UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE EXTENSIÓN LATACUNGA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO MECATRÓNICO Herramientas para el Diseño Diseño Concurrente:
Diseño para la Fabricación Diseño para el Montaje Diseño para la Calidad Diseño para el Entorno
AUTOR: Valeria Alexandra Ruiz Buitrón
Latacunga, 29 Abril 2014
Diseño para la Fabricación (DFM design for manufacturing). El objetivo de diseño es que el producto sea fácil y económico de producir; partiendo de la materia prima, productos semielaborados para elaborar una máquina, englobando actividades como: a) Conformación de piezas.- Dar forma a las piezas y a los componentes básicos de un producto y también realizar primeras composiciones y uniones permanentes para formar componentes básicos. b) Montaje del producto.- Componer el producto a partir de las piezas y componentes, comprende operaciones de inserción, de referenciación, de puesta a punto y ajuste, de llenado de fluidos, de inicialización y, de comprobación del correcto funcionamiento del conjunto. Dentro de los métodos de la ingeniería concurrente se encuentran los respectivos a las actividades antes descritas Diseño para la manufactura y Diseño para el montaje. Hay que realizar una valoración para preponderar estos dos métodos ya que, a menudo, la simplificación del montaje conlleva la fabricación de piezas más complejas o viceversa. Procedimientos automatizados de manipulación y fijación. Se debe analizar si el costo y la rapidez con que se ejecute el proceso por medio de maquinaria automatizada (potente, precisa y robusta) frente a la flexibilidad que le da la mano de obra del hombre brindarán el beneficio buscado. Ordenación de piezas.- Mantener posición y orientación deseada en las piezas durante su fabricación resulta en abaratamiento de costos. Para lo cual se proponen algunos sistemas como la fabricación en cadena, células de fabricación (robots de alimentación que mantienen las referencias), palatización y sistemas de alimentación. Soluciones constructivas para la conformación y manipulación.- Las decisiones que el diseñador va tomando sobre materiales, formas, dimensiones, tolerancias, acabados superficiales, componentes y uniones, afectarán directamente al tipo de proceso de fabricación, las máquinas e instrumentos de medida que se usen, a los requerimientos de manipulación, transporte y almacenamientos, procedimientos de control y finalmente las fabricación propia o adquisición de semielaborados de alta fiabilidad. Tecnología de Grupos es una filosofía que identifica y agrupa las piezas que presentan similitudes en familias de pieza, estas pueden ser de fabricación o de diseño; est as primeras comparten atributos de fabricación como materiales, tipos y secuencias de operaciones, campos de tolerancia y las segundas atributos de diseño como formas geométricas y dimensiones.
Diseño para el Montaje (DFA). El montaje es la manipulación y composición de diversas piezas y componentes de un producto, la unión entre ellas, su ajuste, la puesta a punto y la verificación de su absoluta funcionalidad. El montaje tiene un carácter integrador donde se verifica que todas las piezas y componentes encajan y se interrelacionan correctamente, por tanto, se detectan muchos de los defectos de concepto en su diseño, así como los de ejecución durante su fabricación. Incide entonces en VR
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la productividad y disminución de costes, como con la funcionalidad y la calidad. Por lo cual actualmente se prefiere subcontratar una parte importante de la fabricación de piezas y componentes y reservarse las operaciones de montaje final, puesta a punto y verificación como la garantía de una correcta funcionalidad y calidad del producto. Montaje y automatización, muchos de los procesos industriales tienen una mano de obra que representa entre el 25 y 75% de costes totales de producción, por lo cual se abordan los siguientes puntos de vista. a) Automatización de procesos de montaje, según características y volumen de producción A1) Asistencia al montaje manual A2) Montaje automatizado-medios genéricos (sistemas robóticos, abaratamiento hasta 50%) A3) Montaje automatizado-medios específicos (líneas/maquinaria especializada, diminución de precio hasta 75%) b) Diseño para el montaje Consiste en reconsiderar el diseño global del producto tomando como objetivo la facilidad y la calidad del montaje, se puede llegar a obtener un ahorro superior al 80% manteniendo el montaje manual y con una inversión inferior. Recomendaciones en el diseño para el montaje: 1) Estructurar el producto en módulos con funciones correctamente definidas y asignadas y unas adecuadas interfaces mecánicas, de materiales, energía y señales. 2) Disminuir la complejidad de la pieza minimizando el número y la diversidad de los componentes que intervienen en el producto completo, así como el número de uniones, enlaces y otras interfaces. 3) Establecer un elemento de base o elemento estructural adecuado que sustente y sirva de base o de referencia al resto de las piezas y componentes del módulo. 4) Limitar las direcciones de montaje, procurando que el montaje de un producto tenga el número mínimo de direcciones de montaje. 5) Facilitar la composición de la pieza por medio de chaflanes y planos inclinados, superficies guía, etc. 6) Simplificar las uniones Reducir al máximo las uniones en general y específicamente las de mayor coste en tiempo de montaje y de materiales (uniones atornilladas, soldadura).
Diseño para la Calidad (DFQ) Según la norma ISO 8402, la calidad es el conjunto de propiedades y características de un producto o servicio que le confiere la aptitud para satisfacer unas necesidades expresadas o implícitas. Esto implica acciones dentro de los sistemas de organización, los métodos de gestión, resumidos en: 1. Hacer el trabajo bien desde el principio y una sola vez 2. Evitar o reducir costes inútiles 3. Realizar una acción preventiva, anticiparse a los fallos, a los gastos inútiles
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Calidad a través del diseño.- incorpora la consideración de los requerimientos de calidad desde la etapa de diseño, teniendo en cuenta: 1. Asegurar que el producto responda a los requerimientos y necesidades de los usuarios. 2. Establecer criterios, parámetros y tolerancias adecuados para una fabricación y un funcionamiento robusto del producto 3. Concebir los productos para que los procesos de fabricación y montaje faciliten una producción sin errores y con los mínimos costes e incidencias 4. Asegurar que el producto funcione sin fallos durante su utilización o, en caso necesario, que su mantenimiento y reparación sean los adecuados. Métodos de diseño para asegurar la calidad desde una concepción global: a) Desarrollo de la función de calidad (QFD, quality functional deployment ).- Se tiene en cuenta la voz del cliente, a la vez que constituye una ayuda para la planificación de la calidad durante todo el ciclo de vida. Yoji Akao definió una serie de cuatro matrices secuenciales para guiar este proceso. F ase 1. Plani fi cación del producto (casa de la calidad) 2. Despliegue de componentes 3. Plani fi cación del proceso 4. Plani fi cación del pr oducto
Traduce
En
Demanda del cliente
Características técnicas del producto
Características técnicas del producto Especificaciones de los componentes Especificaciones del proceso de fabricación
Características de los componentes Características del proceso de fabricación Procedimientos de planificación de la producción
b) Diseño de experimentos (DOE, design of experiments).- Experimentación mínima para adquirir un mayor conocimiento de un sistema. Taguchi, quien introdujo el concepto propone la comprobación de la robustez del mismo ante variaciones. c) Análisis de modos de fallo y sus efectos (AMFE) (FMEA, failure modes and effects analysis).- Herramienta de predicción, prevención y mejora que, a partir del análisis de los posibles modos de fallo, analiza sus causas, efectos y su criticidad para proponer mejoras.
Diseño para el entorno (DFE) .- En el diseño de un producto intervienen condiciones como la disponibilidad de productos y sistemas, relación hombre-máquina, la seguridad de las máquinas, el ahorro energético y los impactos ambientales y la problemática del fin de vida de los productos. Dentro de las regulaciones tenemos la directiva de la CE 93/1989 y las normas EN 292 y 293 para la seguridad de máquinas, las normas ISO 14000 relativas al sistema de gestión medio ambiental y varias directivas para sectores concretos que regulan aspectos del fin de vida. Disponibilidad es la aptitud de un producto, máquina o sistema para cumplir su función, o est ar en condiciones de hacerlo en un momento cualquiera dado, trascienden de este concepto la fiabilidad (funcionamiento correcto durante un tiempo prefijado bajo condiciones admisibles) VR
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y la mantenibilidad (Permite restablecimiento a una condición admisible para cumplir con sus servicios). Estas dos aptitudes pueden ser exclusivas. Wisner define como ergonomía al conjunto de conocimientos científicos relativos al hombre, necesarios para concebir herramientas, máquinas y dispositivos que puedan ser utilizados con la máxima eficacia, seguridad y confort. Esta disciplina trata el estudio de la relación entre las personas y su entorno, especialmente de sus limitaciones y condicionantes; y la intervención en la realidad exterior, tanto la natural como la artificial, para mejorar la relación de las personas con su entorno en vistas a la eficacia, el confort, la salud y la seguridad. La ergonomía en el diseño. Se tiene en cuanta la carga física, mental o la precisión y rapidez según la funcionalidad prevista del producto. Existen herramientas de simulación CAD convencionales que permiten modelizar relaciones ergonómicas que respondan a una gran diversidad de criterios (antropométricos, biomecánicos y psiquicofísicos), permitiendo simular posturas y presiones, manipulación de cargas y visualización de pantallas. Seguridad de las máquinas. El Consejo de la Comunidad Europea establece que sólo podrán comercializarse y poner en servicio las máquinas que no comprometan la seguridad ni la salud de las personas, animales domésticos ni bienes, cuando estén instaladas y mantenidas convenientemente y se utilicen de acuerdo con su uso previsto (dentro de los manuales de usuario y mantenimiento). Requisitos esenciales en la seguridad de las máquinas son: principios de integración de la seguridad; materiales, productos y alumbrado; órganos de accionamientos, puesta en marcha, paradas; medidas de seguridad contra peligros mecánicos; resguardos y dispositivos de protección; medidas de seguridad; mantenimiento; indicaciones y dispositivos de información; y manual de instrucciones. Principios de seguridad. El fabricante debe aplicar los siguientes principios y por el orden que se indica: Eliminar si es posible la causa del riesgo ( seguridad intrínseca), adoptar protecciones (resguardos) y en último caso, informar del riego a los usuarios Impactos ambientales y fin de vida. Hay que asegurar que los productos y las máquinas no produzcan agresiones al medio en ninguna de las etapas del ciclo de vida como lo son: evitando las emisiones a la atmósfera, la contaminación de las aguas, la contaminación sonora, las radiaciones, los productos nocivos para la salud; controlando los consumos de energía y prever la reutilización y reciclaje. Formas de fin de vida. Hay diversas formas de poner fuera de uso los productos que han llegado al fin de su vida útil. Reutilización (Recuperar el conjunto de un producto, para darle un nuevo uso) Reciclaje( recuperar los materiales de los productos a su fin de vida para utilizarlos como a materia prima en un nuevo proceso) Recuperación de energía ( Extraer por medio de combustión el contenido energético de determinados tipos de materiales) Vertido ( preparación del terreno para impermeabilizarlo y el control de sus vertidos)
Criterios para una nueva ecocultura del diseño. Se debe orientar el diseño hacia el reciclaje y la reutilización, simplificar y estandarizar los materiales, identificar los materiales, facilitar el desmontaje y el desguace, finalmente diseñar para la reutilización. VR
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