Diseño de Máquinas
Proceso de Diseño
EL PROCESO DE DISEÑO SEGÚN NORTON El diseño en la Ingeniería Mecánica Los términos diseño, creatividad, invención son términos bien conocidos pero pueden tener distintos significados para distintas personas – en en función del ámbito en el cual desarrolla su actividad profesional – . Estas palabras pueden abarcar una amplia gama de actividades, desde las concepciones más modernas relacionadas con el perfeccionamiento del vestuario, la creación de impresionantes obras de arquitectura y de arte, hasta la ideación de una máquina para la fabricación de cepillos de dientes. Esos tres términos están muy vinculados entre sí durante el proceso del diseño en ingeniería. La palabra diseño se deriva del latín designare, que significa “señalar o marcar”. Al consultar en dif erentes diccionarios
dicho término se presentan generalmente 2 definiciones, por ejemplo: –
El “Diccionario Ilustrado Aristos de la Lengua Española” plantea, diseño: 1. traza o delineación de algún
edifico o de alguna figura, 2. Bosquejo oral de alguna cosa. –
El “Diccionario Actual de la Lengua Española” recogido en la Enciclopedia Encarta 1997 expone, diseño:
1. Trabajo de proyección de objetos de uso cotidiano, teniendo básicamente en cuenta los materiales empleados y su función: ~ de un edificio, de un vestido; ~ gráfico, arte y técnica de traducir ideas en imágenes y formas visuales; ~ industrial, arte y técnica de crear objetos que luego serán fabricados en serie por la industria; 2. Descripción, bosquejo de alguna cosa hecho por palabras. – El “Webster” pre senta varias definiciones siendo la más aplicable, diseño: esbozar, trazar o planear como acción de trabajo ... para concebir, inventar, idear”. ¿cómo mo defi ni mos el dis di señ o en i ngeni er ía? Entonces, ¿có
Cuando se habla del Diseño en la Ingeniería nos referimos a un proceso de naturaleza iterativa encaminado a la planificación, concepción y desarrollo de sistemas con el fin de satisfacer necesidades predeterminadas, considerando las relaciones del mismo con el entorno, y las propias de los elementos que lo conforman. El diseño en ingeniería combina la aplicación de la creatividad, los conocimientos científicos, técnicos y económicos para el planteamiento y desarrollo de las soluciones, teniendo presente muchos factores -de diseño-, dentro de los cuales podemos mencionar: Economía, Fiabilidad, Ergonomía, Productividad, Flexibilidad, Requerimientos energéticos, Modos de operación, Eficiencia, Aspectos ambientales, Ciclo de vida, Restricciones, normas, códigos y aspectos jurídicos, Comercialización y mercado, Facilidad de fabricación y ensamble, Función y mantenibilidad y otros. ¿Y ¿Y el diseñ o en l a I ngeni ería M ecá ecáni ca?
El diseño puede ser fácil o difícil, simple o muy complejo, matemático o no matemático y puede implicar un problema trivial o uno de gran importancia. El diseño es un componente universal de la práctica de la ingeniería. El diseño en Ingeniería Mecánica es sólo un caso muy particular del diseño de ingeniería y hace referencia al tipo de diseño donde se requiere de conocimientos propios de la mecánica, del área de fluidos y térmicas, de materiales, de procesos de fabricación, además de la creatividad y de conocimientos económicos.
Modelos en el Proceso de Diseño La necesidad de investigar en el ámbito del diseño es evidente. Muchos trabajos se han realizado, enfocados a la formulación de modelos, metodologías y métodos a emplear en las actividades que conforman el proceso de diseño. En relación con el proceso de diseño se han formulado modelos para mostrar y caracterizar el proceso general del diseño. Estos modelos se han clasificado en: descriptivos, prescriptivos, mixtos y computacionales – éstos éstos se ven como las herramientas informáticas derivadas a partir de cada uno de los dos modelos antes mencionados. – Modelos Descriptivos Son modelos que describen como se realiza el proceso de diseño. Se derivan de estudios de la naturaleza cognoscitiva en los que se identifican los pasos que siguen los diseñadores al realizar su labor. O sea, este tipo de modelo pretende explicar el proceso cognoscitivo que se produce cuando se realiza la labor del diseño.
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En la construcción de este tipo de modelo se utiliza la heurística como herramienta para extraer reglas de dedo de la experiencia, que permitan al diseñador o en su defecto al ordenador tomar decisiones, no existiendo sin embargo garantía de éxito. En los modelos descriptivos frecuentemente se contempla el problema de diseño desde el punto de vista de la solución. Algunos de los modelos descriptivos más importantes son el Modelo de las Cuatro Etapas, el Modelo de French y el Modelo de Razonamiento Basado en Casos (CBR). En estos modelos predominan los procesos intuitivos. – Modelos Prescriptivos
Son modelos en los que se formula o prescribe la manera de cómo debe realizarse el diseño. En ellos se proponen mejores conjuntos de actividades para llevar a cabo esta tarea. Este tipo de modelo se caracteriza porque no se centran en la solución, sino que se realiza un mayor esfuerzo en el análisis del problema o tarea más que en la solución, la que se obtiene a partir de un análisis mejorado. Los modelos prescriptivos tienen un carácter algorítmico o sistemático, en el que se transforma la labor del diseño en un análisis profundo que contribuye o facilita la síntesis de solución. Para la síntesis de los principios se dispone de una serie de técnicas y herramientas que han propuesto los investigadores, alguna son de naturaleza creativa como la tormenta de ideas (brain storming), la sinéctica (pensamiento analógico), ampliación del espacio de búsqueda, etc., mientras que otras son de naturaleza lógica como el análisis de objetivos, división del problema, el análisis funcional, etc. En estos modelos predominan los procesos sistemáticos, lógicos y los métodos racionales. A este tipo de modelo pertenece el que estudiaremos hoy, o sea la metodología de diseño – desde el punto de vista de la TMM – expuesta por Robert Norton, a partir de su experiencia profesional – de más de 30 años -en el campo del diseño mecánico. – Modelos Mixtos
Son modelos que presentan un equilibrio entre el enfoque descriptivos y el prescriptivo, combinando sus métodos y técnicas. En esta categoría existen pocos modelos. En estos modelos se combinan coherentemente los procesos intuitivo, sistemático, lógico y los métodos racionales. – Modelos Basados en la Computadora
Muchos autores plantean que dichos modelos no son una categoría independiente. Sin embargo Maury (2000), plantea que éstos deben considerarse independiente ya que estos modelos son sistemas informáticos que se construyen a partir de los modelos y métodos presentes en las tres categoría antes citadas.
Ciclo Básico o Canónico del Diseño No obstante las diferencias señaladas en los distintos tipos de modelos antes expuestos, en ellos se identifican implícita o explícitamente las etapas que se muestran en el Ciclo Básico o Canónico del Diseño. Maury (2000), presenta un modelo genérico donde se recogen las cinco etapas del ciclo básico o canónico del diseño (Figura 1), éstas son: especificación inicial o clarificación, diseño conceptual, diseño básico, diseño de detalles y prototipaje y ensayos. Es importante señalar que en cada una de las etapas del proceso canónico del diseño se aplican reiteradamente las estrategias de análisis, síntesis, evaluación y de optimización.
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Figura 1. Ciclo básico o canónico del diseño A continuación se explica resumidamente cada etapa: I denti fi cación de la necesidad. Es el proceso mediante el cual se reconoce la existencia de una condición insatisfactoria o
anómala y se toma conciencia de que se deben emprender acciones para subsanarla. El conjunto de acciones que se realizan para satisfacer la necesidad es lo que se denomina proceso de diseño.
Especif icación I ni cial . Se realiza luego de identificar la necesidad. En esta etapa se cualifica, se cuantifica o caracteriza el
desempeño que se requiere para una solución o producto.
o Conceptual , aquí se toma la especificación inicial y se Definida la especificación inicial se pasa a la etapa de Diseñ ejecutan una serie de pasos para formular un conjunto de alternativas de solución, que normalmente se comunican por medios de esquemas preliminares.
El nivel de definición obtenido de las soluciones en la fase conceptual es global, permitiendo comprender los principios y tecnologías involucradas en ellas. Se ofrece además una visión preliminar de la geometría de las alternativas de soluciones que permiten montar modelos para realizar la primera evaluación de las alternativas propuestas. El paso final del diseño conceptual lo constituye la selección de las alternativas. Una vez realizado esto se pasa el Diseño Básico o de M ateri alización . Aquí se pasa del nivel de definición global al nivel de definición de conjuntos o subensambles, o sea, se determinan todos los módulos y conjuntos que integran la solución desde los puntos de vista funcional y estructural. o de Detal le Del diseño básico se pasa al Diseñ , donde se definen los componentes que constituyen los conjuntos, así es en esta etapa donde se obtienen los planos de piezas con todas las especificaciones técnicas de fabricación y ensamble.
Por último se llega a la etapa de Pr ototipaj e y Ensayos , en la que se detectan los errores o detalles finales que deben de ser detectados antes de la etapa de producción o construcción.
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El diagrama del ciclo canónico de diseño se señala el flujo ascendente de información que muestra la naturaleza iterativa del proceso de diseño.
El proceso de diseño según Norton Los problemas de diseño en la ingeniería casi nunca son problemas estructurados (los que tienen la forma “dadas A, B, C y D hallar E”), con mayor frecuencia toman la forma “Lo que se necesita es un artefacto para introducir esta piecesita dentro ese hueco”. Ese enunciado de problema no estructurado generalmente conduce a lo que Norton denomina Síndrome de la hoja en blanco. Con frecuencia los ingenieros se encuentran absorto ante una hoja de papel en blanco, intentando pensar cómo resolver un problema de diseño tan mal definido como el antes expuesto. Durante el estudio de la carrera de ingeniería se trata mucho el tema de análisis, lo que significa descomponer, separar algo en sus partes componentes. El análisis es muy importante y requiere del conocimiento y dominio de las técnicas matemáticas apropiadas y de la física de la función del sistema (mecánico, eléctrico, hidráulico, etc.) que se estudia. Sin embargo, para poder analizar algún sistema primero tiene que existir. Por lo tanto el primer paso en cualquier ejercicio de diseño de ingeniería es el de la síntesis, que significa integrar o componer un todo por la unión de sus partes. El ingeniero de diseño, independientemente de su disciplina profesional, se enfrenta casi siempre al desafío de estructurar un problema no estructurado. Por lo general cuando se le presenta un problema al ingeniero está mal definido e incompleto. Esto se define como la confrontación, o sea el encuentro del ingeniero con una necesidad de actuar. El problema presentado al ingeniero usualmente contiene poca información y demanda mucho más conocimientos y experiencia que las que tiene el ingeniero en ese momento. La necesidad real puede no ser obvia en el primer encuentro con una situación indeseable. Por lo tanto, antes de intentar analizar el problema dado, se debe definir con mucho cuidado el problema (¿qué es lo que realmente se quiere o necesita?) mediante un planteamiento de ingeniería, con el fin de asegurarse de que cualquier solución propuesta resolverá planteado con corrección. Varios son los autores que tratan el Diseño de Maquinaría, partiendo del análisis y la síntesis de los mecanismos, que exponen un proceso de diseño (por ejemplo: Erdman y Sandor, Norton, Shigley). Todos los enfoques expuestos por ellos son importantes y útiles en este ámbito. En la presente conferencia se expone el proceso mostrado por Norton por considerarlo uno de los más adecuados y claro (Figura 2). Es importante señalar que el proceso de diseño es iterativo, en el que se avanza de manera errática, dando dos pasos adelante y luego uno atrás. El término iterar significa repetir, volver a un estado anterior. Por ejemplo, si su última gran idea infringe una condición dada (por ejemplo: espacio disponible) puede regresar al paso de generación de ideas – o ideación – y buscar una mejor idea, o quizás debe regresar a una etapa anterior a la ideación, por ejemplo a la investigación de fondo y aprender más acerca del problema presentado.
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Figura 2. Proceso de diseño según Norton El proceso de diseño que propone Norton consta de diez pasos, los que han sido colocados en el diagrama que se presenta en la Figura 2, en él se añade y señala con línea discontinua el usuario (para quien se realiza el diseño). Dichos pasos se explican a continuación.
1. Identificación de la Necesidad Generalmente este primer paso lo realiza otra persona – el jefe o un cliente –, no el ingeniero en diseño, diciendo “Lo que se necesita es...”. Típ icamente el enunciado será breve y carente de detalles. Por ejemplo podría ser “Diseñar una mejor segadora de césped”.
2. Investigación de Fondo Se plantea como la etapa más importante del proceso de diseño y generalmente se le presta muy poca atención. Este paso se realiza lo que nosotros denominamos Estado del Actual del problema que se investiga. Es importante y deseable saber si éste o un problema similar, ha sido resuelto antes. “No es necesario reinvertar la rueda”. Norton plantea que evidentemente si existe en el mercado una solución a este problema, será más económico comprarla que elaborar una propia. En nuestra situación económica particular esto es discutible. No obstante, toda la información (informes de trabajos científicos-técnicos, patentes, tesis, etc.) que se pueda obtener en la rama específica – o la materia- que se investiga es de gran utilidad. Puede suceder que se halle la solución y esté amparada por una patente, en este caso quedan pocas opciones éticas: comprar la solución patentada existente, diseñar algo que no entre en conflicto con la patente o abandonar el proyecto. Es importante dedicar tiempo y esfuerzos a esta etapa, no saltar a la de ideación, con el fin de evitar el caso de elaborar una solución excelente para un problema equivocado. Se debe evitar intentar resolver el problema sin estar bien preparado.
3. Planteamiento de la Meta. Una vez se comprende el fundamento del área del problema planteado, se estará listo para expresar de nuevo ese problema en un planteamiento de meta más coherente. Esta nueva especificación – o definición – del problema debe de ser: concisa,
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general y no estar matizada por términos que pronostiquen una solución. Debe de ser esbozada desde un punto de vista funcional, o sea debe, concretar su función, más que señalar cualquier aspecto particular. Por ejemplo, si el planteamiento inicial es “Diseñar una mejor segadora de césped”. Luego de haber investigado los
dispositivos que han sido creados para cortar césped en el transcurso de los años, el diseñador bien capacitado podría volver a enunciar la meta como: “Diseñar un dispositivo para acortar el pasto”. El planteamiento inicial tiene una trampa bajo las palabras matizantes “segadora de césped”. Para la mayoría de las personas esa frase inducirá la visión d e un
aparato con aspas giratorias chirriantes y un motor ruidoso. Para que la fase ideación e invención sea más exitosa es necesario evitar imágenes de ese tipo y enunciar de manera genérica, clara y concisa el problema. Un ejercicio, que demuestra lo antes dicho, es hacer una lista de diez formas para cortar el pasto. La mayor parte de dichas formas no las piensa el diseñador si se le hubiese dicho “menciones los diez mejores diseños de cegadoras de césped”. Se
debe utilizar la visualización funcional con el fin de evitar la limitación innecesaria de su creatividad.
4. Especificaciones de Tarea Una vez que se comprende bien el fundamento del problema y se ha establecido de forma clara el planteamiento de la meta, se está listo para formular un conjunto de especificaciones de tarea. Esto debe de referirse a especificaciones de funcionamiento y no ha especificaciones de diseño. Las especificaciones de funcionamiento definen lo que el sistema debe hacer, mientras que las especificaciones de diseño definen cómo debe de hacerse. En esta etapa del proceso de diseño no es prudente intentar la determinación de cómo se ha de realizar el objetivo, eso pertenece a la etapa de ideación e invención. El propósito de las especificaciones de tarea es definir y restringir cuidadosamente el problema de modo que pueda resolverse y mostrarse que ha sido resuelto, después de haber hecho lo primero planteado. En la Tabla 1 se muestra un conjunto de especificaciones de tarea para el ejemplo de la “cortadora de pasto”. Tabla 1. Especificaciones de tarea No. Especificaciones de Tarea 1 Dispositivo para tener suministro de potencia autocontenido 2 Dispositivo para que sea resistente a la corrosión 3 Dispositivo para que cueste menos de 100 dólares 4 Dispositivo que emita menos de 80 dB de intensidad de sonido durante su funcionamiento a máxima capacidad 5 Dispositivo para que corte un área de10 m2 de pasto/h 6 Otras Es evidente que tales especificaciones (las del ejemplo) limitan el diseño sin demasiada restricción en la libertad de diseñar del ingeniero mecánico. En resumen, las especificaciones de tareas sirven para definir el problema en la forma más completa y general posible, y a la vez sirven como definición general de lo que debe lograrse. El diseño terminado puede evaluarse según el cumplimiento de estas especificaciones de tarea.
5. Ideación e Invención En esta etapa del diseño están presentes tanto la diversión como la frustración. Esta fase es, potencialmente, la más satisfactoria para la mayoría de los diseñadores, pero es a la vez la más difícil. Es importante saber que a partir de investigaciones realizadas sobre la creatividad, se plantea – con la mayor coincidencia – que es un rasgo humano común y que se manifiesta en un alto grado en los niños. Hay personas que afirman que la creatividad puede ser enseñada y otros que sólo se hereda (Norton, 2001), lo cual aún no está claramente demostrado. También se plantea que la mayoría de las personas subemplean sus aptitudes potenciales creativas. Sin embargo, las
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personas pueden mejorar e incrementar su creatividad mediante el empleo de diversas técnicas (el brainstorming, la analogía, la inversión, etc.). El Proceso Creativo se puede considerar como un subconjunto del proceso de diseño, el cual consta de cuatro pasos: 1. Generación de Ideas 2. Frustración 3. Incubación 4. ¡Eureka! Así los pasos de la etapa Ideación e Invención, pueden descomponerse en los cuatro subpasos antes expuestos. Generaci ón de I deas . Es la etapa más difícil. Se plantea que aún personas con mucha creatividad presentan dificultad en
la invención sobre pedido. Dentro de las técnicas sugeridas para mejorar la producción de ideas, la más importante según Norton es la del Juicio Diferido, que significa que el espíritu crítico de la persona debe de ser suspendido temporalmente. No se debe de juzgar la calidad de las ideas en esta etapa, pues eso pertenece a la etapa posterior de análisis.. El objetivo aquí es obtener la mayor cantidad posible de diseños. Aún sugerencias que parezcan ridículas deben de aceptarse sin objeción, ya que pueden hacer surgir nuevas perspectivas y proponer otras soluciones más prácticas y realistas. La Lluvia de Ideas (brainstorming) es una técnica a la cual algunos autores le confieren gran éxito en la generación de soluciones creativas. Para aplicar esta técnica se necesita un grupo de personas de 6 a 15 y se intenta evitar la mayor barrera a la creatividad, que es hacer el ridículo. Dentro de las reglas del brainstorming está el no permitir reírse o despreciar las sugerencias de cada una de las personas del grupo, sin importar si las sugerencias parecen ridículas. Cada persona del grupo registrará y evaluará todas las sugerencias, no importa cuan impropias o tontas puedan parecer. Cuando se utiliza esta técnica puede resultar fructífera y divertida, y algunas veces terminar en un torrente frenético de ideas que se aglomeran y apoyan entre sí. Con esta técnica pueden obtenerse consideraciones numerosas en corto tiempo. El criterio de la calidad de dichas consideraciones se realiza más adelante. Cuando se trabaja solo, son necesarias otras técnicas, dentro de ellas, las analogías y la inversión son con frecuencia útiles. En la analogía el diseñador debe de intentar establecer analogías entre el problema que analiza y otros contextos físicos. Si se trata de un problema mecánico, puede intentar convertirlo – por analogía – en un problema eléctrico o hidráulico. La inversión pone al revés el problema. Por ejemplo, considere que lo que se desea que sea móvil es estacionario y viceversa. Las perspectivas surgen con frecuencia. Otra ayuda útil para ayudar la creatividad es el uso de sinónimos. Aquí, se debe definir el verbo de acción en el enunciado del problema y luego enunciar tantos sinónimos de ese verbo como sea posible. Por ejemplo, si el planteamiento del problema es: “Diseñar un dispositivo para acortar el pasto”, el verbo de acción es “acortar”. Algunos sinónimos son: disminuir, reducir, aminorar, achicar, rebajar, encoger, restar, etc. En fin, el objetivo de este paso de ideación e invención es generar un gran número de ideas sin consideración particular de la calidad de las mismas. Pero, llegará el momento en que el “manantial de idea” – o pozo mental – se agotará, así se habrá llegado al paso dos de esta etapa denominado Frustración. Este es el momento de dejar el problema y hacer otra cosa. Mientras su mente consciente está ocupada con otros intereses, su mente subconsciente trabajará arduamente en el problema de diseño. Éste es el tercer paso denominado Incubación. Sucede entonces, que de pronto, en un lugar y hora inesperados, una idea surgirá en el subconsciente del diseñador la cual parecerá la solución obvia y correcta para el problema en cuestión, llegándose a sí a la cuarta y última etapa llamada ¡Eureka!. Lo más probable es que un análisis posterior descubrirá algún defecto en esa solución. Si esto ocurre se debe iterar o repetir, ya que puede hacer falta mayor ideación, tal vez más investigación sobre el tema, y puede que hasta una redefinición del problema.
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6. Análisis Cuando se llega a esta etapa, el problema se ha estructurado, por lo menos temporalmente, y es ahora cuando pueden aplicarse técnicas de análisis más refinadas para examinar la realización del diseño en la fase de análisis del proceso respectivo. Se requerirá mayor iteración a medida que se detecten problemas del diseño propuesto a partir del proceso de análisis del mismo. La repetición de mucho de los pasos anteriores en el proceso de diseño debe realizarse -según sea necesario- para asegurar el éxito del diseño.
7. Selección Cuando el análisis técnico indica que existen algunos diseños potencialmente viables, el óptimo o mejor disponible debe de ser seleccionado para el diseño de detalle, la prototificación y las pruebas. En el proceso de selección generalmente se hace un análisis comparativo de las soluciones de diseños con que se cuenta. Una matriz de selección puede ayudar a identificar la mejor solución y obliga a considerar una serie de factores en forma sistemática. En la Tabla 2 se muestra un ejemplo de una matriz de decisión para la selección de un diseño entre varios disponibles (esta podría ser utilizada en el ejemplo de la cortadora de césped).
Costo Factor de Peso 0.35 Diseño 1 3 1.05 Diseño 2 4 1.40 Diseño 3 1 0.35 Diseño 4 9 3.15 Diseño 5 7 2.45
Seguridad 0.30 6 1.80 2 0.60 9 2.70 1 0.30 4 1.20
Funcionamiento 0.15 4 0.60 7 1.05 4 0.60 6 0.90 2 0.30
Confiabilidad Rango 0.20 1.0 9 5.3 1.80 2 3.5 0.40 5 4.7 1.0 7 5.8 1.40 6 5.2 1.20
a) Cada diseño ocupa una fila en la matriz. b) En las columnas se colocan las categorías según las cuales diseños son evaluados: costo, facilidad de uso, eficiencia, funcionamiento, confiabilidad y otras que se consideren apropiadas para el problema planteado. c) A cada categoría se le asigna un factor de ponderación que mide su importancia relativa. d) Es el propio ingeniero quien debe decidir que categorías colocar y el valor del factor de la mismas. e) Luego la matriz se llena con números que jerarquizan cada diseño según una escala conveniente, como por ejemplo de 1 a 10, en cada una de las categorías colocadas. Realmente esto es una jerarquización subjetiva por parte del ingeniero. f) Se examinan los diseños y se decide una calificación para cada uno. g) Las calificaciones se multiplican por cada uno de los factores de peso (que generalmente se eligen de un modo que su suma sea un número conveniente como lo es el 1), y los productos se suman para cada diseño. h) Debe tenerse precaución al aplicar estos resultados, debido a la subjetividad de las calificaciones y los factores de peso. El valor real de la matriz de decisión es que descompone el problema en elementos más tratables y lo obliga a uno a considerar el valor relativo de cada diseño en muchas categorías. Así, se puede tomar una decisión más informada en lo referente al “mejor” diseño.
8. Diseño Detallado En este paso incluye la creación de un conjunto completo de planos de ensamble y de piezas, en papel o archivos – con el uso de las herramientas CAD (Diseño Asistido por Computadora) – , para todas y cada una de los conjuntos y piezas
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empleadas en el diseño seleccionado. Cada dibujo de detalle debe especificar todas las dimensiones y especificaciones de material necesario para elaborar la pieza o parte correspondiente. A partir de dichos planos debe de construirse uno o varios modelos prototipo para someterlo a pruebas físicas. Es muy probable que las pruebas hagan ver ciertos defectos y ello conduce a la iteración. En este aspecto se debe destacar que hoy día las poderosas herramientas profesionales de CAD/CAM/CAE – para el diseño y la simulación – como el AutoCAD, el Autodesk Inventor, el ProEngeneer, el SolidEdge, SolidWork, Catia, etc. permiten obtener un producto virtual el cual se realizan una serie de comprobaciones y simulaciones que garantizan que el producto real sea muy bueno.
9. Elaboración de prototipos y pruebas No se puede estar seguro de la corrección y viabilidad de un diseño hasta que se ha construido y probado el mismo. Por lo que generalmente se necesita de la fabricación de un modelo físico prototipo. Un modelo matemático, aunque es muy útil no puede ser una representación tan completa y segura de un sistema físico real, como un modelo físico, debido a la necesidad de efectuar hipótesis simplificativas en el proceso de diseño. Los prototipos con frecuencia son muy costosos, pero pueden resultar la forma más económica de probar un diseño, y no tener que construir un dispositivo real a escala natural. M odelos
Los prototipos pueden tomar muchas formas, desde modelos a escala de trabajo, hasta representaciones del concepto, de tamaño natural pero simplificado. Los modelos a escala introducen sus propias complicaciones respecto a la escalización apropiada de los parámetros físicos. Por ejemplo, el volumen de material varía según el cubo de dimensiones lineales, pero el área superficial varía según el cuadrado. De este modo la escalización lineal de un sistema – ya sea para aumentar o reducir el tamaño – puede conducir a un comportamiento diferente al del sistema a escala natural. Por lo tanto se debe de tener precaución al escalar modelos físicos. En el caso de diseño de mecanismos articulados – o de barras – resulta muy útil construir un modelo del mismo con cartulina con las longitudes reales de los eslabones, pues éste modelo indicará muchas cosas sobre la calidad y el carácter de los movimientos del mecanismo. Pruebas
Los ensayos del modelo o prototipo pueden variar desde su funcionamiento simple y la observación de su operación, hasta conectar un conjunto de instrumentos para medir con precisión los desplazamientos, las velocidades, aceleraciones, fuerzas, temperaturas y otros parámetros. Incluso puede ser necesario realizar pruebas en condiciones ambientales controladas (por ejemplo: alta humedad, alta temperatura, etc.). El desarrollo actual de los medios de cómputo ha facilitado mucho estas tareas.
10. Producción Al final, luego de haber invertido bastante tiempo, dinero y perseverancia se tendrá el diseño listo para la producción. El peligro, los costos y los conflictos provenientes de hallar errores en el diseño después de fabricar grandes cantidades (dependiendo del tipo de producción) de artículos defectuosos debe estimular a observar con mayor cuidado los primeros pasos del proceso de diseño, con el fin de garantizar que ha sido desarrollado de un modo apropiado y con ingenio. En resumen, para realizar un trabajo eficaz en el diseño de algo, debe definirse completamente el problema, si se deja afuera algún detalle de la definición del mismo se terminará resolviendo el problema equivocado. Además se debe de investigar a fondo la información existente sobre la materia específica en que se enmarca el problema. Deben perseguirse exhaustivamente las soluciones potenciales conceptuales del problema. Luego hay que analizar los conceptos respecto a
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su validez. Y por último se debe detallar bien el diseño elegido – hasta la última tuerca y tornillo – para tener la confianza de que sí funcionará bien. Así, para lograr el éxito del diseño en ingeniería se debe combinar los atributos de creatividad y atención al detalle. Por último se debe señalar que debido a la naturaleza del proceso de diseño (o sea, el ser iterativo, creativo, de detalle) no existe una única solución o respuesta correcta al problema planteado. Hay tantas soluciones potenciales como diseñadores con deseos de aplicarlas. El modo de determinar los méritos relativos de las distintas soluciones de diseño, es a través de un análisis cabal, el cual generalmente incluirá las pruebas físicas de los prototipos creados. Debido a que el proceso de diseño es muy costoso, se debe de realizar tanto análisis sobre el papel o con la computadora como sea posible, antes de fabricar el dispositivo diseñado. Donde sea posible deben de crearse modelos matemáticos del diseño, o de partes de él, éstos pueden tomar muchas formas de acuerdo con el sistema físico que se analiza. En el diseño de mecanismos y máquinas generalmente es posible formular las ecuaciones para la dinámica del cuerpo rígido del sistema y resolverlas. La consideración de las deformaciones elásticas de los elementos del mecanismo o máquina en diseño, en general necesita más planteamientos complicados, por ejemplo mediante el método de los elementos finitos.
Conclusiones En la revisión se ha abordado el proceso de diseño, exponiéndose varias definiciones que ayudan a entenderlo y a definirlo dentro del campo de la ingeniería mecánica. Se ha presentado el ciclo básico o canónico del diseño, este expone las etapas que de manera implícita o explícita se recogen en los diferentes modelos que han sido formulados para mostrar y caracterizar el proceso general del diseño. Por último se ha expuesto el proceso de diseño que propone Norton, explicándose cada etapa del mismo. Del análisis de este proceso se concluye que: - El diseño involucra la iteración y la creatividad como elementos potenciales, también la perseverancia y el ir al detalle para lograr diseños correctos. - La aplicación de técnicas como el brainstorming, la analogía, la inversión y el uso de sinónimos pueden ayudar a obtener soluciones creativas. - Debido a la naturaleza del proceso (iterativo, creativo y de detalle) no existe solución mejor o única del problema de diseño planteado, siempre habrá otras posiblemente mejores. - Antes de fabricar un diseño seleccionado, este debe de haber sido analizado lo mejor posible, ello reducirá los costos.
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