El diseño es un método para poner juntos la forma y elcontenido. El diseño, así como el arte, tiene múltiplesdefiniciones; no hay una definición única. El diseñopuede ser arte. El diseño puede ser estética. El diseñoes tan simple, que por eso es que es tan complicado.

-Paul Rand

PRINCIPIOS DE DISEÑO DE UN PROTOTIPO

En esta sección vamos a ayudar aresponder a las siguientes preguntas:

¿Qué es solución de problemas deingeniería?1

¿Qué es el método heurístico?2

¿Hay técnicas de resolución de problemasque puedan usarse en el prototipado de unproducto?3

¿Cómo puede las técnicas de solución deproblemas utilizarse en el prototipado deun producto?4

1

2

3

4

¿Qué hace a un buen diseño?1

¿Hay una forma sistemática de adquirir los requisitosdel cliente e incorporar estos requerimientos en eldiseño del producto y el prototipado?2

¿Qué es la casa de calidad? Como ayudaría esto adiseñar y prototipar un producto3

¿Que son los PDs?4

4

3

2

1

Como ya se ha discutido para prototipar un producto senecesitan involucrar varios factores, tales como intercambios(trade-offs) de costo, tiempo de ciclo, exactitud o fidelidad dela parte prototipada, propiedad de la materia, tamaño de laparte, longitud de la parte, etc. Es un proceso muy complejo ypor lo tanto se necesita un acercamiento sistemático paraayudar a la toma de decisiones para el diseño. En estasección discutiremos la solución de problemas de ingeniería,principios de diseño, la casa de calidad, y el PDs que puedeser usado en este proceso.

Entre la heurística, algunos principios de diseño son importantes ysuficientemente generales para llamarles “principios de diseño”. Por ejemplo,los lineamientos generales para el diseño de un producto son:

1. Simplicidad: “sencillo para el éxito (keep it simple for success (KISS))”. Estose debe al hecho de que los costos se correlacionan con el tamaño/masa ycomplejidad/número de partes.

2. Claridad: es la función clara de la maquina, producto o componente paraque todos la entiendan?

3. Seguridad: es la máquina inherentemente segura? Un producto puede serdiseñado para que sea seguro a toda la gente que se enfrenta con el en la vida.¿Es confiable?

Simplicidad

Su principio de funcionamiento se basa en la fuerzaaerodinámica que actúa sobre las alas, haciendoque la misma produzca una sustentación.

Seguridad

Algunos de los principios de diseño pueden ser usados para evaluar si undiseño es bueno o no, o si es mejor que otros diseños. Los parámetros críticospara diseñar un producto se llaman parámetros de diseño (DPs en inglés), y lasfunciones críticas que necesita un producto para satisfacer se le llamanrequerimientos funcionales (FRs, en inglés). Una pregunta crítica para unjuicio de diseño, es cuantos DPs necesitara un producto para satisfacer susFRs? Un axioma independiente o un axioma de desacoplamiento funcional quefue introducido por Nam Suh es que un diseño óptimo siempre mantieneindependencia de sus FRs. En un diseño aceptable, los DPs y los FRs estánrelacionados de tal forma que el DP específico puede ser ajustado parasatisfacer su correspondiente FR sin afectar otros FRs.Principios de diseño

Parámetros de Diseño

Requerimientos funcionales

Dominio del cliente Dominio funcional Dominio Físico Dominio

Proceso

[C] = [A] x [B]

CTSs FRs DPs PVs

Axioma Independiente

Como un ejemplo, cuando se diseña una puerta derefrigerador, asume que hay dos FRs a considerar:proveer un recinto aislado para minimizar la perdida deenergía y proveer acceso a la comida en el refrigerador.¿Es un buen diseño una puerta vertical con bisagraspara un refrigerador igual que la mayoría de los que seusan en casa? Cuando se abre la puerta, se pierde elaire frio, y por lo tanto las dos FRs se juntan. Entoncesno es un buen diseño. Por el contrario, una puertahorizontal con abrazaderas que se abre verticalmente,como se ve en la mayoría de las tiendas, es un buendiseño. ¿Por qué la mayoría de los refrigeradores decasa son de puerta vertical? Que no son malos diseños?Si, son malos diseños solo si fueran solamente dos FRs.Sin embargo, si uno considera otros factores, talescomo la conveniencia en el diseño, un a puerta verticalcolgante puede ser la opción más popular. Por lo tanto,es muy crítico definir las verdaderas FRs para terminarun diseño que satisface las condiciones del cliente.

Otro axioma se llama el axioma de la información o de acoplamientofísico. El establece que el mejor diseño es un diseño desacopladofuncionalmente que tiene el mínimo contenido de información (diseñoy manufactura). Por ejemplo, para diseñar un mouse para una laptop,dos FRs son considerados para el mouse, portabilidad ymaniobrabilidad. El diseño es el touchpad. Portabilidad, que es la másimportante de las FRs, es muy satisfactoria porque el touchpad estaintegrada a la laptop y puede ser usada en cualquier lugar. Su operaciónes aceptable, y algunas personas inclusive prefieren usar el touch paden vez de usar un mouse tradicional. No solamente ha satisfechoexitosamente el problema de la portabilidad sin sacrificar lamaniobrabilidad, pero también ha armado en el lugar adecuado siinterferir con otras partes de la laptop. Como los dos FRs estánintegrados en el mismo dispositivo físico en vez de dos componentesseparados, la mínima información de contenido (diseño y manufactura)es lograda. En conclusión, de acuerdo al axioma de desacoplamientofuncional y el axioma del acoplamiento físico, el diseño es bueno.

Casa de la Calidad Despliegue de la Función de Calidad (QFD, Quality FunctionDeployment) o La Casa de Calidad es un término usado para describiruna estrategia para enfocar la atención del diseño ingenieril en temasde calidad como lo perciben los clientes. Es obtener la voz del clienteen las especificaciones del diseño técnico. Los requisitos del clientedeben ser traducidos a objetivos de diseño medibles. Uno no puedediseñar una puerta de carro que es “fácil de abrir” cuando uno noconoce el significado de la palabra “fácil”. QFD es una tecnologíasistemática que traduce los requisitos del cliente a especificacionesingenieriles que pueden ser medibles y por lo tanto pueden serdiseñadas usando desde una perspectiva científica.

Despliegue de la Función de Calidad

Fig. 2:16 Despliegue de la Función de CalidadComo se muestra en la figura 2.16, las necesidades del cliente orequerimientos se indican en el lado izquierdo de la matriz. Losrequerimientos del cliente, o el “Que” en la matriz, pude serexpresada cualitativamente, esto es, los clientes puede que quieranque algo sea fácil, suave, o rápido. Si el número de necesidades orequisitos es muy excesivo para manejar, se descompone la matrizen módulos más pequeños o subsistemas para reducir el númerode requisitos en la matriz. Para cada necesidad o requerimiento, seindica las prioridades del cliente utilizando una clasificación enescala de 5 puntos o escala de 10 puntos. Utilice las técnicas declasificación y comparación a pares para desarrollar prioridades.Los clasificaciones son listados bajo “categorías de importancia”.

El “Como” en la matriz de la Figura 2.16 es una lista decaracterísticas ingenieriles o FRs. Estas características sonvariables de diseño que los ingenieros pueden controlar a fin dealcanzar los FRs del cliente, y por lo tanto deben serimportantes, medibles, y globales. Deben estar indicadas de talforma que eviten presuponer una solución técnica particular,para no restringir a los diseñadores.

La “Matriz de las Relaciones” son lasrelaciones que existen entre las necesidadesdel cliente y la capacidad de la compañía desatisfacer esas necesidades. Uno puede usarestos símbolos para las relaciones fuertes,medianas y débiles. Las puntuacionesasociadas pueden ser usadas pararepresentar estos símbolos. Por ejemplo, laspuntuaciones 1, 3, y 9 pueden ser asignadas arelaciones débiles, medianas y fuertesrespectivamente. Una en blanco representa 0o ninguna relación. Este es un paso críticoque nos asegura que todas las necesidadesdel cliente o requerimientos han sidoatendidas y están relacionados con lascaracterísticas ingenieriles. Si cualquierrequerimiento del producto o característicastécnicas que se indican no se relacionan conlas necesidades del cliente, entonces no senecesitan y por lo tanto pueden sereliminadas. La idea es que todas lascaracterísticas ingenieriles o FRs debensatisfacer los requisitos del cliente.

La valoración técnica competitiva o los objetivos delcliente comparan el producto de una firma a losproductos de sus mejores competidores para establecerlas métricas de desempeño para la firma. Uno puedeusar encuestas, juntas con los clientes, grupos/clínicas deestudio para obtener información. Varios objetosnecesitaran ser identificados para desarrollar unaestrategia de producto. Los puntos del precio y lossegmentos de mercado para los productos de bajaevaluación, garantía, servicio, confiabilidad y losproblemas de queja del cliente para identificar aéreas demejora todas estas son tipos útiles de información que senecesitan para una estrategia de producto. Uno necesitaidentificar las fortalezas presentes y las debilidadesrelativas a la competencia (competencia comercial), ycomo estas fortalezas y debilidades se comparan con lasprioridades del cliente. Se deben identificar todas lasoportunidades para progresar y exceder las capacidadesdel competidor, tales como áreas de mejora para igualara las capacidades del competidor y las aéreas donde nose hará ninguna mejora.

El techo de la casa de la calidad o la matriz de correlación nos muestra el grado de acoplamiento entre lascaracterísticas ingenieriles. La matriz de la correlación es interacciones potencialmente positivas ynegativas entre las FRs o las características ingenieriles utilizando símbolos para las relaciones fuertes omedianas, positivas o negativas. Demasiadas interacciones positivas nos sugieren una redundanciapotencial en los requerimientos del producto o características técnicas “poco críticos”. Uno debe enfocarseen las interacciones negativas que nos indican compensaciones (trade-offs[intercambios de diseño]) entrelas características en el que los conceptos de producto o tecnología deben sobrepasar para estascompensaciones.

El valor objetivo en la Matriz representa el numero de objetivosy unidades de cada característica de ingeniería (o FR). Muchasveces por debajo del “Objetivo”, uno puede calcular la“importancia de las categorías (raitings)” al multiplicar lacategoría de importancia del cliente por el factor de peso encada una de las cajas de la matriz (por ejemplo, 9-3-1) ysumando los productos resultantes en cada columna. Lascategorías de importancia representan el valor de cadacaracterística de ingeniería correspondiente a losrequerimientos del cliente. Después, estas categorías seránútiles en los intercambios (trade-offs) del diseño.

La fig. 2:17 muestra un ejemplo en “La Casa de la Calidad” para diseñar unmicrorobot obediente, el brazo de un microrobot inteligente necesita que sepueda doblar en dos ejes con el uso de un momento de actuador“piezoeléctrico” en solo un eje. El momento será aplicado por una bandapiezoeléctrica rectangular que se expandirá y contraerá a lo largo de sulongitud a una alta frecuencia. El brazo también necesitara de soportar unacarga de un miligramo a temperatura ambiente. Las vibraciones excesivastambién estarán presentes durante su uso. El brazo deberá soportaraproximadamente 1 millón de ciclos a frecuencias muy altas antes de que falle.El costo Objetivo del producto es aproximadamente $500 dólares por robot.

ESPECIFICACIONES DE DISEÑO DEL PRODUCTO

Las especificaciones de diseño de producto (PDS) es un listado detallado de requerimientosque se deben cumplir para producir un exitoso producto o proceso. Las PDS son los mediosformales de comunicación entre el comprador y el vendedor. Representa las especificacionesde producto comúnmente usadas, y deben usarse como una lista de revisión “o check list”para el diseño de producto. Cuando los objetivos de diseño ya se han desarrollado ymadurado, son una lista de PDS. Desde que las PDS se ha utilizado frecuentemente, tambiénpuede ser usadas como una lista de chequeo en las especificaciones de un nuevo producto.

• Desempeño: la necesidad básica o expectativas del usuario.• Entorno: el rango de temperatura, presión, humedad, tierra,polvo, entornos corrosivos, carga de choque, vibración, etc.• Vida de servicio: la vida de servicio esperada y ciclo de servicio.

Fluctuacionesaleatorias (entorno omedio ambiente)

desempeño

Vida de servicio

• Mantenimiento y logística: especificar la facilidad de acceso a los componentes,repuestos, herramientas y equipo de pruebas, manuales de operador ymantenimiento, y entrenamiento.• Costo del producto objetivo: la experiencia nos muestra que casi todos los costosobjetivos son irrealmente bajos.• Competencia: la futura y la existente.• Envíos: tamaño de las puertas del furgón, portones de la carga útil, peso, limitesen la caja de los tráiler, costos de envió

Empaque/embalaje: almacenamiento, corrosión, cargar a choque (shock loading).

Logística y envíos Empaque y embalaje

Mantenimiento

• Cantidad: costo por unidad, métodos de producción, y el costo de manufactura.• Planta de fabricación: tanto si el producto se producirá en una planta existente o sise construirá otra planta.• Estética: la apariencia visual del producto, color, forma, figura, y textura de acabado.• Materiales: desempeño y manufactura.• Duración de vida del producto: Tanto si el producto es más probable quepermanezca vendible (marketable) de 3 a 30 años

Tiempo de vida

CantidadEstética

Planta de fabricación

Fases de

ciclo de vida.

• Estándares y especificaciones: unidades S.I. o U.S., estándares existentesy especificaciones• Ergonómica: requerimientos de interface humano-maquina• Calidad y confiabilidad: deben ser identificadas las aéreas de alto riesgo.• Tiempo de vida en almacenaje: baterías o cosas con un tiempo limite deexpiración (perecederos o caducos), sitio de construcción, partes de repuesto.

Calidad y confiabilidad

Ergonomia

Estándares y especificaciones

Tiempo de almacenaje

• Restricciones es de la compañía.• Pruebas e inspecciones: pruebas de aceptacióny requerimientos de calidad• Seguridad: las partes críticas deben seridentificadas. Las etiquetas de seguridad deben sercreadas y los manuales de operación debes declararclaramente la utilización abusiva del producto.• Patentes: prevén una demanda costosa porinfligir en patentes.• Factores políticos y sociales: EPA, FDA, o NRC.

Patente

Pruebas de ispección

Factores políticos y sociales

Seguridad

BIBLIOGRAFÍA:

Frank W. Liou. “Rapid Prototyping and engineering applications”. Cap. 2. Pag. 19 -58

• Ed. 2008 Taylor& Francois