Capitulo 3 (03-09-2013 ) BB PDF

Preview

Summary

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚDEPARTAMENTO DE INGENIERÍASECCIÓN INGENIERÍA MECÁNICAMÉTODOS DE DISEÑO EN INGENIERÍA MECÁNICACONCEPTO DE SOLUCIONCAPITULO 3BENJAMÍN BARRIGA GAMARRALIMA, AGOSTO DEL 2013FASE II ELABORACIÓN DEL CONCEPTO: Concepto de solución CONCEPTO DE SOLUCIÓN Elaboración del ...

Description

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA SECCIÓN INGENIERÍA MECÁNICA

MÉTODOS DE DISEÑO EN INGENIERÍA MECÁNICA CONCEPTO DE SOLUCION CAPITULO 3

BENJAMÍN BARRIGA GAMARRA LIMA, AGOSTO DEL 2013

1

FASE II ELABORACIÓN

DEL CONCEPTO: Concepto de solución

2. CONCEPTO DE LA SOLUCIÓN Elaboración del Concepto: Estructura de Funciones

Aprobar Estructura de Funciones Estructura de Funciones Óptima

3. CONCEPTO DE SOLUCIÓN Elaboración del Concepto: Determinar el Concepto 1. Determinar los operandos de ingreso y salida adicionales y su modo de acción 2. Determinar las clases de los portadores de la función (matriz morfológica) 3. Combinar los portadores de funciones Probar sus relaciones 4. Determinar la disposición básica. Concepto de solución 5. Determinar el concepto óptimo (Mejorar, Evaluar, Decidir, Verificar)

Aprobar Concepto de Solución Concepto de solución óptimo

4. ELABORACIÓN DEL PROYECTO Determinar el proyecto preliminar

Fig. 3.1 Elaboración del concepto de solución. Concepto de solución 3

DETERMINAR EL CONCEPTO DE SOLUCIÓN

Los datos de entrada en esta etapa del diseño son: 

Lista de exigencias



La estructura de funciones

Como ya hemos visto anteriormente, la estrategia para desarrollar una nueva máquina es dividir el proceso técnico (función total) en funciones parciales; entonces el objetivo

2

de esta etapa del diseño es transformar la estructura de funciones, a través de principios de solución para cada una de las funciones (parciales), en una estructura de construcción (síntesis). 3.1

DETERMINAR LOS OPERANDOS DE INGRESO (INPUTS) Y SALIDAS (OUTPUTS) Y SU MODO DE ACCIÓN

Esto se refiere al comportamiento de los operandos que ingresan y salen de la caja negra, del proceso técnico. Para la realización del proceso técnico se debe tener en cuenta las diversas magnitudes de entradas como energía, materia e información, y sus adicionales, materiales auxiliares, etc. Para la transformación de los operandos de ingreso (inputs) en el proceso técnico son necesarios ciertos requerimientos para su realización. Durante el proceso técnico aparecen diversos materiales de salida, como desperdicios (viruta, humo, etc.) así como otras magnitudes, como calor, vibraciones y ruido. En general estas magnitudes son designadas como operandos de entrada o salida adicionales. Los operandos de entrada o salida (inputs o outputs) adicionales se deben tener en cuenta muy seriamente, al momento de diseñar la máquina. No considerarlos haría que la máquina a diseñar no cumpla sus objetivos cabalmente, o en el peor de los casos la propuesta de diseño no sería confiable. Por otro lado vemos que al proyectar y realizar grandes proyectos la humanidad hoy en día esta amenazada por los outputs adicionales de los procesos técnicos, que no son otra cosa que materiales que no tiene un uso o valor (desperdicios), pero no solo eso, también contaminan el medio ambiente. Para la realización del proceso técnico se debe tener presente la influencia de los operandos de entrada y salida (inputs / outputs)

adicionales (en algunos casos

perjudiciales) que aunque no son deseados existen y muchas veces es indispensable tomar una acción referente a ellos. Los operandos adicionales pueden generar deterioro

del

sistema, envejecimiento, mal funcionamiento

imprecisión, baja

confiabilidad y pueden repercutir en la productividad del sistema. Luego antes de proseguir con el diseño, es bueno detenerse e identificar las entradas y salidas adicionales para considerarlas en el desarrollo de la máquina.

3

3.2

DETERMINAR LAS CLASES DE LOS PORTADORES DE FUNCIONES. (MATRIZ MORFOLÓGICA)

Para la búsqueda de las soluciones hay muchos caminos, unos tradicionales, otros intuitivos y los discursivos. •

•

•

Tradicionales –

Colección de soluciones (literatura, patentes, catálogos de la competencia, etc.)

–

Análisis de sistemas naturales

–

Análisis de sistemas conocidos

–

Analogías

–

Experimentación con modelos físicos

–

Experimentación con modelos virtuales (moderno)

Intuitivos –

Brainstorming (lluvia de ideas)

–

Método 635 (6 participantes analizan 5 soluciones hasta lograr 3 soluciones por asociación

–

Método de galería

–

Método Delphi

–

Sinéctica (analogía, fantasía, empatía, inversión)

Discursivos –

Matriz morfológica de Zwicky (Fritz Zwicky)

–

Transformaciones físicas (Koller)

–

Catálogos (Roth)

Lo que aquí se presenta es una de las formas discursivas para llegar a las soluciones con la ayuda de un esquema ordenado: La matriz morfológica de Zwicky9, Ver Fig. 3.2. De esta forma se pretende construir un sistema de soluciones completo para el problema dado. Por lo general se puede subdividir una función total en funciones (sistemas) parciales. A menudo se puede hacer de estas funciones (sistemas) parciales nuevas funciones totales secundarias y nuevamente dividirlas en funciones parciales. 4

El método de la matriz morfológica se puede aplicar cuando la función total se divide en funciones parciales. Su aplicación es sencilla, en la primera columna se escriben las funciones parciales, y para cada función parcial en su respectiva fila se busca y se agotan todos los portadores de las funciones, los portadores de funciones son los principios que realizan los efectos deseados.

PORTADORES DE FUNCIONES ( Alternativas de efectos, de portadores, de principio de solución de formas, de formas de grupos funcionales, de bloques funcionales)

FUNCIONES PARCIALES (o elementales)

....

m-1

1

2

3

4

1

S11

S12

S13

S14

S1 m-1

2

S21

S22

S23

3

S31

S32

S33

S34

S3 m-1

4

S41

S42

Sn1

Sn2

Sn3

Sn4

m

S3 m

. . . . n

Solución 1

Solución 3

Solución 2

Fig. 3.2: Matriz Morfológica de Zwicky9

Los “portadores” de una función son, en todo caso, las alternativas de solución que satisfacen dicha función. La búsqueda de los portadores (principios de solución) debe

5

tener metas precisas. Un especialista o diseñador entrenado selecciona las posibles soluciones desde un inicio, éstas deben satisfacer las siguientes reglas básicas: 

Dejar de lado los principios de soluciones o bloques funcionales inapropiados.



Impedir la obligación de unión entre principios de soluciones o bloques funcionales no compatibles.

Se recomienda en principio sólo tener en cuenta la primera regla (cuando hay práctica suficiente) y luego evaluar la matriz morfológica. La elaboración y uso de catálogos para elaborar la matriz morfológica es usual (VDI -2222 Parte II). Si se analiza los portadores de las funciones se puede observar el conocimiento que tiene el que la elabora y también el estado de la tecnología. De igual manera si se introduce los nuevos conocimientos en la matriz, esto redundará en la calidad del producto que se desarrolla. 3.3

COMBINAR LOS PORTADORES DE FUNCIONES PROBAR SUS RELACIONES

Teóricamente se obtiene un concepto total de la estructura de construcción a través de la combinación de todos los correspondientes portadores de funciones (Matriz morfológica), obteniéndose así un número de soluciones relativamente grande. Para el esquema presentado la totalidad de las soluciones (combinación de todos los elementos de la matriz) es la multiplicación de la cantidad de portadores de cada fila. Pero se puede encontrar que no todas las soluciones son adecuadas y que no todos los elementos son compatibles entre sí. Se recomienda entonces concentrarse en las combinaciones factibles, de tal manera que se reduzca el número de soluciones, con esto también se reduce el trabajo de evaluación. Seguidamente se deben comprobar cuidadosamente las combinaciones resultantes, no solamente en cuanto a la capacidad de la función, sino también en cuanto a la compatibilidad con cada uno de los otros elementos y el cumplimiento de otras propiedades, especialmente en cuanto a los parámetros de función, como potencia, velocidad, tamaño, etc.

6

3.4 DETERMINAR LA DISPOSICIÓN BÁSICA. CONCEPTO DE SOLUCION Los elementos de la estructura de construcción aparecen en este nivel solamente de relaciones funcionales, pues no se necesita cuantificar nada. En todo caso se trata de una solución cualitativa, es decir un concepto de solución. La representación de la concepción debe transmitir una idea aproximada de la disposición, y más que todo, una relación entre los elementos. La representación del concepto no debe originar la concepción fija de una idea (con elementos fijos) ésta puede ser superada en los siguientes pasos. Por eso es necesario presentar una disposición bien pensada, generalmente esto se puede lograr con esquemas donde se puedan apreciar las funciones parciales que contribuyen a la solución del problema. Se tiene que escoger posibilidades de disposición básicas, esto significa

la

disposición de los elementos, unos con respecto a los otros en una situación favorable como base de la concepción. Esta presentación es un dibujo cuidadoso a mano alzada de cada propuesta de concepto de solución. 3.5 DETERMINAR EL CONCEPTO ÓPTIMO, MEJORAR Y VERIFICAR La etapa final de la elaboración del concepto requiere de una evaluación así como de una mejora de sus puntos débiles además de una verificación. Las numerosas alternativas del concepto se deben evaluar, aunque en cada una de ellas todavía el grado de concretización es débil. La evaluación total es difícil porque las características de diseño del sistema ofrecen muy pocos puntos de referencia para la cuantificación de la mayoría de las exigencias (si éstas son usadas como criterios de evaluación). El criterio económico tiene deficiencias como para tomarse como único criterio de evaluación. Entonces se deben formular criterios que permitan la comparación de las variantes con el propósito de obtener una variante óptima. La comparación con la solución ideal puede ser una ayuda para encontrar la solución óptima.

7

Criterios o aspectos para hacer una evaluación del concepto de solución

Aspectos Técnicos

Aspectos Económicos

Función

Número de piezas

Buen uso de la fuerza o energía

Fácil adquisición de los materiales de fabricación

Seguridad

Productividad

Rapidez

Costos diversos

Estabilidad

Pocos desperdicios

Rigidez

Número de operarios

Manipulación

Costo de la tecnología

Confiabilidad

Facilidad de montaje

Facilidad de manejo

Fácil mantenimiento

Transportabilidad

Costos de operación

Calidad de trabajo

Plazos de entrega

Complejidad Lista de exigencias (grado de cumplimiento incluyendo deseos) Posibilidades de automatización Otros Grado de contaminación del medio ambiente Fácil reciclaje Fig. 3.3: Aspectos posibles de Evaluación del Concepto de Solución.

8

Para efectos de la evaluación de los conceptos de solución usar la tabla adjunta que se muestra en la fig. 3.4. En la segunda columna de la izquierda se colocan los criterios de evaluación juntos (técnicos y económicos) y se califican cada solución en las columnas siguientes. FORMATO DE EVALUACIÓN DE CONCEPTOS DE SOLUCIÓN Criterios Técnicos y Económicos

No.

Soluciones 1

2

3

4

5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Suma Total Fig. 3.4: Formato de Evaluación de Conceptos de Solución Puntaje para calificar los criterios de 0 a 4 0 = No satisface 1 = Aceptable a las justas 2 = Suficiente 3 = Bien 4 = Muy Bien (puntaje reservado para la solución Ideal).

La mejor solución es la que obtiene el mayor puntaje en la suma total.

9

Ejemplo de Aplicación: Matriz Morfológica de la Compactadora de Papel En la primera columna se escriben las funciones que pertenecen a la Estructura de Funciones Óptima. En las columnas siguientes se dibujan, para cada función, todos los factibles “portadores” de la función, hasta agotar las posibilidades1 Luego, se unen mediante flechas aquellos “portadores” que agrupados representen al mejor Concepto de Solución. Este método permite visualizar cada grupo de ideas que representan a los mejores Conceptos de Solución, y sin necesidad de cuantificar nada. En la Matriz Morfológica se presentan sólo dos de los muchos Conceptos de Solución que se trabajaron. Esto con el fin de facilitar la explicación del método de diseño seguido.

CONCEPTO DE SOLUCION 1

CONCEPTO DE SOLUCION 2

10

Ejemplo

de

Aplicación:

Evaluación

del

concepto

de

solución

de

la

Compactadora de Papel: Propiedad Técnica económicas

y

Proyectos Solución 1

Solución 2

Solución Ideal

Función

3

3

4

Forma

3

3

4

Diseño

2

3

4

Seguridad

1

3

4

Ergonomía

2

2

4

Fabricación

2

3

4

Montaje

2

2

4

Uso

2

3

4

Mantenimiento

1

2

4

TOTAL

18

24

36

Pistón Hidráulico Guías

Pistón Hidráulico

Tolva de Carga

Pisador

Puerta

Puerta

Concepto de Solución 1

Concepto de Solución 2

11

BIBLIOGRAFIA 1. Eggert, J., “Engineering Design”, Prentice Hall, New Jersey, 2005. 2. Pahl, G., Beitz, W., Feldhusen, J., Grote, K.H., “Engineering Design”, 3rd Edition, Springer, Berlin, 2007. 3. Recomendación VDI 2221 Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte (Métodos para el desarrollo y diseño de sistemas técnicos y productos) 4. Recomendación VDI 2222 hoja 1 Konstruktionsmethodik; Konzipieren technischer Produkte (Métodos de Diseño; Concepción de productos técnicos) 5. Hubka, V., “Theorie Technischer Systeme”, Springer, Berlín, 1984 6. Hubka, V., Theorie der Konstruktionsprozesse,. Springer 1976 7. Koller, R., “Konstruktionslehre für den Maschinenbau”, Springer, Berlín 1994. 8. Zwicky, Fritz. Discovery, Invention, Research through the Morphological Analysis, The Macmillan Company (1969), 9. Zwicky, Fritz. Endecken, Erfinden, Forschen im Morfologischen Weltwild. Tachenbuch 264. Droemer Knaur 1971.

12...