Resumen "The Mechanical Design Process'' de David G. Ullman
Índice General Índice General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.
¿Por qué est ¿Por estudi udiar ar el pro proces cesoo de dis diseño eño mec mecánic ánico? o? . . . . . . . . . . . . . . . . 1.1. 1. 1. Int ntro rodu ducc cció iónn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2. 1. 2. El ci cicl cloo de vi vida da de un pr prod oduc ucto to . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.
8 Descubrim Descub rimient ientoo del Pr Produ oducto cto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.. 2.1 Elecci Ele cción ón del pro proyec yecto to a des desarr arroll ollar ar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.1. 2.1 .1. Aná Anális lisis is SW SWOT OT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2. 2.1 .2. Aná Anális lisis is Pr Pro-C o-Con on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.
Planificac Planifi cación ión del pro proye yecto cto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.1. Herramienta Herra mienta útil para una plani planificac ficación ión detal detallada lada . . . . . . . . . . . . . . . 13 3.1.1. Noc Nociones iones básica básicass en el el uso de de Microsoft Microsoft Pro Project ject . . . . . . . . . . . . . 14
4.
Definic Defin ición ión de dell pr produ oducto cto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 4.1. 4. 1. Int ntro rodu ducc cció iónn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 4.2. Paso Pa so 1: Iden Identific tificar ar a los clien clientes. tes. ¿Quie ¿Quienes nes con ellos? . . . . . . . . . . . . . 24 4.3.. 4.3 Paso Pa so 2: Dete Determi rminar nar los los requ requeri erimie miento ntoss del cli cliente ente.. ¿Qué ¿Qué es lo lo que el clien cliente te quiere? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.3.1. 4.3 .1. Enc Encuest uestas as . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.3.2. 4.3 .2. Fo Focus cus gro group up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 4.3.3. Ejemp Ejemplo lo de reque requerimien rimientos tos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.4. Paso Pa so 3: Deter Determinar minar la importa importancia ncia relat relativa iva de los requer requerimient imientos os . . . . . . . 27 4.5. Paso Pa so 4: Eva Evaluar luar la compet competencia encia.. ¿Cuan satisf satisfechos echos estan los client clientes es ahora? . . 28 4.6.. 4.6 Paso Pa so 5: Gene Generar rar espe especif cifica icacio ciones nes de de ingeni ingenierí ería. a. ¿Como ¿Como será seránn cumpli cumplidos dos los los requerimientos del cliente? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.7. 4. 7. Pas asoo 6: Est Estab able lecer cerla la re rela laci ción ón en entr tree re requ quer erim imie ient ntos os y es espe peci cifi fica caci cion ones es de in inge geni nier ería ía 32 4.8. Paso Pa so 7: Establ Establecer ecer objeti objetivos vos para cada especi especificac ficación ión de ingeni ingeniería ería y su importancia. ¿Cuánto es lo suficientemente bueno? . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.8.1. Impo Importancia rtancia de las las especific especificacione acioness de ingenie ingeniería ría . . . . . . . . . . . . 34 4.8.2. Medi Medirr como la competen competencia cia cumple cumple las especifi especificacio caciones nes de ingenierí ingeniería a . . 35 2
4.8.3. Fij Fijar ar objetiv objetivos os en en las las especifi especificacio caciones nes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.9. Paso Pa so 8: Iden Identific tificar ar las rela relaciones ciones entre especi especificac ficaciones iones de ingeni ingeniería ería . . . . . . 36 4.10 4. 10.. QF QFD D de desa sarr rrol olla lada da . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.
Genera Gene raci ción ón de Co Conc ncep eptos tos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1. 5. 1. Int ntro rodu ducc cció iónn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2. Entendiendo Entend iendo la funció funciónn de los dispo dispositivo sitivoss ya existe existentes ntes . . . . . . . . . . . . 5.2.1. Defi Definiendo niendo la funció funciónn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2. Usando Ingeniería Inversa para Entender la Función Función de los Dispositivos Dispositivos Existente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2.1. 5.2.2. 1. Apli Aplicación cación de Ingenier Ingeniería ía Inve Inversa rsa en en proye proyectos ctos . . . . . . . . 5.3.. 5.3 Unaa técn Un técnica ica par paraa Di Diseña señarr con Fu Funci ncione oness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1. Pa Paso so 1: 1: Encontrar Encontrar la Funci Función ón Global Global . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2. Pa Paso so 2: Crear Crear las las Descripcio Descripciones nes de las las Subfunci Subfunciones ones . . . . . . . . . . . 5.3.3. Pa Paso so 3: Orden Ordenar ar las subfun subfunciones ciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.4. Pa Paso so 4: Refi Refinar nar subfunc subfunciones iones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.. 5.4 Usand Us andoo Mo Morfo rfolog logía ía par paraa gen genera erarr con concep ceptos tos . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39 39 40 40 41 41 46 46 46 47 47 51
6.
Evaluació Evalua ciónn y Sel Selecc ección ión de Conc Concepto eptoss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 6.1.. 6.1 La Mat Matriz riz de Dec Decisi isión, ón, Méto Método do Pu Pugh' gh'ss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
7.
Desarr Desa rroll olloo del Pro rodu duct ctoo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1. 7. 1. Desa De sarr rrol ollo lo de dell Pr Proy oyec ecto to . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Capítulo 1 ¿Por qué estudiar el proceso de diseño mecánico? 1.1. Introducción Desde la invención de la rueda hasta los más complejos sistemas mecánicos de la actualidad, la gente ha estado diseñando objetos mecánicos por casi cinco mil años. Cada uno de estos objetos es el resultado final de un largo proceso de diseño. Sin tener en cuenta si diseñamos, cajas de cambios, intercambiadores de calor, satelites, o cerraduras, hay ciertas técnicas que pueden ser usadas durante el proceso de diseño para ayudar a asegurar resultados acertados. Si la gente ha estado diseñando durante cinco mil años y existen millones de objetos mecánicos que trabajan bien, surge la pregunta, ¿por qué debemos estudiar el proceso de diseño?. La respuesta a esta interrogante es que hay una necesidad continua de productos nuevos, rentables y de alta calidad. En la actualidad, la complejidad de los productos es tal que un solo individuo no podría encargarse de desarrollar por si mismo un producto, por esta razón, los equipos de diseño son conformados por personas especialistas en diversas disciplinas, donde la comunicación es de vital importancia para asegurar que nada ha sido pasado por alto, satisfaciendo de esta manera la necesidad de los clientes. Además, el mercado ha creado la necesidad de desarrollar nuevos productos a un paso acelerado. Para competir en este mercado una compañía debe ser eficiente en el diseño de sus productos. Se estima que el 85 % de los problemas con los nuevos productos, se deben a que no trabajan como deberían, toman un largo tiempo en entrar al mercado, o cuestan demasiado, todas estas problemáticas son debidas a un pobre proceso de diseño. Considere la figura (1.1.1), la cual representa los factores importantes que determinan el éxito o el fracaso de un producto. Estos factores son organizados en tres ovalos que representan los puntos importantes para el diseño de un producto, el negocio y la producción. Los factores referidos al diseño se concentran en la función del producto, es decir, en lo que el objeto hace. Relacionado con la función se encuentra la forma del producto, materiales y los procesos industriales de manufactura. Estas variables son la preocupación principal de un diseñador. 4
Fig. 1.1.1: Variables controlables en el desarrollo de un producto Por otra parte, la forma del producto y la función son también importantes para el negocio, ya que los clientes juzgan un producto principalmente por los que ''hace'' (su función) y como ''luce'' (su forma). No solo el negocio es depende de la forma y función, sino también la capacidad que una compañía posee para producir un producto. Las opciones de forma y materiales para dar la función de un producto, afectan los procesos industriales que pueden ser usados. Estos procesos, por su parte, afectan el coste y el precio del producto. Este es sólo un ejemplo de como el diseño de producto entrelaza la producción y los negocios. Podrás estar pensando que los factores antes mencionados son solo de preocupación para los diseñadores que pertenecen a compañías que compiten en el mercado, y que tu como estudiante que emprendes un proyecto de diseño no deberás preocuparte, lamentablemente, no es así. Todos los proyectos que desarrollarás se originan de una necesidad existente en tu entorno, donde el diseño de la solución al problema deberá satisfacer los requerimientos del cliente, entregando toda la documentación necesaria para su manufactura. Más adelante, estudiarás la viabilidad económica de tu solución, incorporando aspectos éticos y medioambientales.
1.2. El ciclo de vida de un producto Todo diseño debe considerar las cuatro fases del ciclo de vida de un producto. La primera fase concierne al desarrollo del producto. En la segunda fase se encuentra su producción o fabricación e instalación. La tercera fase contiene todas las consideraciones importantes para el uso del producto, siendo la cuarta y última fase, la encargada del final de la vida útil del producto. En la figura(1.2.1) se presenta un esquema donde se identifican las cuatro etapas nombradas anteriormente. Cabe destacar que al emprender un proyecto académico, te concentrarás fuertemente sobre la primera etapa. Sin embargo, tu diseño deberá considerar la fabricación de todos los compo5
Fig. 1.2.1: Ciclo de vida del producto nentes del sistema, su ensamblado, su instalación, todas las consideraciones para su correcto uso, consideraciones de mantención, consideraciones de seguridad, entre otras. Generalmente, los proyectos que emprenderán forman parte de una necesidad existente dentro de tu entorno. Tu primera gran decisión será seleccionar el proyecto que desarrollarás. Dicha decisión surge a través de el acuerdo mutuo del grupo de diseño al cual perteneces. Existen diversas herramientas muy útiles en el estudio de la alternativa a elegir. Esta fase del proceso de diseño se denomina ''Descubrimiento del Producto, la cual, será profundizada más adelante en el capitulo( 2). Posteriormente, deberán generar una planificación para el proceso de diseño. Existen una serie de consideraciones a tener en cuenta en esta etapa, las cuales serán descritas y profundizadas en el capitulo(3). Una vez seleccionada la necesidad a satisfacer y desarrollada la planificación del proyecto, deberán proceder a reunir los requerimientos del cliente , teniendo en cuenta a todas las persona que directamente o indirectamente se encuentran relacionadas con el producto. En el capitulo( 4) se analizará más a fondo lo comentado, presentando además, las herramientas y técnicas eficientes en esta tarea. Una vez recolectados todos los requerimientos se deben generar las especificaciones de ingeniería que darán cumplimiento a cada uno de ellos. En el capitulo(4), se presentará un método muy utilizado para cumplir esta tarea, dicho método les entregará la información necesaria para emprender el desarrollo de la solución. Posteriormente, llega el momento de generar conceptos, los cuales deberán satisfacer los requerimientos del cliente, entregado la función y la forma al producto. En el capitulo( 5) se presentarán todas las técnicas utilizadas en la generación, y posteriormente, la evaluación( 6) de dichos 6
conceptos. Al terminar la etapa anterior, entrarán a la fase donde el producto, su función y su forma, se desarrollan. En esta etapa, utilizarás modernos softwares de ingeniería, por medio de los cuales, modelarás tu solución, analizando su comportamiento ante las condiciones de servicio bajo las cuales funcionará. Los resultados obtenidos deben asegurar un perfecto funcionamiento y la correcta selección de los materiales y componentes del sistema. En el capitulo( 7), se presentarán a modo de ejemplo, algunos proyectos desarrollados por los propios estudiantes, identificando el proceso realizado en la obtención de la solución.
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Capítulo 2 Descubrimiento del Producto 2.1. Elección del proyecto a desarrollar Como se adelantó en el capitulo(1), el Descubrimiento del producto forma la primera etapa del proceso de diseño. Generalmente, los profesores son los encargados de entregar a los distintos grupos de trabajo, una selección de proyectos cuya solución es desarrollada en base a la teoría o fundamentos pre-establecidos para el nivel académico que cursas. Los grupos conformados deberán decidir cual alternativa escoger, representando esta la primera gran decisión a tomar. Dicha decisión, primeramente, deberá escogerse mediante el acuerdo mutuo de todos los integrantes del equipo. Posteriormente, se deberán presentar los fundamentos que acrediten la viabilidad de la elección realizada. Existe cierta tendencia a que cierta alternativa ofrecida sea de ínteres para dos o más grupos, en esta situación, una correcta fundamentación de las razones que posee el grupo para el desarrollo de la alternativa en cuestión, es decisivo para su adjudicación. A continuación se presentarán algunas herramientas de gran ayuda en esta tarea.
2.1.1. Análisis SWOT También conocido como análisis FODA. Es un método aplicado comúnmente en la evaluación de negocios, sin embargo, puede ser aplicado para la selección de un proyecto singular con gran facilidad. Los pasos para su desarrollo son los siguientes:
Pasos para el desarrollo del análisis FODA Primer paso: Preparación de la tabla • En la parte superior de una hoja en blanco, deberás declarar el tema analizado. • Dividir la hoja formando cuatro cuadrantes. • En el primer cuadrante lo denominará Fortalezas , a el segundo cuadrante, Debilidades , a el tercero, Oportunidades y al cuarto, Amenazas . 8
Segundo paso: Describir Fortalezas • En el primer cuadrante se describirán todas las fortalezas que posee el grupo para desarrollar el proyecto elegido. Debes tener en cuenta que las razones expuestas deberán ser orientadas al grupo de trabajo. Tercer paso: Describir debilidades • En el segundo cuadrante se describirán todas las debilidades que presenta el grupo en la realización del proyecto seleccionado, estas deben ser orientadas a solamente al grupo de trabajo. Cuarto paso: Describir oportunidades • En el tercer cuadrante se describirán todas las oportunidades que posee el grupo en la realización del proyecto. Estas hacen referencia a factores externos que no son controlables por el grupo de diseño. Quinto paso: Describir amenazas • En el cuarto cuadrante se describirán todas las amenazas que presenta el equipo de diseño en la realización del proyecto seleccionado. Estas son referidas a factores externos, no controlables por el equipo de trabajo, los cuales amenazan el desarrollo de la iniciativa. A modo de ejemplo, se presentará el análisis FODA realizado por Johan Muñoz, Ivan Lobos, Victor Solis y Juan Vargas, alumnos del VI semestre de Ingeniería Civil Mecánica, año 2011 en su proyecto denominado ''Estructura soportante para pruebas de resonancia estructural'' . En síntesis las fortalezas y debilidades son propias del equipo de trabajo, siendo factores que cada integrante del grupo puede controlar. Caso contrario son las oportunidades y amenazas, las cuales no dependen del equipo de diseño. Si analizamos el primer cuadrante de la tabla(2.1.1), los integrantes del grupo tomado como ejemplo, emprendían el segundo proyecto de diseño, correspondiente al VI semestre. Por lo tanto, como bien describen, sus fortalezas al emprender el proyecto se basaban en gran medida a la experiencia adquirida durante el desarrollo de su proyecto anterior. Las debilidades que presentaban, eran referidas al tiempo disponible para el desarrollo de la solución, y la incertidumbre que invade a cada integrante del grupo al enfrentar un proyecto de diseño. Esta incertidumbre, con toda seguridad, se encontrará presente en las primeras semanas, siendo eliminada a medida que investigues sobre el problema que enfrentas, converses con los involucrados en el uso y desarrollo de tu solución, obteniendo toda la información que necesites. Como es de observar, las oportunidades que tendrás serán muchas, siendo de total responsabilidad del grupo de trabajo su aprovechamiento. Siempre contaras con la ayuda de profesores, los cuales te guiarán en la búsqueda de la solución. Dispondrás de una basta literatura en biblioteca, de un lugar de trabajo y de modernos softwares de diseño y análisis, con los cuales podrás modelar tu solución con un alto nivel de realismo, practicando distintos tipos de análisis, para 9
Análisis FODA Organización diseñadora: Shaker Fecha: 10 de Noviembre de 2011 Tópicos del análisis FODA: Explorar el potencial del grupo de trabajo para diseñar una mesa vibratoria para la implementación de laboratorio de Resonancia Estructural. Fortalezas: Debilidades: Conocimiento previo acerca del proceso de diseño.
Escaso tiempo para el desarrollo de la propuesta.
Experiencia adquirida en la elaboración de proyectos.
Incertidumbre sobre cómo abordar la problemática.
Conocimiento, manejo y operación del software Creo. Conocimientos sobre resistencia de materiales.
Oportunidades:
Amenazas:
Orientación de los profesores encargados.
Probabilidad de adquirir un componente defectuoso.
Área de trabajo disponible. Bibliografía existente. Disponibilidad de software para análisis y modelamiento. Problemática dentro de la Universidad. Existencia de dispositivos similares en el mercado.
TABLA 2.1.1 – Análisis FODA Proyecto ''Estructura soportante para pruebas de resonancia estructural''. posteriormente demostrar el perfecto funcionamiento de tu diseño ante las condiciones en las que operará. Las amenazas, como anteriormente se señaló, son referidas a aspectos externos al grupos, es decir, variables que no puedes controlar. En el ejemplo, se describe como amenaza a la posibilidad de adquirir elementos o componentes en el mercado de baja calidad o que presenten fallas, producidas por condiciones desfavorables presentes en su traslado, almacenado, entre otras. Si bien es cierto, esto escapa del control del diseñador. Otra amenaza presente en el desarrollo de un proyecto, puede ser el escaso tiempo que en ocasiones se dispone dentro de las empresas para detener una maquina y obtener sus medidas u otros parámetros. Cabe destacar, que estas son solo algunas amenazas recurrentes al emprender un proyecto, sin embargo, siempre contarás con el 10
apoyo de los profesores encargados, quienes facilitarán toda la información que necesites.
2.1.2. Análisis Pro-Con Esta es una herramienta útil y muy fácil de realizar, en la cual se describen todos los ''Pro'' y ''Contras'' existentes en la realización del proyecto. Como ejemplo se presenta el análisis realizado por el grupo desarrollador del proyecto '' Estructura soportante para pruebas de resonancia estructural'' . Análisis Pro-Con Organización diseñadora: Shaker Fecha: 10 de Noviembre de 2011 Tópicos del análisis Pro-Con: ¿Tendrán Shaker la capacidad para desarrollar exitosamente el producto? Pros: Contras: Interés y motivación para desarrollar el proyecto.
Escases de tiempo para el desarrollo del proyecto.
Manejo del Software Creo.
Características del Shaker 2100E11 podrían limitar el diseño del dispositivo.
Apoyo de académicos con experiencia. El equipo de trabajo posee conocimientos previos sobre resistencia de materiales y procesos de diseño. Conocimientos en detalle de las características del Shaker 2100E11. Capacidad de experimentar y analizar diseños propuestos.
TABLA 2.1.2 – Análisis Pro-Con. Proyecto ''Estructura soportante para pruebas de resonancia estructural'' Es necesario mencionar, que al momento de defender tus fundamentos frente a los demás grupos, deberás presentarte convincente, planeando estratégicamente tu presentación.
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Capítulo 3 Planificación del proyecto Una ves seleccionado y adjudicado tu proyecto, es momento de generar la planificación del mismo, donde se describirán las tareas, se asignarán responsables para la realización de cada una, se definirán los plazos de tiempo y los recursos económicos destinados para su desarrollo. En la figura(3.0.1), se presenta un diagrama que gráfica la secuencia a seguir en esta etapa.
Fig. 3.0.1: Diagrama etapa planificación del proyecto En principio, el grupo de diseño deberá generar una lista de tareas necesarias para el desarrollo del proyecto. Una vez identificadas las tareas, se deben definir los responsables en la realización, tiempos para el desarrollo y una programación donde se detalle y represente esta información. Posteriormente, se debe entregar una secuencia a cada actividad. Cabe destacar, que al poseer 12
muchas tareas que deben ser realizadas en un corto tiempo, es eficiente organizarlas de forma paralela, es decir, no necesariamente deben estar presentes todos los integrantes del grupo en todas las tareas. Es importante mencionar que los proyectos en Ingeniería Civil Mecánica se desarrollan bajo una planificación basada en el Método Stage-Gate , ya que, permite evaluar al termino de una etapa o tarea, su cumplimiento con la fiabilidad y los estandares de calidad establecidos por el grupo de diseño. Si la fiabilidad y calidad establecida son cumplidas, se procede a la siguiente etapa o tarea, de lo contrario, se decide continuar en la etapa actual, refinando y resolviendo los aspectos débiles identificados. En la figura(3.0.2), se presenta un esquema que simplifica lo mencionado anteriormente.
Fig. 3.0.2: Proceso de planificación Stage-gate Indudablemente, al tratarse la planificación de una etapa en el proceso de diseño, se debe evaluar al término de esta el paso a la siguiente fase.
3.1. Herramienta útil para una planificación detallada Existe una herramienta muy útil para la planificación de cualquier proyecto, este es el software de Microsoft llamado Project . Esta extención de Microsoft permite organizar los recursos humanos, económicos y de tiempo de un proyecto, entregado una completa información del grado de avance, recursos utilizados, cantidad de horas hombre quemadas, entre otros. Es fácil de usar, permitiendo presentar un diagrama secuencial de cada tarea. Para una correcta planificación deberás disponer de: Un proyecto Un grupo de trabajo Una lista de tareas que deberás realizar Fechas de inicio y término del proyecto A continuación se entregan algunos consejos básicos en el uso del software Microsoft Project. 13
Fig. 3.1.1: Pantalla inicial previo a creación de la planificación
3.1.1. Nociones básicas en el uso de Microsoft Project Al instalar Microsoft Project y ejecutarlo, se abrirá la ventana que aparece en la figura(3.1.1). Haciendo click sobre el botón ''Proyecto en blanco'' y luego sobre ''Crear'' , daremos inicio a la planificación de nuestro proyecto. Una vez hecho esto, accederás a la pantalla que aparece en la figura( 3.1.2). Como te darás cuenta, en la parte izquierda se escriben todas las tareas que debes realizar para el desarrollo del proyecto, en un orden lógico y temporal. En las columnas vecinas debes ingresar el tiempo que destinarás para el desarrollo de cada una (días, horas, etc.), la fecha de inicio y la fecha de término. Posteriormente debes indicar el responsable de dicha tarea, como veremos más adelante.
Fig. 3.1.2: Pantalla de planificación En el costado derecho de la figura(3.1.2), se encuentra el Diagrama Gantt , el cual entrega la información referente a la secuencia lógica ( tareas en serie o paralelo) y la secuencia temporal 14
(fecha de inicio y término). Además, encontrarás una línea vertical cuya función es contrastar el avance de cada tarea con la planificación desarrollada.
Fig. 3.1.3: Menú pestaña Proyecto En la parte superior de esta ventana, y haciendo click sobre la pestaña ''Proyecto'' , configuraremos algunos parámetros del proyecto, es decir, los días y periodos de trabajo, fecha de inicio y término, entre otras. En la figura(3.1.3), se muestra las opciones desplegadas de esta pestaña. Primero debemos ingresar las fechas claves del proyecto, es decir, su inicio y término. Para esto, hacemos click sobre la opción ''Información del proyecto'' , donde aparecerá un cuadro similar al presentado en la figura(3.1.4). Una vez aquí, se ingresa la información correspondiente.
Fig. 3.1.4: Cuadro de información del proyecto Posteriormente, se debe configurar la cantidad de días y horas semanales destinadas para el desarrollo del proyecto. Como ya debes conocer, durante este periodo, el tiempo que dispondrá el grupo de trabajo varía según la planificación del modulo al que pertenezcas. Generalmente, las primeras semanas son destinadas para adquirir la mayor cantidad de conocimientos teóricos correspondientes a las asignaturas que curses, por lo tanto, la disponibilidad de tiempo que tendrás se irá incrementando progresivamente, siendo máximo en las últimas semanas. Tu planificación deberá considerar esta variante. Cabe destacar, que por defecto el programa define un calendario de trabajo que comienza instantaneamente al ingresar la fecha de inicio del proyecto, asumiendo un horario de trabajo de lunes a viernes por ocho horas diarias. Para configurar esto a tus necesidades, nos situamos sobre el menu desplegado de la figura(3.1.3) y haciendo click sobre la opción ''Cambiar tiempo de trabajo'' , se abrirá el cuadro que se ilustra en la figura( 3.1.5). 15
Fig. 3.1.5: Cuadro de configuración del calendario laboral Para generar un calendario ajustado a tus necesidades debes hacer lo siguiente: Sobre el cuadro de la figura(3.1.5), selecciona los días para los cuales generarás la configuración de horario Luego, has click en '' Crear nuevo calendario'' Crea un nombre identificativo, por ejemplo ''Calendario semana 1 al 5'' , y selecciona la opción ''Crear un nuevo calendario base'' , luego aceptar. Luego, has click en ''Detalles'' Selecciona la opción ''Establecer días en estos periodos laborales específicos'' Configura el horario de trabajo para esta(s) semana(s) Una vez que hallas finalizado tu configuración para el periodo seleccionado, has click en aceptar Para generar una nueva configuración, solo deberás repetir el proceso realizado, asignando un nombre nuevo y guardando los cambios cuando el programa lo indique. Una vez que hallas terminado de hacer todas las configuraciones correspondientes, hacemos click sobre la pestaña ''Tarea'' , donde aparecen las actividades escritas para el desarrollo del proyecto, como se ilustra en la figura(3.1.6). 16
Fig. 3.1.6: Pantalla de planificación Posteriormente, se deben asignar los responsables de la realización de cada tarea. Para esto hacemos click sobre la pestaña ''Recursos'' , luego en ''Asignar recursos'' , desplegandose el cuadro que se ilustra en la figura(3.1.7).
Fig. 3.1.7: Cuadro de recursos Aquí deberás ingresar el nombre o las iniciales de las personas que poseen alguna responsabilidad en el desarrollo de ciertas tareas. A modo de ejemplo, en figura( 3.1.7) se ingresaron las iniciales de los nombres de los integrantes del grupo de trabajo, añadiendo un último que describe aquellas tareas donde participa la totalidad del grupo. 17
Posterior a esto, se definen los responsables de la realización de las actividades programadas, como de representa en la figura(3.1.8).
Fig. 3.1.8: Pantalla de planificación Como te darás cuenta, al proporcionar el inicio y termino a cada actividad, inmediatamente, se genera una barra (por defecto color celeste) al costado derecho de la pantalla, la cual representa el lapso de tiempo destinado para el correspondiente desarrollo de las tareas. Como anteriormente se mencionó, algunas tareas se deben realizar de forma paralela o simultanea, y otras en serie. Para representar esto en tu planificación, deberás seleccionar las tareas como aparece en la figura(3.1.8), y seleccionar la opción ''Vincular tareas'' . Una vez realizado esto, se generará una flecha que unirá las actividades seleccionadas. Esta conección por defecto se denomina Final-Comienzo (FC), y describe una secuencia tipo serie, es decir, al finalizar la primera actividad se dará comienzo de la segunda. Para cambiar esto, en el caso que ambas tareas se realicen simultaneamente, hacemos click sobre la flecha creada, donde se desplegará el cuadro que aparece en la figura(3.1.9).
Fig. 3.1.9: Cuadro dependencia entre tareas Una vez aquí, podrás asignar la secuencia que estimes conveniente. Por ejemplo, si dos tareas deben realizarse en forma paralela, debes seleccionar la opción Comienzo a comienzo (CC) . De esta manera deberás unir todas tus actividades hasta completar tu planificación. Generalmente, al avanzar en tu proyecto, es normal que existan modificaciones en la planificación desarrollada desde un principio, estas pueden ser originadas por correcciones realizadas 18
al término de una actividad. Por lo tanto, dichas correcciones deben ser ingresadas como nuevas actividades. Otro caso de modificación que generalmente sucede en las planificaciones, es debido a la escases de información que se dispone al inicio de un proyecto, provocando que algunas tareas necesarias sean olvidadas o pasadas por alto. Existen muchos factores adicionales que pueden llevar a la modificación de la planificación inicial. Para agregar una nueva tarea, la cual puede ser ubicada entre dos actividades, solo se debe hacer click derecho donde se quiera añadir una nueva actividad, y seleccionar ''Insertar tarea'' . Inmediatamente se creará un espacio entre las actividades seleccionadas para la futura modificación. Esto se ilustra en la figura(3.1.10).
Fig. 3.1.10: Pantalla planificación, menú insertar tarea Otro aspecto importante de tener presente, es representar de forma clara la información. En la figura(3.1.11), se describen ''Actividades'' y ''Sub-actividades'' . Es evidente visualizar que las actividades poseen una jerarquía mayor que las denominadas sub-actividades, encontrándose estas últimas desplazadas de sus pares. Para logra este desplazamiento, solo se debe seleccionar la sub-actividad y elegir la herramienta ''Sangría aplicada a las tareas'' presente en el menu de opciones superior. Al hacer esto, se entregará un orden mayor a las tareas, describiendo fácilmente la jerarquía entre las mismas. Existen muchas herramientas que son útiles para embellecer la presentación de las actividades, tales como, aplicar negritas, tamaño de letra, color de letra, destacar con cierto color las casillas de las actividades, entre muchas más, quedando esta última etapa bajo el criterio del grupo de trabajo.
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Fig. 3.1.11: Pantalla planificación desarrollada
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Capítulo 4 Definición del producto 4.1. Introducción Entender el problema de diseño es la base fundamental en el diseño de un producto de calidad. Entender el problema de diseño significa ''traducir los requerimientos del cliente en una descripción técnica de lo que necesita ser diseñado'' . En palabras simples, los requerimientos obtenidos del cliente deben ser convertidos por el grupo de diseño en especificaciones de ingeniería. En el presente capitulo analizaremos las distintas técnicas que existen para obtener los requerimientos de las personas involucradas en el uso, manufactura, instalación, compra, etc. Posteriormente, veremos la diferencia entre requerimientos y especificaciones de ingeniería. Una vez entendido esto, se describirá un método utilizado por grandes diseñadores a nivel mundial, el cual resume toda la información relevante en esta etapa, de una forma estructurada y fácil de analizar. Este método es denominado QFD por su nombre en ingles ''Quality Function Deployment'' , fue desarrollado por los Japoneses a mediados de la década del 70 e introducido a Estados Unidos a finales de la década del 80. Utilizando este método, Toyota fue capaz de reducir los gastos de traer un nuevo modelo de vehículo al mercado en un 60 %, reducir el tiempo de su desarrollo en un 30 % y entregar importantes mejoras a la calidad del producto. Una revisión reciente de 150 compañías estadounidenses muestra que el 69 % usa el método QFD y que el 71 % de éstos ha comenzado a usar el método desde el año 1990. Una gran mayoría de las compañías usa el método con equipos de diseño de diez o menos miembros. De las compañías contempladas, el 83 % sintió que el método había aumentado la satisfacción de cliente y el 76 % indicó que esto facilitó sus decisiones racionales.
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En la figura(4.1.1), se describe el flujo lógico para el correcto desarrollo de esta etapa.
Fig. 4.1.1: Definición del producto. Etapa del diseño mecánico.
Los pasos a seguir son: Identificar los clientes Generar los requerimientos del cliente Evaluar la competencia Generar las especificaciones de ingeniería Seleccionar objetivos Aprobar especificaciones de ingeniería • Si se aprueban, se continua con la siguiente etapa. • Si no se aprueban, se refinan los aspectos débiles identificados 22
Fig. 4.1.2: Descripción de matriz QFD. Toda la información obtenida deberá ser ingresada a una matriz similar a la presentada en la figura(4.1.2), donde: 1. Who (Quien) : Son los clientes involucrados en el desarrollo del proyecto 2. What (Que) : Son los requerimientos del cliente que deben ser cumplidos 3. Who v/s What (Quien v/s Que) : En esta porción de la matriz, se debe ingresar la importancia que el cliente estima para cada requerimiento 4. Now (Ahora) : Aquí se debe estudiar la competencia, es decir, seleccionando un producto existente que realize la misma función o similar. Posteriormente, se compara la eficacia del producto seleccionado en el cumplimiento de los requerimientos del cliente 5. How (Como) : Estas son las especificaciones de ingeniería, las cuales determinan como se dará cumplimiento a cada requerimiento. 6. What v/s How (Que v/s Como) : En la porción central de la matriz se encuentra las relaciones entre requerimientos y especificaciones. Estas pueden presentar una relación fuerte, mediana, débil y nula 7. How much (Cuanto) : Representan los objetivos de alcanzar por el producto 8. How v/s How (Como v/s Como): En la porción superior de la matriz se analiza las relaciones entre especificaciones de ingeniería 23
En las siguientes secciones se describirá cada uno de estos pasos, entregando las herramientas más usadas para su desarrollo y ejemplos de proyectos desarrollados, que te permitirán comprender como desarrollar esta etapa del proceso de diseño utilizando este eficaz método.
4.2. Paso 1: Identificar a los clientes. ¿Quienes con ellos? En la mayoría de los casos existe más de un cliente, siendo responsabilidad del grupo de diseño el escoger correctamente. A continuación se presenta un ejemplo de un proyecto desarrollado el primer semestre del año 2011. El proyecto fue dirigido hacia la empresa Frival S.A. de la ciudad de Valdivia, la cual se dedica al faenamiento de animales (en su mayoría bobinos), proceso y venta de productos y derivados dentro del mercado nacional e internacional. El proyecto consistió en diseñar galpón con un sistema de transporte de ganado aéreo su interior. Además, el sistema de transporte debía conectar el galpón con la entrada del matadero, trasladando al animal aproximadamente 40 metros. Cabe destacar que este proyecto se constituyó en la primera experiencia de los alumnos en el área de diseño mecánico. Si bien es cierto, a medida que curses los modulos superiores, mayores exigencias se presentarán, siendo el punto final un proyecto de diseño que considera todos los aspectos, sean estos, ingenieriles, económicos, ambientales, éticos, entre otros. Por lo tanto, esto limita drásticamente los clientes que debes seleccionar. Volviendo al ejemplo, las exigencias presentadas al grupo de diseño no requerían la consideración de los aspectos económicos, ambientales o éticos, encontrándose la solución en un marco ingenieril, específicamente en el área de estática. Teniendo en cuenta esto, se presenta la selección de clientes desarrollada por los alumnos:
Operarios: Personas que estarán en contacto directo con el animal, tanto durante su estadía en los corrales como en su transporte hacia el matadero. Dpto. Prevención de riesgo: Encargados de la seguridad dentro de la empresa, de una relevancia enorme para poder diseñar una estructura segura y que cumpla con las normativas de seguridad de frival. Dpto. Mantención: Personal encargado de mantener las maquinarias y estructura operativas dentro de la empresa . Dpto. Proyecto: Su objetivo es coordinar los trabajos referentes a proyectos técnicos que necesiten de un estudio detallado para su correcto funcionamiento o puesta en marcha. Ahora bien, veamos los clientes que se añadirán si ampliamos el marco del proyecto incorporando aspectos económicos y ambientales. Al considerar aspectos económicos, estos pueden ser analizados por medio de la inversión inicial, costos de operación, costos de puesta en marcha, costos de mantención, etc. En este caso de añadirá la persona u organización que financia dichos costos. Los aspectos ambientales involucran directamente a las personas que viven en las cercanías de la empresa, juntas de vecinos, etc. Además, existen organismos que regulan las emisiones de 24
contaminantes al ambiente, dichas organizaciones sean gubernamentales o no, deberán agregarse. En fin, son muchos los clientes que pueden ser involucrados en el desarrollo de un proyecto, quedando este punto bajo la responsabilidad del criterio del grupo de diseño.
4.3. Paso 2: Determinar los requerimientos del cliente. ¿Qué es lo que el cliente quiere? Una vez seleccionadas las personas que se constituirán como clientes, llega el momento de generar los requerimientos. A continuación se presentarán diversas herramientas que permiten obtener los requerimientos del cliente.
4.3.1. Encuestas Es un método muy útil al momento de generar los requerimientos. Tienes que tener presente que al generar las preguntas, estas deben desarrollarse de manera abierta, sin la intención de obtener una respuesta predestinada. Para generar correctamente las preguntas debes tener en cuenta que: Cada pregunta debe ir orientada a un tema especifico Las preguntas deben redactarse pensando en el receptor, por ejemplo, el nivel del lenguaje de una pregunta dirigida a un gerente será diferente a una dirigida a un operario Se debe generar una encuesta para cada cliente, ya que los temas que abordan cada uno serán diferentes Si tu encuesta la ejecutas personalmente, es recomendable que te apoyes de un grabadora, con el fin de que nada sea pasado por alto Si tu encuesta la ejecutas vía mail o otro servicio, las preguntas deben ser claras. Antes de realizar tu encuesta, una practica muy recomendable es aplicar tu instrumento a una persona externa al grupo. Esto te ayudará a identificar las preguntas que no se entienden con facilidad.
4.3.2. Focus group Una vez identificado los clientes, y existiendo la posibilidad de reunir a cada persona involucrada en un mismo instante de tiempo, podrás utilizar esta herramienta. Para esto debes considerar lo siguiente: Sabiendo las personas que asistirán, debes generar preguntas las cuales serán presentadas en la reunión 25
Preparar una presentación, en la cual expongas el problema que los aqueja y las problematicas derivadas Una vez terminada la presentación y contextualizado el problema, debes abrir paso a la cesión se preguntas Documenta, graba y toma nota de toda la información que obtendrás Este método es muy efectivo, ya que permite obtener información sobre información. Por ejemplo, una persona puede entregar una respuesta a una determinada pregunta, esto deja abierta la posibilidad de que otra persona, en función de los conocimientos que posea, argumente sobre la anterior respuesta. Es importante destacar, que para una mayor eficiencia en las respuestas, debes ''Romper el hielo'' , osea, generar la confianza suficiente de modo que todos puedan entregar su opinión.
4.3.3. Ejemplo de requerimientos Una vez obtenida la información necesaria, debes generar una descripción clara de cada requerimiento. Siguiendo con el ejemplo anterior, correspondiente al proyecto realizado para la empresa Frival S.A., se presentan los requerimientos generados mediante el uso de encuentas personales:
Requerimientos del proyecto Frival S.A. Mecanismo de transporte que requiera de 1 operario. Método de transporte fácil de operar. Rieles deben coincidir con rieles del matadero. Sistema de control para el transporte aéreo fuera de corrales. Elevar el animal pesado a una altura apropiada. Transportar animal accidentado e inconsciente desde el galpón al matadero. Estructura de traslado debe ser cerrada. Techo firme y seguro. Acceso restringido, solo personal autorizado. Sistema eléctrico autónomo y seguro. Botones de emergencia para tableros de trabajo. Acceso adecuado y seguro al techo del galpón. Conexión entre galpones debe ser segura y adecuada. 26
Focos independientes entre sí. Tránsito para el personal debe estar señalado. Mínima cantidad de obstáculos en zonas de transito de animales. Estructura cerrada y resistente a corrosión. Altura del galpón igual o superior a la del galpón vecino. Galpón debe cubrir 4 corrales donde llega el ganado. Estructura poco invasiva en el espacio del animal. Luz adecuada para realizar los trabajos. Perfiles sin costuras. Zona de seguridad y resguardo, señalizadas y de fácil acceso para operarios en caso de emergencia.
4.4. Paso 3: Determinar la importancia relativa de los requerimientos Para desarrollar este paso debes apoyarte de una herramienta denominada ''Método de la suma fija'' . Una vez generados los requerimientos de todos los clientes, prepara una tabla donde aparezcan cada uno de ellos, dejando un espacio en blanco donde cada cliente, según su propio criterio, asignará un puntaje. Este puntaje se encontrará en función de la importancia que presente para la persona dicho requerimiento. Por lo tanto, para el correcto desarrollo de este paso debes: Preparar una tabla con cada uno de los requerimientos obtenidos en el paso anterior. Deja una casilla en blanco, donde cada cliente asignará un puntaje a cada requerimiento Debes dejar bien claro la forma en que deben asignarse los puntajes. El cliente evaluado tendrá 100 puntos que deberá repartir en cada uno de los requerimientos. Es recomendable, que entregues a cada cliente una tabla. Debes cerciorarte que la sumatoria total de los puntajes entregados sea de 100 A modo de ejemplo se presenta en la figura (4.4.1) una porción de la Matriz QFD desarrollada en el proyecto ''Mesa de vibraciones para pruebas de resonancia estructural'' , donde se presentan específicamente el desarrollo de los pasos 1, 2, y 3 del método QFD. 27
Fig. 4.4.1: Desarrollo paso 1, 2 y 3 del método QFD. Proyecto ''Mesa de vibraciones para pruebas de resonancia estructural''.
4.5. Paso 4: Evaluar la competencia. ¿Cuan satisfechos estan los clientes ahora? Hoy en día existen en el mercado muchos productos que realizan una función similar, estos productos serán la competencia. Por ejemplo, si quisieras diseñar una bicicleta y tuvieras los siguientes requerimientos: Bajo peso Alta maneobrabilidad Capacidad de alcanzar altas velocidades Suavidad en caminos irregulares Es fácil percatarse que en el mercado existen muchos modelos que cumplen dichos requerimientos, pero muchos presentan diferencias significativas en cuan bien los cumplen. Existen bicicletas con diversos pesos, en que su fácil manejo varia en función a las mejoras incorporadas. Existen bicicletas de alta competencia, las cuales pueden alcanzar elevadas velocidades. Por lo tanto, en este paso analizaremos la competencia existente en el diseño de nuestro producto, siendo la metodología a seguir presentada a continuación: 28
Selecciona un producto existente en el mercado, cuya función sea similar al producto que diseñarás. Si no existe, puede comparar el estado actual de tus clientes. Elabora cinco niveles de evaluación, donde: 1. El producto no cumple con el requisito en absoluto. 2. El producto cumple con los requisitos ligeramente. 3. El producto cumple con el requisito de alguna manera. 4. El producto cumple con el requisito de su mayoría. 5. El producto cumple con los requisitos por completo. Analiza la capacidad que posee la competencia seleccionada en el cumplimiento de los requerimientos, asignado valores del 1 al 5 según corresponda. Realizar el análisis de la competencia, te permitirá conocer como funcionan los productos evaluados, sus partes y materiales constituyentes, entregando la posibilidad de que tu diseño incorpore los aspectos positivos de la competencia, evitando de esta manera, los aspectos débiles.
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Además, puedes analizar varias competencias de forma simultanea, como es el ejemplo mostrado en la figura(4.5.1) correspondiente al proyecto Mesa de vibraciones para pruebas de resonancia estructural .
Fig. 4.5.1: Desarrollo paso 1, 2, 3 y 4 del método QFD. Proyecto ''Mesa de vibraciones para pruebas de resonancia estructural''.
4.6. Paso 5: Generar especificaciones de ingeniería. ¿Como serán cumplidos los requerimientos del cliente? En este paso, se deben traducir los requerimientos del cliente a especificaciones de ingeniería, que en palabras simples quiere decir, la manera en que daremos cumplimiento a la necesidad del cliente. Para entender la diferencia entre un requerimiento y las especificaciones de ingeniería, analizaremos el siguiente ejemplo. Si determinada persona presenta un problema de escasa luminosidad en su habitación, pidiendote que soluciones este problema, se tiene:
Requerimiento: • Mayor iluminación en una determinada habitación
Especificación de ingeniería • Cantidad de Lux, medidos a cierta altura de trabajo 30
En este simple ejemplo, para solucionar el problema del cliente, se debe aumentar la luminosidad de la habitación a una determinada cantidad de lux. No se especifica como se realizará esto, ya sea, aumentando el numero de luminarias, reemplazandolas o simplemente limpiando el foco de luz por una supuesta capa de suciedad adherida. Esto último forma parte de la siguiente etapa del proceso de diseño, denominada Generación conceptual , que será analizada más adelante. Sin embargo, las especificaciones de ingeniería abren el camino hacia la generación de conceptos. Otro aspecto importante de tener en cuenta al generar las especificaciones de ingeniería, es que estas, deben ser cuantificables, es decir, deben poseer unidades de medición, sean metros, litros, Watt, Herz, etc. En el ejemplo, se identifica que el nivel de luminosidad es medido en LUX. A modo de ejemplo se presenta las especificaciones generadas para el proyecto Mesa de vibraciones para pruebas de resonancia estructural.
Especificaciones de ingeniería para cada requerimiento Evitar resonancia de la estructura. • Frecuencia natural de la estructura mayor a las frecuencias de prueba. Medido en Hz. Perfecta alineación del vástago con la estructura. • Eje longitudinal paralelo a rieles o guías. Medido en x° respecto al eje longitudinal. Fácil conexión de Shaker con estructura • Número de pasos para realizar conexión. Medido en número de pasos. Fácil montaje de las maquetas de pruebas. • Número de pasos para realizar la fijación. Medido en número de pasos. Garantizar movimiento unidireccional. • Restricción de 5 grados de libertad. Medido en número de grados de libertad restringidos Minimizar fuerza de roce de la mesa al desplazarse. • Bajo coeficiente de fricción. Parámetro adimencional. Tamaño limitado a un laboratorio. • Altura de la mesa. Medido en metros. • Ancho de la mesa. Medido en metros. • Largo de la mesa. Medido en metros.
Fácil operación. • Pasos para realizar experiencia de laboratorio. Medido en número de pasos. 31
4.7. Paso 6: Establecer la relación entre requerimientos y especificaciones de ingeniería En este paso se medirá la relación existente entre requerimientos y las especificaciones de ingeniería creadas en el paso anterior. Para esto debes generar cuatro niveles de relación, caracterizando cada uno con un símbolo identificativo, al cual previamente se le asignará un valor. Los cuatro niveles son: Fuerte relación. Su valor es de 9 Mediana relación. Su valor es de 3 Débil relación . Su valor es de 1 Sin relación. Su valor es de 0 A continuación se presentan una serie de consideraciones que debes tener en cuenta al desarrollar este paso. Estas son: 1. Cada requerimiento debe estar relacionado con al menos una especificaciones de ingeniería. En el caso que no posea relación alguna, se debe analizar si el requerimiento esta bien definido, eliminando o refinandolo en este caso. También, esto podría indicar que no se han generado suficientes especificaciones de ingeniería. 2. Los símbolos asignados a cada nivel de relación, deben ser reconocidos fácilmente. 3. Es recomendable generar una descripción de cada símbolo en u sector visible de la matriz QFD, con el propósito de entregar claramente la información al lector o receptor del estudio. 4. En el caso que una especificación no se relacione con una determinado requerimiento, es recomendable dejar en blanco el espacio, esto significará que no existe relación alguna. El propósito de esto es facilitar la comprensión de la información. 5. Cada requerimiento debe encontrarse relacionado fuertemente con al menos una especificación de ingeniería.
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A modo de ejemplo, se presenta el desarrollo de este paso en la matriz QFD realizada en el proyecto Mesa de vibraciones para pruebas de resonancia estructural . Este se ilustrada en la figura(4.7.1).
Fig. 4.7.1: Desarrollo paso 6 del método QFD. Proyecto ''Mesa de vibraciones para pruebas de resonancia estructural''. En el ejemplo entregado, es posible identificar claramente la relaciones existentes entre requerimientos y especificaciones de ingeniería. Como es de observar, algunos requerimientos se encuentran relacionados con varias especificaciones, ya que , no existe límites en el número de relaciones al cumplir la consideración descrita en el item 1. Otro factor importante de estudiar, son las flechas que acompañan a cada especificación. El significado de la orientación de las flechas es el siguiente: Se asignará una flecha apuntando hacia arriba, en el caso que al aumentar una determinada especificación de ingeniería, mejor será la satisfacción del requerimiento. Se asignará una flecha apuntando hacia abajo, en el caso que al disminuir una determinada especificación de ingeniería, mejor será la satisfacción del requerimiento. En el caso que una determinada especificación deba cumplir un valor específico, donde no se pueda disminuir ni aumentar, se debe describir dicho valor.
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4.8. Paso 7: Establecer objetivos para cada especificación de ingeniería y su importancia. ¿Cuánto es lo suficientemente bueno? En este paso se debe obtener la importancia de cada especificación de ingeniería y establecer los objetivos de alcanzar. Este desarrollo consta de tres partes. En la primera parte, se obtiene la importancia de cada especificación mediante un método matemático sencillo. El resultado de este análisis identificará aquellas especificaciones más importantes, en las cuales deberás depositar un mayor esfuerzo. La segunda parte, volveremos a estudiar la competencia elegida anteriormente, donde se analizarán los valores que alcanza dicho producto en cada especificación. En la tercera parte, se fijarán los objetivos para nuestras especificaciones, es decir, los valores que deberá alcanzar nuestro producto a diseñar.
4.8.1. Importancia de las especificaciones de ingeniería Para entender el proceso matemático presente en el calculo de la importancia de cada especificación de ingeniería, se tomará como ejemplo lo realizado en el proyecto Mesa de vibraciones para prueba de resonancia estructural , presente en la figura(4.8.1).
Fig. 4.8.1: Importancia de las especificaciones de ingeniería. Proyecto ''Mesa de vibraciones para pruebas de resonancia estructural''. 34
La metodología es la siguiente: Con los valores de importancia de los requerimientos asignados por el cliente en el paso 3 (4.4), y los valores de relación presentes en cada especificación de ingeniería asignados en el paso 6 (4.7.1), se procede a calcular la importancia de cada especificación según el cliente. En el ejemplo, si seleccionamos el cliente Guillermo Sérandour y la especificación Frecuencia natural de la estructura , el calculo es el siguiente: • 18x9 + 12x0 + 10x0 + 8x0 + 18x0 + 14x0 + 12x0 + 8x0 = 162 • Ahora, con el cliente seleccionado repetimos la sumatoria anterior, pero esta vez, para todas las especificaciones, esto es : (18x9 + 12x0 + 10x0 + 8x0 + 18x0 + 14x0 + 12x0 + 8x0) + (18x3 + 12x9 + 10x0 + 8x0 + 18x0 + 14x3 + 12x0 + 8x0) + (18x0 + 12x0 + 10x9 + 8x0 + 18x0 + 14x0 + 12x0 + 8x3) + ........ = 1608 • Con estos valores se calcula el % de importancia de esta especificación para el cliente seleccionado. Esto es (162/1608)x100 = 10 % Se repite el mismo procedimiento en todas las especificaciones, hasta completar el análisis para todos los clientes, como aparece en la figura( 4.8.1).
4.8.2. Medir como la competencia cumple las especificaciones de ingeniería Para desarrollar este paso, deberás reunir previamente toda la información referida a los productos seleccionados como competencia, específicamente a los puntos que tratan cada especificación de ingeniería. Para esto debes: Obtener la mayor cantidad de información referida a los puntos que tratan tus especificaciones. Para esto apoyate de todas las fuentes que tengas a tu alcance, manuales, internet, patentes, etc. Ingresa los valores obtenidos en tu QFD En el caso, que cierta información no se encuentre disponible, podrás dejar el espacio en blanco. Sin embargo, mientras más completa se encuentre esta etapa, más información obtendrás para tu diseño.
4.8.3. Fijar objetivos en las especificaciones Es este paso debes definir dos limites, uno es denominado Objetivo o meta y el otro Umbral . El primero corresponden a valores en tus especificaciones ideales, osea, bajo el supuesto que al alcanzar dicho valor, tu producto se ubicará sobre la competencia. El Umbral, corresponde a los valores mínimos de alcanzar, los cuales aseguran que tu producto será mejor a la competencia, en calidad, funcionalidad, entre otras. En la figura(4.8.2), se presenta el desarrollo de este paso correspondiente al proyecto Mesa de vibraciones para pruebas de resonancia estructural . 35
Fig. 4.8.2: Desarrollo de objetivos en método QFD. Proyecto ''Mesa de vibraciones para pruebas de resonancia estructural''.
4.9. Paso 8: Identificar las relaciones entre especificaciones de ingeniería En este paso se deben identificar la existencia de relaciones entre las especificaciones de ingeniería. Una especificación puede estar relaciona de manera positiva o negativa. Para un mayor entendimiento del proceso de desarrollo de este paso, se analizará lo realizado en el proyecto Mesa de vibraciones para pruebas de resonancia estructural , presente en la figura(4.9.1). En el ejemplo mostrado en la figura(4.9.1),elgrupodediseñoencontróqueexisteunarelación positiva entre las especificaciones Eje longitudinal paralelo a riel o guías y Restricción de 5 grados de libertad . Al encontrarse el eje longitudinal de la mesa de vibraciones paralelo a los rieles guías, inmediatamente se restringen 5 grados de libertad, ya que, para cumplir la primera condición, se deben eliminar la posibilidad de giro en los tres ejes, dejando libre el desplazamiento en el eje longitudinal. Otro ejemplo es la relación positiva entre Número de pasos para realizar la conexión y Número de pasos para realizar la experiencia . Note que ambas especificaciones poseen una flecha que apunta 36
Fig. 4.9.1: Desarrollo paso 8 en método QFD. Proyecto ''Mesa de vibraciones para pruebas de resonancia estructural''. hacia abajo, lo que indicaría que entre menos pasos se necesiten para realizar dicha labor, será mejor. Por lo tanto, si la primera condición se realiza en la menor cantidad de pasos, directamente, reducirá los pasos necesarios para realizar la experiencia. Ahora analicemos el caso donde de identifica una relación negativa. Por ejemplo, existe una relación negativa entre la especificación Frecuencia natural de la estructura y Altura de la estructura . En este caso, el diseño de la estructura debía asegurar una frecuencia natural diferente a la frecuencia excitadora de la mesa. Es estricto rigor, el valor de frecuencia natural debía alejarse la mayor cantidad posible de los valores de frecuencia que excitaban dicha estructura. Sin embargo, la primera condición se ve afectada por la altura, ya que, en estudios realizados, se demuestra que a mayor altura, menor frecuencia natural poseerá la estructura, lo cual, impacta negativamente en el diseño del producto.
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4.10. QFD desarrollada A modo de ejemplo se presenta la matriz QFD desarrollada en el proyecto Mesa de vibraciones para pruebas de resonancia estructural .
Fig. 4.10.1: Matriz QFD desarrollada en proyecto ''Mesa de vibraciones para pruebas de resonancia estructural''.
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Capítulo 5 Generación de Conceptos 5.1. Introducción En el capítulo xx nuestro principal objetivo fue entender el problema de diseño y generar sus requerimientos y especificaciones. Ahora nuestro objetivo es usar este entendimiento como base para la generación de conceptos que conduzcan a un producto de calidad. Para realizar ésto, se aplicará una simple filosofía: la forma sigue a la función. Así en primer lugar debemos entender la función del mecanismo, después diseñar sus forma. El diseño conceptual se enfoca en la función. En promedio, las industrias disponen un 15 % del tiempo en el desarrollo de conceptos. Esto permite que las compañías minimicen entre un 20-25 % los cambios que puedan ocurrir después de desarrollar el producto. En algunas empresas, sin embargo, el diseño comienza con un concepto que se a de convertir en un producto sin tener la necesidad de entender los requerimientos. Esta es una filosofía pobre y generalmente, no conduce a un producto de calidad. Algunos conceptos son naturalmente generados durante la fase de desarrollo de especificaciones de ingeniería. Aquí hay una tendencia de los diseñadores de tomar su primera idea y empezar a refinarlas hacia el producto. El flujo del diseño conceptual es mostrado en la figura (5.1.1). Aquí, como toda resolución de problema, la generación de conceptos es un procesos iterativo con su evaluación. En línea con nuestra filosofía básica, las técnicas que examinaremos aquí para la generación de conceptos estarán fomentadas en la función del dispositivo que se estará diseñando. Estas técnicas ayudan en la descomposición del problema de una manera que proporcionan una mayor comprensión y oportunidad para soluciones creativas a ella. Nos enfocaremos en técnicas para ayudar con la descomposición funcional y generación de variantes de conceptos porque la importancia de los requerimientos de los clientes tienen que ver con el rendimiento funcional del producto deseado. Estos requerimientos se convierten en base para las técnicas de generación de conceptos. La descomposición funcional está diseñada para refinar aún más los requerimientos funcionales; la generación de conceptos variantes ayudan en la transformación de las funciones en conceptos. Una vez entendida la función, hay muchos métodos que ayudan en la generación de conceptos, estás se verán más adelante. Los conceptos pueden ser representados como descripciones verbales o textuales, bocetos, maquetas de papel, diagramas de bloques, o de cualquier otra forma que 39
Fig. 5.1.1: La fase de Diseño Conceptual. proporcione una idea de cómo la función se pueda lograr.
5.2. Entendiendo la función de los dispositivos ya existentes En esta sección comenzamos con una discusión general del termino ``función''. Luego se centra en cómo descomponer los dispositivos existentes para poder encontrar su función.
5.2.1. Definiendo la función En esta sección es importante recordar que la función dice lo qué el producto debe hacer, mientras que su forma , o estructura transmite el cómo el producto lo hace. Como definición se dice que la Función es un flujo lógico de energía, material o información entre objetos el cambio de estado de un objeto causado por uno o más de los flujos.
Por ejemplo, el grupo del sexto semestre de la Carrera de Ing. Civil Mecánica del año 2011 desarrollo un proyecto que básicamente consistía en diseñar una mesa que permitiría transmitir las vibraciones provocadas por un dispositivo excitador llamado Shaker a las maquetas de prueba. 40
Aquí el primer paso fue definir la función que debía cumplir el diseño. Este se definió de la siguiente forma: Transferir la excitación del Shaker a las maquetas de prueba.
Esta definición permite identificar un flujo de energía en forma de vibración (transferir-excitación) a las maquetas de prueba (información). Con esta información se procede a encontrar la subfunciones de cada componente del dispositivo, para ellos se utiliza la siguiente herramienta:
5.2.2. Usando Ingeniería Inversa para Entender la Función de los Dispositivos Existente La ingeniería Inversa es un método para entender cómo trabaja un producto. Es decir, cuál es su función? Para asegurar que la función del dispositivo sea entendida se sugieren una serie de pasos: 1. Para el Dispositivo Completo, examinar la interfaz con otros objetos. 2. Remover Componentes para un estudio más detallado. 3. Examinar cada interfaz para encontrar el flujo de energía, información, o material.
5.2.2.1. Aplicación de Ingeniería Inversa en proyectos A continuación se presenta la utilización de esta herramienta para el análisis de ya creados para lograr así una mejora sustancial de éstos.
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Proyecto: Shaker
Fig. 5.2.1: Ingeniería Inversa aplicado en el análisis de un proyecto del Shaker realizado en el 2009 por los alumnos Carlos Delgaso, Egon Delgado y Andrés Toledo.
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Fig. 5.2.2: Ingeniería Inversa aplicado en el análisis de un proyecto del Shaker realizado en el 2009 por los alumnos Francisco Arteaga y José Soto.
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Proyecto: Optimización del sistema de abastecimiento de carbón del Hospital Base de Valdivia
Fig. 5.2.3: Ingeniería Inversa aplicado en el análisis de la estructura que cuenta el Hospital Base de Valdivia realizado por Cristian Aguilar, Flaminio Becerra, Felipe Cazaux y Hardy Muñoz en el 2012.
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Fig. 5.2.4: Ingeniería Inversa aplicado en el análisis de la estructura que cuenta el Hospital Base de Valdivia realizado por Cristian Aguilar, Flaminio Becerra, Felipe Cazaux y Hardy Muñoz en el 2012.
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5.3. Una técnica para Diseñar con Funciones El objetivo del modelamiento funcional es descomponer el problema en términos de flujo de energías, material, e información. La descomposición funcional en una técnica muy usada en el desarrollo de nuevos productos. Se presentan cuatro pasos básicos en la aplicación de esta técnica y varias guías para una descomposición exitosa.
5.3.1. Paso 1: Encontrar la Función Global Éste es un buen primer paso para el entendimiento de la función. El objetivo aquí es generar una simple oración para la función global en base a los requerimientos de los consumidores. Todo problema de diseño tiene uno o más funciones ''importantes''. Éstas deben ser reducidas a una simple clausula y puestas en una caja negra . Las entradas a la caja son todas las energías, materiales , e informaciones que fluyen en el borde del sistema. En la salida están los flujos que van fuera del sistema. La figura (5.3.1) representa lo dicho anteriormente aplicado al proyecto Shaker.
Fig. 5.3.1: Función principal del Proyecto del Shaker realizado en el VI semestre del 2011 por los alumnos Iván Lobos, Johan Muñoz, Victos Solís y Juan Vargas.
5.3.2. Paso 2: Crear las Descripciones de las Subfunciones El objetivo de este paso es descomponer la función general identificando las subfunciones que necesitan ser cumplidas. Se hace referencia a tres importantes razones por las cuales es imprescindible descomponer la función general. La primera razón es que al descomponer la función general se controla la búsqueda de soluciones para el problema de diseño, planteando de ésta manera que los conceptos siguen la función y el producto sigue a los conceptos. Se recomienda entender la función antes de gastar tiempo en un producto que solucionará pobremente el problema. La segunda razón es que la división funcional detallada lleva a un mejor entendimiento del problema de diseño, ésto proporcionará buenas ideas y ayudará en el desarrollo de especificaciones de ingeniería. La tercera y última razón hace referencia a los productos existentes cuyos componentes pueden cumplir los requerimientos funcionales necesitados.
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A continuación se presenta una ejemplo de este paso aplicado al proyecto Shaker:
Función general: ''Transferir la excitación del Shaker a las maquetas de prueba'' Subfunciones: Recepcionar fuerza dinámica del Shaker. Soportar mesa y maquetas de prueba. Soportar fuerzas dinámicas presentes en el movimiento. Transformar la fuerza dinámica en movimiento de traslación unidireccional. Desplazar maquetas de prueba en sentido unidireccional. Reducir fuerza de fricción.
5.3.3. Paso 3: Ordenar las subfunciones El objetivo de este paso es añadir un orden a las subfunciones generadas en el paso previo. Éstas deben ser ordenadas de manera lógica o en secuencia temporal, es decir, se debe comenzar con la primera función la cual debe ser desarrollada y completada para posteriormente continuar con la segunda y así consecutivamente, hasta completar la función general. Además, se deben identificar las funciones que estén dentro de la frontera del problema, las que no se contengan dentro de los limites establecidos en la definición de la función deben ser eliminadas. Otro aspecto importante en este punto, es conservar el flujo de material y energía en el sistema.
5.3.4. Paso 4: Refinar subfunciones El objetivo de este paso es descomponer las subfunciones lo más finamente como sea posible. Una vez finalizado todo lo anterior es necesario consensuar gráficamente lo generado. No existe una regla para ello, sino más bien queda a criterio del diseñador siempre cuando sea claramente entendido. A continuación se presentan varias descomposiciones funcionales realizas por alumnos pertenecientes al sistema PBL de Ingeniería Civil Mecánica.
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Descomposición funcional del proyecto Shaker:
Fig. 5.3.2: Descomposición Funcional del Proyecto Shaker.
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Descomposición funcional del proyecto del Tanque de Petróleo y Estructura Soportante realizado por Anibal Aguilera, Manuel Araya, José Soto y Felipe Vera en el 2012.
Fig. 5.3.3: Diagrama de flujo del funcionamiento del Tanque de Petróleo y Estructura Soportante.
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Descomposición funcional del proyecto Diseño de Estructura Soportante Unitizador Principal de Alimentación realizado por Gabriel Álvares, Karl Kluge, Sergio Navarro y Juan Rosas.
Fig. 5.3.4: Diagrama de flujo del funcionamiento del Diseño de Estructura Soportante Unitizador Principal de Alimentación.
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5.4. Us Usando ando Morf Morfologí ologíaa para genera generarr conce conceptos ptos Una ve vezz en enco contr ntrad adaa la fu funci nción ón pr prin inci cipa pall y la lass sub subfu funci ncione oness de dell di disp sposi ositi tivo vo a di dise seña ñarr se pr proc oced edee a diseñar conceptos; conceptos que permitan satisfacer todos los requerimientos de los clientes. La Morfología es un poderoso método utilizado para la generación de conceptos, en el cual es posible desarrollar una gran cantidad de ideas para cumplir la función general. Esta compuesto de tres pasos. El primero consiste en descomponer la función que debe ser cumplida, generalmente se utilizan las subfunciones generadas en la sección anterior.
Fig. 5.4.1: Morfología del Proyecto Shaker (Paso 1). El segundo paso consiste en encont encontrar rar la mayor cantidad cantidad de concep conceptos tos que cumpla cumplann con las subfunciones.
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El tercer y último paso, se deben combinar los conceptos desarrollados en un concepto general que cumpla con los requerimientos del cliente.
Fig. 5.4.2: Morfología del Proyecto Shaker (Paso 3). A continuación se presentan presentan varios ejemplos de morfologías utilizados en proyectos realizados realizados por alumnos de PBL.
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Morfología Proyecto Tanque de Petróleo y Estructura Soportante
Fig. 5.4.3: Morfología Tanque de Petróleo y Estructura Soportante.
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Morfología Proyecto Optimización mesa de alimentación Aserradero Los Coigües S.A.
Fig. 5.4.4: Morfología Proyecto Optimización mesa de alimentación Aserradero Los Coigües S.A. realizado por los alumnos Fernando Badilla, Alejandro Godoy, Erney Silva y Alejandro Jefi en el 2012.
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Capítulo 6 Evaluación y Selección de Conceptos El objetivo de este capítulo es proporcionar herramientas que permitan gasta la menos cantidad de recursos en decidir qué conceptos tienen mayor potencial para convertirse en un producto de calidad.
6.1. La Matriz de Decisión, Método Pugh's El método de la matriz de decisión o también llamado método Pugh's es bastante simple de desarrollar y ha demostrado ser una buena alternativa al momento de comparar diferentes conceptos. En esencia el método proporciona una puntuación media de cada una de las alternativas con respecto a la habilidad que posean para cumplir ciertos criterios. Los criterios puestos en la comparación apuntan hacia el cumplimiento de los requerimientos de los clientes. La estructura para la construcción de esta matriz se refleja en la figura ( 6.1.1)
Fig. 6.1.1: Estructura básica de la Matriz de Decisión. Fuente: The Mechanical Design Process, David G. Ullman.
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El método de evaluación conceptual esta conformado por seis pasos claves que se desarrollarán a continuación.
Paso 1 Establecer el tema: Se debe establecer el tema al cual se aplicará el método mencionado.
Paso 2 Seleccionar las alternativas a ser comparadas: Las alternativas a ser comparadas son las diferentes ideas desarrolladas en la generación conceptual. Anteriormente, se nombró la morfología como fuente de ideas. Las combinaciones realizadas en la etapa previa se transformarán en las alternativas a evaluar.
Paso 3 Escoger los criterios para la comparación: Para desarrollar los criterios de evaluación se recomienda utilizar la información puesta en la matriz QFD.
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Paso 4 Desarrollar una ponderación relativa de la importancia: En este paso se asignan valores a cada criterio, este proceso es similar al desarrollado en la matriz QFD donde los clientes asignaron valores a cada uno de los requerimientos los cuales sumaban un total de 100.
Paso 5 Evaluar las alternativas: Para iniciar el proceso de evaluación es necesario seleccionar un concepto que todos piensen que es el mejor. Este concepto se llamará Datum. Una vez seleccionado el Datum se procede a evaluar los diferentes conceptos existentes con respecto al seleccionado en primera instancia. Se asignan valores los cuales pueden ser +1, 0 y -1 para identificar la habilidad que poseen las diferentes alternativas para cumplir los criterios de evaluación. El asignar un valor de +1 significa que la habilidad del concepto evaluado para cumplir cierto criterio supera al Datum. En el caso contrario se debe asignar un valor de -1. Además, existen situaciones donde el Datum y la alternativa evaluada poseen la misma habilidad, en este caso de debe asignar un valor de 0.
Paso 6 Computar la satisfacción y decidir que hacer después: El resultado de las comparaciones de cada concepto con respecto al Datum se puede observar en la parte inferior de la matriz Pugh's. Las cifras arrojadas presentan la habilidad que posee cada concepto para cumplir los criterios de comparación nombrados anteriormente. Además, este estudio brinda la posibilidad de mejorar el concepto mejor evaluado considerando los aspectos positivos de las demás alternativas.
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A continuación se presentan ejemplos realizados por alumnos de PBL. Matriz de Pugh's Proyecto Shaker
Fig. 6.1.2: Matriz de Decisión Proyecto Shaker. Matriz de Pugh's Proyecto Tanque de Petróleo y Estructura Soportante
Fig. 6.1.3: Matriz de Decisión Proyecto Tanque de Petróleo y Estructura Soportante.
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Capítulo 7 Desarrollo del Producto Ente capítulo se enfocará en la fase de diseño del producto, con el objetivo de refinar los conceptos en base a la calidad del producto. Este proceso de transformación puede ser llamado diseño de hardware , todo lo que implica dar forma a lo que era una idea. Como se muestra en la figura (7.0.1), este refinamiento es un proceso iterativo de generación de productos y evaluación de estos para verificar su habilidad de reunir los requerimientos.
Fig. 7.0.1: Fase del Diseño del Producto en el Prodeso de Diseño. Fuente: The Mechanical Design Process, David G. Ullman.
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El refinamiento desde un concepto a un producto manufacturable requiere trabajar en todas los elementos mostrados en la figura (7.0.2). Lo central de esta figura es la función del producto. En torno a la función, y mutuamente dependiente una de otra, está la forma del producto, los materiales usados para hacer el producto, y las técnicas de producción usadas para generar la forma desde los materiales.
Fig. 7.0.2: Elementos básicos en el Proceso de Diseño. Fuente: The Mechanical Design Process, David G. Ullman.
La forma del producto esta más o menos definida pro las restricciones espaciales que proporciona la envoltura en que el producto funciona. Dentro de esta envoltura el producto se define como una configuración de componentes conectados . Como se muestra en la figura (7.0.2), las decisiones de producción requieren desarrollar el Cómo los componentes del producto son manufacturados desde los materiales y Cómo estos componentes son ensamblados .
7.1. Desarrollo del Proyecto Tras un intensivo estudio del proyecto a realizar en que se recomiendan aplicar todas las herramientas antes mencionadas, por ejemplo definir cada parámetro y/o entorno en que se desen vuelve el proyecto, planificar cada tarea y establecer los parámetros físicos que permitan medir cada requerimiento que el cliente estableció, para posteriormente poder generar conceptos que permitan satisfacer con cada uno de estos requerimientos y, finalmente, elegir el que permita obtener un producto de calidad, sólo queda consensuar esa idea en algo tangible, manufacturable y viable. Para llevar a cabo esta labor se tienen que aplicar los conocimientos teóricos adquiridos en cada semestre que se esté cursando en la Carrera de Ingeniería Civil Mecánica, ya sea en Estática y Mecánica de Sólidos, Dinámica, Transferencia de Energía con Fluidos Compresible e Incompresibles, Evaluación de Proyecto, etc. 60
A continuación se presentarán proyectos finalizados de alumnos pertenecientes a la Carrera antes mencionada cursando el sistema de enseñanza PBL (Problem Basic Learning) Proyecto: Optimización de Caja Compactadora en camiones de basura; Alumnos: José Figueroa, Johan Muñoz, Andres Torres, Diego Venegas
Fig. 7.1.1: Proyecto: Caja Compactadora
Fig. 7.1.2: Proyecto: Caja Compactadora
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Proyecto Shaker
Fig. 7.1.3: Proyecto Shaker.
Fig. 7.1.4: Proyecto Shaker.
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Proyecto: Diseño de Caldera Kewanne con Ciclón; alumnos: Felipe Harris, Johan Muñoz, Juan Vargas, Gabriel Zumelzu
Fig. 7.1.5: Caldera Kewanne.
Fig. 7.1.6: Ciclón.
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Proyecto: Tanque de Petróleo y Estructura Soportante
Fig. 7.1.7: Proyecto: Tanque de Petróleo y Estructura Soportante Proyecto: Diseño de Estructura Soportante Unitizador Principal de Alimentación
Fig. 7.1.8: Proyecto: Diseño de Estructura Soportante Unitizador Principal de Alimentación
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