. Los métodos aplicados para encontrar una solución se puede utilizar en todas las fases del proceso de diseño. Estos métodos encuentran una especial importancia en la fase de redacción. De acuerdo con los procedimientos generales para la solución de un problema. Los pasos para resolver problemas que constantemente se presentan son
Figura 14. Pasos para resolver problemas.
La "búsqueda" es el paso de mayor importancia. El objetivo es siempre el listado rápido de las muchas posibilidades de evaluación y sin limitaciones. Por consiguiente, es de especial importancia los pasos anteriores de definición y análisis del problema que se están ejecutado. Esta búsqueda de solución de ningún modo debe ser obstaculizada por una falta de información o limitaciones inconscientes. Las siguientes preguntas son, por tanto, preguntas antes de empezar a buscar soluciones: 1. ¿La definición del problema ha sido aclarada hasta el punto de que el desarrollo de una solución de diseño se puede aplicar? ¿Tiene una lista de requisitos que ha sido formulada y aceptada? ¿Debe obtener información adicional para la realización de la tarea? 2. Debe elaborar nuevas soluciones o puede utilizar soluciones conocidas? 3. ¿Ha sido reconocido la función en la fase de análisis (abstracción) en un grado que puede ser formulada de manera que sea solución neutra? ¿Se reconoció soluciones parciales y separadas?
4.2 Los niveles de búsqueda, los métodos convencionales de alcance general Una solución de diseño puede ser entendido como el diseño equivalente a una función. Una solución siempre posee Principio de funcionamiento + geometría Para el diseño metódico por medio de la variación de los efectos físicos y la forma, un campo solución se genera a partir de cuál es la mejor variación adecuada para la tarea específica puede ser seleccionada. En esta fase del hallazgo solución (síntesis) Muchas posibles soluciones en corto tiempo El procesamiento de información tiene lugar en el que los elementos están unidos y formando conexiones de manera que se encuentran nuevos efectos. De aquí la importancia es la unión de los resultados por separado o soluciones parciales a una unidad o una solución de conjunto. El conocimiento de los diferentes puntos de vista debe encontrar la entrada a la solución del proceso y la solución total debe tenerse en cuenta en el trabajo con soluciones parciales. Este enfoque interdisciplinario, con sus dinámicas de grupo tiene una gran importancia sobre todo en los métodos para la búsqueda de solución. De esto, el método de "análisis de valor", desarrollado, donde los miembros del equipo
de los diferentes departamentos están involucrados en el hallazgo de una solución, lo que obliga a pensar en términos de toda la empresa.
Conexiones adicionales con los elementos apropiados
Figura 15. Desarrollo de las conexiones buje-eje de acuerdo con el método de etapas conscientes hacia adelante.
Todos los métodos tratan de proponer toda solución desde los puntos de partida desde estado inicial hasta llegar a otras soluciones (proceso divergente). Este intento no consiste en una variación sistemática de efectos, el campo de la solución por lo tanto, no tiene derecho a la integridad.
Figura 16. Ejemplo de pasos conscientes hacia adelante con el desarrollo de un dispositivo de persecución: mecánica (izquierda), una hidráulica (derecha) la generación de los atrasados hacia adelante, y el movimiento de avance.
Figura 17. Ejemplo de pasos el desarrollo de un dispositivo
La siguiente tabla ayuda a la búsqueda de soluciones para la variación y la transformación de efectos físicos y efectos portadores (superficie efectiva, el movimiento de efectivo)
4.3 Métodos intuitivos El diseñador busca y encuentra soluciones a los problemas difíciles muchas veces intuitivamente; los resultados de la solución de un proceso de búsqueda y examen y con la inspiración cuyo origen a menudo no se puede determinar. Tal inspiración es entonces más desarrollada y variada hasta que el problema puede ser resuelto. Esta forma de trabajar "en el subconsciente" subconsciente" de alguien que tenga conocimientos y experiencia tiene sus desventajas, explicó de la siguiente manera. -Las ideas que vienen desde el inconsciente a menudo no llegan a tiempo. No pueden ser obligados -La psicología del "inventor" pensamiento de la solución.
es
demasiado
Enamorada de su solución Restricciones emocionales
involucrado
en
el
-Como resultado de la falta de información, la última en el estado de la técnica no se conoce laciness Las restricciones habituales Estos peligros son mayores cuanto más progresa la especialización, mayor será el problema se divide, y aumenta el tiempo de presión. Debido a estos inconvenientes se han desarrollado métodos que ayudan a la intuición y estimular nuevas soluciones a través de asociaciones mentales. Los métodos más simples que son muchas veces utilizadas son las discusiones con los compañeros de trabajo. Los métodos desarrollados de manera similar como la sinéctica lluvia de ideas, y otros utilizan estos efectos de la dinámica de grupo con el fin de tirar de las soluciones del inconsciente al consciente. Requisitos previos y los elementos básicos permanecen invariables, como antes de la creatividad del individuo, de asociación y de la imaginación de las analogías dar ayuda importante.
4.3.1 Lluvia de ideas Brainstorming Lluvia de ideas puede ser bien pensado en términos de ideas que vienen de una sola vez o en un arroyo. Un grupo de personas que tienen la mente abierta y procedentes de diversos orígenes se desarrollan las ideas sin prejuicios a través del efecto de la dinámica de grupo y permitir que la inspiración mutua y la asociación hasta el punto de una "tormenta" de las soluciones. Mediante este proceso se puede lograr una gran cantidad de ideas en un corto período de tiempo; soluciones completas no son generalmente posible.
Reglas de lluvia de ideas 1. Composición del Grupo Un jefe de grupo y de 5 a un máximo de 15 participantes Diversas disciplinas y áreas de especialidades deben estar representados, también los técnicos no El grupo no debe tener una estructura jerárquica para evitar inhibiciones hacia la subordinados o superiores.
2. ambiente El líder del grupo asegura que las normas se cumplen y que la atmósfera se mantiene flojo y relajado. No debe asumir cualquier papel para dirigir el grupo
en la búsqueda de soluciones, sino que sólo debe dar cuando se impulsa la productividad del grupo cae.
3. procedimiento 1. la descripción del problema por el líder de grupo o participante responsable. 2. refiriéndose de nuevo el problema de las funciones básicas, la abstracción. Una forma de abstracción que se aprovecha el efecto de la dinámica del grupo que permite una formulación de una solución neutra problema en el menor tiempo ha demostrado ser útil. 3. recomendaciones espontáneas de todos los participantes ninguno de los cuales se habrá de considerar absurda, falsa, algo vergonzoso, tonto o algo ya conocido. El siguiente especialmente deben ser considerados. -
-
Evitar frases asesinas. La crítica de las ideas o contribuciones contribuciones no no está permitido (la lista de comparación de las frases asesinas). La posibilidad de realización es en un principio no debe ser considerada, el objetivo del intercambio de ideas es el apoyo mutuo y la inspiración de nuevas ideas, tal vez realizables. Métodos generales generales de los pasos dirigidos hacia adelante, de negación, de la modificación son útiles para el hallazgo de nuevas soluciones.
4. Anote todas las ideas por escrito (mejor) o en cinta de audio.
4. evaluación Selección aproximada por un grupo de recomendaciones realizables. Resumen de las soluciones en términos de desarrollo por parte de especialistas. Reunión de renovación para la evaluación de las soluciones desarrolladas a partir de las ideas.
4.3.2 Abstracción y Análisis de la función El trabajo en un grupo permite por Brainstorming una forma simplificada de la función de análisis, que no es tan exacta como la de los métodos descritos antes. Sin embargo, permite una descripción de la solución neutra de las funciones para el siguiente proceso de encontrar una solución, y, como consecuencia, permite en el grupo de una extensa abstracción de los problemas. Las funciones más importantes se enumeran y definen (10-12 definiciones) por el equipo. La formulación se aplica por nombre y verbo Ejemplo: Lavadora
Ejemplo de un análisis de la función en el comienzo de la reflexión. Durante la abstracción, este tipo de formulación permite que las funciones importantes que deben ser reconocidos y seres sin importancia de ser cortado. La formulación de
la función es la de ser lo más general posible. Ejemplos de formulaciones son ungeneralized "llenar sacos con alimentos" → a cabo parte de la alimentación "montaje de chaveta" → par de transferencia
Violaciónes de las normas con frecuencia se reconoce de inmediato por el grupo para que un grupo dinámico "autocorrección" "autocorrección" efecto tiene lugar. Ejemplo: a partir del trabajo de un grupo de intercambio de ideas para desarrollar un nuevo torno. Tarea parcial (detalling fase): la formación y guía de sujeción de talón. Duración de la sesión de lluvia de ideas de 40 minutos. (El protocolo de la lista idea fue escrito tipo para mayor claridad). función principal:
La práctica de la lluvia de ideas favorece a las siguientes condiciones.
- No hay principio de solución práctica existe - El principio físico de una posible solución aún no es reconocido - Una salida completa de las convenciones que se busca - La sensación domina que no se puede avanzar con las propuestas conocidas → Escape al grupo cuando el individuo no tiene más ideas
El ejemplo anterior también muestra que ideas se demuestra cuando los problemas parciales dentro de un sistema existente familiares han de ser resueltos. La dinámica de grupo de lluvia de ideas afectan especialmente a la cooperación y el intercambio de información. La estructura de una empresa se divide en las secciones delimitadas de la responsabilidad.
El desarrollo de un sistema técnico se reúne frente a una estructura rígida y requiere una visión más allá de estos problemas de las fronteras del departamento para aclarar y resolver el problema.
En ingeniería mecánica, estos equipos de proyectos formados por miembros de varios departamentos reunirse de vez en cuando para resolver problemas acotados. El objetivo es:
La experiencia demuestra que un equipo equilibrado compuesto por 7 a 10 personas con la participación esporádica de los especialistas resulta eficaz en el suministro de información especial. no es suficiente → no hay información demasiados → tonterías
4.4 Métodos enfatizadas discursivas Los métodos discursivos hacer que la búsqueda de posibles soluciones a través de un proceso gradual consciente. Los pasos de trabajo puede ser influenciado y documentado. Todos los métodos discursivos tienen en común que los campos de la solución puede evolucionar de acuerdo a la caracterización de los aspectos que determinan la estructura de este campo solución. Aplicación combinada de de métodos!
4.4.1 La investigación sistemática de las relaciones físicas Este método se aplica sobre todo en función del nivel de búsqueda de las relaciones físicas entre problema y solución. Requisito previo es la aplicabilidad de una ley física que se puede describir con una fórmula o por las dependencias necesarias lógicas. Los parámetros se variaba sistemáticamente para desarrollar y evaluar soluciones. Ejemplo: la glándula El problema es: Mantener el equilibrio térmico
La investigación de las variables que influyen en la conversión de la energía de la glándula conduce a las soluciones de diseño que se muestran arriba. Versión a la izquierda: gira de embalaje, la superficie de deslizamiento se mantiene estacionario. Con esto, las rutas de conducción de calor se corta. Superficie y convección variable. → s, α0, A0
Versión derecha: la circulación forzada con las grandes superficies y la transferencia de calor mejorada. → α0, A0, (Δθ)
La comparación muestra que esta forma de proceder, que se encuentra en el área de elementos de la máquina, a menudo se pueden hacer buenas predicciones. Ejemplo: Desarrollo de un viscosímetro capilar. El siguiente ejemplo se toma del libro de Rodenacker / 2 /, que más descrito generalmente la búsqueda problema de acuerdo con los principios físicos. La tarea es el desarrollo de un viscosímetro, en el que la siguiente relación
Desarrollo de cuatro viscosímetros diferentes variando los parámetros de la ecuación capilar (1. Depósito, 2. Bomba de engranajes, 3. Ajustable engranaje, 4. Manómetro, 5. Capilar con un diámetro constante y longitud, 6. Capilar con diámetro variable, 7. Capilar con longitud variable) La variación de los valores individuales de esta ecuación producir soluciones de diseño diferentes:
4. una solución en la que la diferencia de presión, p, como una medida de la viscosidad, Ap ~ η, se explota (Q, I y R = constante) 5. una solución en la que el diámetro del capilar, r ~ R1 / 4 se pone en (Ap, Q y constante I =) 6. una solución en la que la longitud del capilar, I ~ 1 / ~, se cambia (Ap, Q y R = constante) 7. una solución en la que se cambia el flujo, Q ~ 1 / (Ap, R e I = constante).
4.4.2 Búsqueda sistemática con ayuda de los esquemas de clasificación Los sistemas de clasificación permiten una búsqueda dirigida en un campo de conjunto de soluciones a través de la estructura de este esquema. Por un lado, una representación sistematizada y ordenada de la información que se alcanza, por otro lado tales esquemas sugerirán a buscar soluciones adicionales en una dirección particular. uno quiere "llenar agujeros" Los sistemas de clasificación más importantes en el área de diseño sistemático son: matriz morfológica (Zwicky) catálogos de diseño (Roth) El método es adecuado para el trabajo individual y grupal. Los resultados de los métodos intuitivos también puede con un paso siguiente se presenta en un esquema de clasificación dando un punto de partida para otras soluciones. "Enriquecimiento" por la variación sistemática
Ejemplo clásico (Boesch): Desarrollo de nuevos tipos de relojes. En primer lugar un análisis funcional de los relojes existentes se hace para llegar a las funciones f unciones generales. Esquema de funciones de un reloj mecánico
reloj de pulsera
reloj con célula fotoeléctrica
Configuraciones de soluciones para las funciones individuales → combinación en condiciones de compatibilidad La sistemática puesta en marcha de soluciones de acuerdo a los aspectos de organización de evoca en el caso anterior la búsqueda de nuevas soluciones que se encuentran en el campo de la función misma. Esto es seguido por una elección de las soluciones individuales y que una combinación de tales soluciones. Peligro de que muchas soluciones Los sistemas de clasificación se puede aplicar de muchas maneras en el proceso de diseño. Pueden servir como una solución con catálogo ordenado de re-entretenimiento de soluciones de acuerdo con el tipo y complejidad en todas las fases de diseño. Para la elaboración de soluciones completas a partir de
soluciones parciales, los esquemas se puede utilizar como una ayuda combinación (cajas morfológicas según Zwicky). 4.4.2.1 Trabajar con matrices morfológicas
El principal problema de este método reside en la determinación de la clasificación de los principios, los "ejes" de la clasificación. Con la puesta en marcha de este plan se procede paso a paso. - Primeras propuestas de soluciones se incluyen en uno de los aspectos clasificación (eje) (compárese por ejemplo: desarrollo de los relojes). - Las soluciones pueden ser analizadas en vista de las características de pedidos y que por pasos reorganizado cuando la matriz se obtiene su segundo eje. Ejemplo para la selección de los aspectos de clasificación: En el nivel de búsqueda de conformación del eje de la matriz puede ser llenado con el movimiento eficaz junto con la superficie efectiva o flujo de fuerza. También es posible combinar las direcciones del movimiento si por lo menos dos grados de libertad existen. Variación de la forma, ubicación o número es también habitual como el cambio de la forma. En el nivel de búsqueda física principios físicos y las propiedades se seleccionan o la forma de energía vs tipo de material, principio de funcionamiento o el estado de agregación. Debajo de la combinación de movimiento eficaz contra movimiento en la superficie (1) y la disposición cinemática vs configuración cinética (2) se presenta en dos ejemplos.
→ Examen de consumo de adhesivo
Examen de la energía
Esquema de clasificación: la selección de los parámetros Horizontal: A partir del tipo de movimiento Número de apoyos: Vertical número de piezas movido La siguiente colección de figuras se muestra la asignación de uso de puentes terminados en algunos ejemplos: convirtiendo el puente (de la boca del Weser) W eser) aleta puente (Suecia) puente de la solapa con paralelogramo (Países Bajos) aleta puente sin un eje (Dünkirchen) ( Dünkirchen) cubo puente hidráulico (Mannheim, Duisburg) cubo del puente con contrapeso
5. Selección y Evaluación de Métodos En la fase anterior de la síntesis de las soluciones, se hizo hincapié en la obtención de tantas soluciones como sea posible. Uno adquiere, especialmente en el área de métodos de solución discursivas, en cierta medida un número considerable de las variaciones de la solución. Ejemplo: Desarrollo de nuevos tipos de relojes en el capítulo 4.4.2. El número teórico de posibles soluciones es N = n1 * n2 * n3 ... .. . n7 = 120460 → demasiado!
5.1 Métodos de selección Este gran número de posibilidades de solución debe ser limitado tan pronto como sea posible. El proceso de selección se caracteriza tanto por la eliminación y la preferencia. Por ahora soluciones inadecuadas debe ser eliminado! Una selección aproximada se puede hacer con la lista de idea desarrollada durante la lluvia de ideas, i deas, con los siguientes criterios de evaluación: 0 no es posible Una posible sólo con grandes gastos (por ejemplo, conversión de la fabricación, introducción de nuevas técnicas, el rediseño de todo el sistema ...) 2 parece posible. Esta selección muy duro ya indica soluciones para un mayor desarrollo. Bajo ciertas condiciones, esta selección todavía puede ser demasiado numerosas. El resumen de las variaciones de la solución de varios para un mayor desarrollo conduce a la solución de un campo limitado con soluciones combinadas.
5.2 Métodos de evaluación En contraste con el proceso de selección a través de la eliminación, la evaluación y selección de soluciones presenta una optimización en las variaciones de la solución de varios que se han resistido "knock out" criterios. Esta evaluación requiere una lista detallada y cuantificable de los criterios, que abarcan la seguridad técnica, ecológica y características económicas. Tales evaluaciones deben ser entendidos como una presentación de las fortalezas y debilidades de las variaciones individuales y también dar, además de una
selección, una referencia directa para mejorar el producto. En el marco de este seminario la utilidad y la evaluación según la norma VDI 2225 se presentan. Los fundamentos de todos los procedimientos de evaluación es la lista de todos los objetivos de los que los criterios de evaluación se derivan. Uno por lo general se deriva de estos objetivos de la lista de requisitos. r equisitos. - Los objetivos deben incluir todos los requisitos pertinentes de la decisión y las condiciones generales para que ningún terreno se dejan destapadas en la evaluación. Un requisito de que no se cumple normalmente es una razón para la eliminación de la solución ya en el paso de las listas de selección. - Los objetivos individuales se debe a una gran ampliación ser independientes el uno del otro. - Las características deben ser capaces de evaluar cuantitativamente con un esfuerzo justificable; por lo menos debe exhibir diferencias cualitativamente diferentes. - Los criterios de evaluación deben ser positivamente formulado con el fin de evitar confusiones. Por ejemplo: "Bajo nivel de ruido" y no "fuerte" De "alta eficiencia" y no "grandes pérdidas" Uso de la válvula-Análisis / / 11 El análisis de valor de uso deriva de la técnica del sistema presenta un sistema de objetivos en los que los objetivos individuales o los objetivos se dividen en objetivos parciales: 2. verticalmente en varios niveles y en la disminución de la complejidad. 3. horizontalmente en diferentes áreas objetivas (por ejemplo, la evaluación técnica, económica, ecológica características).
Todas las evaluaciones de referencia a la generación objetivo general La jerarquía resultante soporta el diseñador en la obtención de un sistema completo de objetivos. También pone de manifiesto la importancia de los objetivos parciales. Los objetivos parciales individuales son evaluados y organizados de acuerdo a su significado.
La elaboración del sistema de objetivos y de la ponderación individual en el análisis de valor de uso está conectado con un esfuerzo considerable. En consecuencia, este método sólo debe utilizarse para el largo plazo y no las decisiones decisivas. Se utiliza principalmente para la industria del automóvil, donde los grandes sistemas de objetivos tienen que ser ponderados y se utilizó por primera vez por Ford. Evaluación De acuerdo con la norma VDI 2225/12 /
A través de este sistema, desarrollado originalmente por Kesselring, una evaluación de las soluciones se lleva a cabo, que en su mayor parte no requiere la estructuración del sistema de los objetivos. El objetivo es una evaluación equilibrada con varias características importantes y un tanto igual de fuertes, que son decisivos para la selección de la solución. La evaluación en sí está numerada de una manera similar a los grados utilizados en las escuelas. Ponderación sólo es necesario en el caso de muy diferentes importancia en los criterios. La experiencia actual indica que las características importantes se debe establecer con varios criterios en lugar de utilizar la ponderación.
El problema con este método es encontrar un justo establecimiento de criterios → negociación en el equipo
La experiencia ha demostrado que la inclusión de 12 a 16 criterios de evaluación es eficaz. El trabajo en equipo es un gran éxito en la negociación de los criterios y la ponderación. Ponderación debe ser evitado y sustituido con otros criterios de evaluación igualmente dirigida.
Después de la JJR parte del valor de los criterios correspondientes para la i j variaciones individuales existen y se equipara con un factor de ponderación wi si es necesario, el valor total de la variación se obtiene mediante la suma.
Esta suma da un valor que permite una comparación de las variantes entre sí y pueden conducir a una solución razonable. Una evaluación relacionada con una solución ideal es también posible, que además da una comparación de los valores encontrados a una solución imaginado ideal que cumple todos los requisitos.
La determinación anterior de una calificación se basa en los atributos técnicos o no técnicos. Una evaluación de la rentabilidad depende de la información de estado en el punto dado en el tiempo. - Si precálculo no es posible, los esfuerzos de la forma, cantidades, y la producción pueden ser comparados y ponderados. Circunstancias como los riesgos de producción o de investigación también deben ser considerados aquí. - Si un cálculo previo es posible, una separación clara de los aspectos técnicos en la forma de la calificación técnica de Rt y Re calificación económica se recomienda. Para la determinación de la calificación económica Re de la comparación de los costes de producción, el siguiente se puede recomendar: Rej = PO / P, con P, siendo los costos de producción de las variaciones
PO = 0,8 Pmin "Los " Los costos de ideales", valoró en un 80% de la variación de por lo menos caro.
Para una comparación de costos de los costos variables de producción de las variaciones en general ofrecen una mejor base para la decisión y dar claras diferencias que los costes totales que son más difíciles de determinar.
Después de las calificaciones técnicas y económicas se han determinado la solución total puede apreciarse en un diagrama de VDI 2225, que es muy apropiada para la evaluación de las variaciones en el proceso de la evolución. Los técnicos, así como las medidas de ahorro de costos puede ser presentado en un diagrama. El esquema de evaluación en la comparación de los valores individuales de diferentes características representan claramente las fortalezas y debilidades de las soluciones individuales. Por consiguiente, puede reconocer las debilidades de las soluciones preferidas y hacer mejoras. "Mejora de la memoria" → parcial
Posibles errores e incertidumbres en los métodos de evaluación propuestos pueden surgir a través de → la subjetividad en el juicio
por consiguiente, el trabajo en equipo ios → calidad e integridad de los criter ios → dependencia de criterios entre sí
Ejemplo: Evaluación de las cuatro soluciones (resumidos tareas) que se encuentran por la evaluación aproximada de la lluvia de ideas "guía de perlas" (véase la sección 2.3.1)
de la idea de 1, 2, 17, desde la idea 2, 22, 27, 28
Ejemplo: La tarea fue la formación y el posicionamiento de las cajas de control y paneles de control en un torno de dos ejes automatizado. El campo de solución basada en una matriz morfológica contenía 86 posibilidades, y cinco después de la evaluación existen variaciones en bruto y la eliminación.
1. Dos cajas de control detrás de la máquina, la separación de la hidráulica puede ser horizontal o vertical. 2. Dos cajas de control fijada con tornillos a los lados y en la parte frontal de la máquina; panel de control, al menos parcialmente integrado. 3. Dos cajas de control fijada con tornillos en el lado de la máquina. (3a solución:. adicionalmente "mochila" con al menos parcialmente del panel de control integrado en el lado en frente de la máquina) 4. Dos cajas de control de pie sobre el suelo, sujeta con tornillos en el lado de la parte frontal de la máquina. 5. Una caja de control separada.
El número 5 tiene solución de la mejor evaluación, pero la desventaja de que los criterios de "unidad de transporte" no se cumple. En consecuencia, existe una tarea de diseño adicional para la solución de este problema.
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