Ingeniería Mecánica M1T1 proceso de diseño PDF

Preview

Summary

Proceso de diseño en ingeniería mecánica para la fabricación de productos de innovación en la industria y aspectos a considerar en su fabricación. así como elementos mecánicos...

Description

Proceso de diseño Gestión de proyectos de ingeniería mecánica

CONTENIDO 1. Introducción al diseño mecánico 2. Proceso de diseño 3. Consideraciones de diseño 4. Factor humano 5. Herramientas de diseño 6. Gestión del proyecto 7. Responsabilidades del ingeniero 8. Bibliografía

Proceso de diseño | 3

Introducción al diseño mecánico

Se puede definir ‘diseñar’ como la formulación de un plan que sirva para satisfacer una necesidad específica o para resolver un problema. Si el plan da como resultado la creación de un objeto físico, este debe ser funcional, El diseño mecánico es una tarea compleja que requiere seguro, fiable, competitivo, útil, fabricable y, por supuesto, disponer de habilidades, más allá de la aplicación de la comercializable. Pero, sobre todo, es un proceso de ciencia y de las matemáticas, es decir, de la ingeniería. Su toma de decisiones. Decisiones que deben tomarse, en complejidad requiere una secuencia de pasos iterativos, la mayoría de los casos, con una gran incertidumbre, desde la presentación y revisión de las ideas hasta su ya sea por falta de información o por un exceso de diseño y fabricación. información contradictoria. Otras veces las decisiones se toman de manera tentativa, por lo cual es necesario El equipo de diseñadores puede disponer de recursos de realizar numerosos ajustes a medida que se obtienen apoyo como son fuentes de información y herramientas más datos. Por lo tanto, es importante que el ingeniero de diseño como son el diseño asistido por ordenador mecánico sea capaz de tomar decisiones y resolver los (computer-aided design - CAD), el análisis por elementos problemas que van surgiendo durante el proceso. finitos (finite element analysis - FEA), la utilización de solucionadores matemáticos o la impresión 3D, entre Además, el diseño es una actividad de intensa otras (figura 1). comunicación oral y escrita con profesionales de otras disciplinas y, cada vez más, con profesionales de otras Pero el ingeniero mecánico no solo necesita desarrollar culturas, incluso trabajando en remoto. A esto hay que competencias en su campo, sino que también debe añadir que la ingeniería mecánica incluye aspectos como cultivar un fuerte sentido de responsabilidad y ética la producción y el procesamiento de maquinaria, las de trabajo profesional, así como conocimientos y estructuras y las instalaciones, la producción, transporte habilidades en la gestión y dirección de proyectos. y almacenamiento de energía, con el suministro de los El trabajo de diseñador mecánico también incluye el medios de producción, con los medios de transporte conocimiento de los códigos, estándares y normas de y con las técnicas de automatización, por lo tanto, las aplicación, que normalmente están relacionados con las bases de conocimiento necesarias para ejercer la condiciones de seguridad, higiene industrial, protección actividad son muy amplias e incluyen la mecánica del del medioambiente y calidad; así como de los aspectos sólido rígido, la mecánica de fluidos, la transferencia de económicas del resultado final del proyecto y de las masa y de energía, los procesos de fabricación y la teoría consideraciones de responsabilidad legal. eléctrica, electrónica y de la información.

Figura 1. Programas. Tomada de SolidWorks.

Proceso de diseño | 4

Proceso de diseño El proceso de diseño es complejo y requiere de múltiples iteraciones para asegurar que se alcanza el objetivo propuesto. Es un proceso de vital importancia, ya que, si su complimiento de por sí no garantiza que el resultado sea un éxito, en el caso de no seguirlo, se puede asegurar que muy difícilmente el resultado sea satisfactorio para las partes implicadas. De acuerdo con Robert L. Norton, en su libro Diseño de maquinaria, McGraw Hill, el proceso de diseño se compone de las siguientes 10 fases (figura 2): 1. Identificación de necesidades, que consiste en asegurarse que se ha identificado el problema al que se quiere dar solución y las opciones aceptables por el usuario. 2. Investigación preliminar, consiste en buscar información y realizar un benchmarking, que permita conocer las mejores opciones para resolver la necesidad expuesta en la fase anterior.

9. Creación de prototipos y pruebas, aunque la modelización que se pueda realizar en las fases de análisis y de diseño detallado dé resultados satisfactorios, es importante construir prototipos y realizar las pruebas necesarias para asegurar que el resultado cumple, en las condiciones de trabajo, con las especificaciones de desempeño definidas. 10. Producción, una vez que se ha comprobado que el diseño resuelve satisfactoriamente la necesidad planteada por el usuario se procede a la producción de las unidades necesarias, ya sean estos productos únicos o grandes fabricaciones en serie.

Identificación de necesidades

Diseño detallado

Creación de prototipos y pruebas

Investigación preliminar

Selección

Producción

3. Planteamiento de objetivos, está claro que un diseño no puede cubrir todas las posibles necesidades de Planteamiento de un usuario, por el tanto, es importante fijar unos objetivos objetivos claros y realistas que debe cumplir el diseño. 4. Especificaciones de desempeño, que definen lo que el diseño debe ser capaz de hacer, definiendo valores numéricos que son capaces de ser medidas y comprobadas; pueden servir como especificaciones contractuales.

Especificaciones de desempeño

Análisis

Ideación e invención

Figura 2. Fases en el diseño.

5. Ideación e invención, es la fase creativa del proceso, en la que el ingeniero mecánico va a inventar la solución, basándose en la investigación preliminar y asegurando que cumple los objetivos del proyecto, A lo largo del proceso de diseño se van a encontrar una las especificaciones definidas en el contrato y, sobre serie de factores que tienen una especial importancia todo, que resuelve las necesidades del usuario. para determinar el resultado final, estas son las 6. Análisis, consistente en analizar el problema y consideraciones de diseño. Es importante limitar el plantear posibles soluciones, utilizando teorías número de consideraciones a un valor manejable, ya que físicas, procesos químicos y cálculos matemáticos, se encontrará que muchas de ellas son contradictorias, para plantear soluciones preliminares que resultando imposible cumplir con todas ellas si su pueden ser capaces de cumplir con los objetivos número es demasiado elevado. planteados. Entre las consideraciones de diseño se pueden encontrar 7. Selección, consistente en aplicar criterios de factores tales como la seguridad, la mantenibilidad, decisión que permitan seleccionar la mejor la masa o el coste. Estas consideraciones deben ser opción para cumplir con las especificaciones de coherentes con las particularidades legales, climáticas y desempeño y con los objetivos de acuerdo con el sociales del lugar geográfico en el que se va a utilizar la cliente. solución planteada, ya que resulta clave para el éxito del 8. Diseño detallado, se trata de continuar con el diseño (figura 3).

Consideraciones de diseño

análisis de la solución escogida hasta llegar al nivel de detalle necesario que permita su fabricación y utilización.

Proceso de diseño | 5

• Medidas de protección y medidas preventivas suplementarias, teniendo en cuenta el uso razonablemente previsible, se pueden usar medidas de protección y de medidas preventivas complementarias seleccionadas adecuadamente para reducir el riesgo cuando no sea posible eliminar el peligro. • Información para la utilización, cuando los riesgos se mantengan a pesar de la aplicación de los pasos anteriores, estos deben identificarse en la información necesaria para su utilización, que debe incluir los procedimientos operativos de utilización, los métodos de trabajo y los requisitos de formación, las advertencias de riesgos residuales y las descripciones de los equipos de protección individual necesarios para su uso.

Medidas de diseño inherentemente al seguro

Medidas de protección y medidas preventivas suplementarias

Información para la utilización Figura 3. Consideraciones de diseño. Tomada de pexels.com.

Factor humano Puesto que de una forma más o menos directa todos los diseños mecánicos interaccionan con las personas, es necesario tener en consideración los factores humanos y de ergonomía para asegurar que la interacción del usuario resulta confortable, funcional y amigable. En este sentido, la Norma ISO 12100:2010, sobre seguridad de las máquinas: - "Principios generales para el diseño" "Evaluación del riesgo y reducción del riesgo", tiene como objetivo poner a disposición de los diseñadores una estructura y una guía general para las decisiones durante el desarrollo de máquinas que les permita producir máquinas que sean seguras para su uso directo. En la norma se plantea la siguiente secuencia de tres pasos, que son (figura 4): • Medidas de diseño inherentemente al seguro, que eliminen o reduzcan los riesgos asociados mediante una elección conveniente de las características de diseño de la máquina en sí misma y la interacción entre las personas expuestas y la máquina.

Figura 4. Pasos planteados en la Norma ISO 12100:2010.

En el anexo B (Informativo) de la Norma ISO, sobre ejemplos de peligros, situaciones peligrosas y sucesos peligrosos, se incluye una tabla (llamada tabla B.1) con una lista de ejemplos de peligros clasificados en los tipos: 1. Peligros mecánicos 2. Peligros eléctricos 3. Peligros térmicos 4. Peligros producidos por el ruido 5. Peligros producidos por las vibraciones 6. Peligros producidos por las radiaciones 7. Peligros producidos por materiales y sustancias 8. Peligros producidos por no respetar los principios de la ergonomía. 9. Peligros asociados al medio ambiente en el que se utiliza la máquina. 10. Combinación de peligros

Proceso de diseño | 6

Estos peligros pueden producirse a lo largo de todas las fases del ciclo de vida de la máquina, desde su transporte y puesta en servicio, hasta su desmantelamiento.

Herramientas de diseño Se debe conocer y, en lo posible, utilizar todas las herramientas de diseño disponibles, como son: 1. Información técnica, como son las bibliotecas técnicas especializadas de universidades, colegios y asociaciones profesionales, editoriales técnicas y agencias gubernamentales, muchas de ellas disponibles a través de internet, así como de papers disponibles a través páginas web especializadas Figura 5. Diseño. Tomada de pexels.com. en recursos científicos, como Web of Science o Scopus. 2. Herramientas de diseño asistido por ordenador (computer-aided design - CAD) que permiten el desarrollo de diseños tridimensionales, a partir de los cuales pueden obtenerse vistas ortográficas convencionales en 2 dimensiones, que permiten comprobar el aspecto final de la solución y su adecuación al entorno. 3. Herramientas de análisis por elementos finitos (finite element analysis - FEA) que permiten simular la aplicación de cargas para comprobar la distribución de esfuerzos, las deformaciones, las vibraciones y el flujo de calor en la solución planteada en condiciones de trabajo, realizando no sólo la simulación de cargas estáticas, sino también la de cargas dinámicas, movimientos, dinámica de fluidos y transferencias de temperaturas. 4. El análisis se realiza, de forma general, en 3 fases, que son preprocesamiento, en el que se define el modelo y los factores ambientales que le afectan; solución, matemática del modelo; y post-procesamiento, en el que se muestran los resultados de forma gráfica y numérica. 5. Solucionadores matemáticos, que permiten la realización rápida y repetitiva de cálculos matemáticos complejos relacionados con el diseño de la solución. 6. Metodologías de trabajo colaborativo, como puede ser la metodología building information modeling (BIM), que integra el trabajo de varios profesionales, localizados en diferentes estaciones de trabajo, en un solo proyecto. 7. Impresión 3D, que permite la creación rápida de prototipos y modelos para la realización de ensayos y pruebas de idoneidad de la solución a los objetivos planteados en el diseño (figura 5).

Gestión del proyecto De acuerdo a la Norma ISO 21500:2012, "Directrices para la dirección y gestión de proyectos", un proyecto es un conjunto único de procesos que consta de actividades coordinadas y controladas, con fechas de inicio y final, que se llevan a cabo para lograr los objetivos del proyecto, esta definición coincide perfectamente con el proceso de diseño mecánico. Aunque un ingeniero disponga de muy bueno conocimientos técnicos, si no es capaz de gestionar correctamente las actividades, plazos y recursos necesarios para llevarlo a cabo, no será capaz de obtener resultados satisfactorios. De modo general, la gestión de un proyecto se compone de los siguientes cinco grupos de procesos (figura 6): 1. Inicio, son los procesos que se utilizan para comenzar el proyecto, definir los objetivos y autorizar al director a llevarlo a cabo. 2. Planificación, se utilizan para desarrollar el detalle de la planificación, este detalle debe ser suficiente para establecer líneas base contra las cuales se gestiona la implementación del proyecto y contra las que se mide y controla el desempeño del proyecto. 3. Implementación, son los procesos que se emplean para realizar las actividades de la gestión del proyecto y para apoyar la producción de los entregables de acuerdo con los planes de proyecto. 4. Control, se emplean para seguir, medir y controlar el desempeño del proyecto con respecto al plan del proyecto, de manera que se puedan tomar acciones preventivas y correctivas, así como realizar las solicitudes de cambio, cuando sean necesarias, para lograr los objetivos del proyecto. 5. Cierre, son los que se utilizan para establecer formalmente que el proyecto está concluido y proporcionar las lecciones aprendidas para que sean consideradas e implementadas según sea necesario.

Proceso de diseño | 7

Inicio

Planificación

Implementación

Control

Cierre

Figura 6. Grupos de procesos.

Responsabilidades del ingeniero

• Evaluar la solución, en cada uno de sus pasos, es decir, observando la forma en que los cambios de estrategia, decisiones, supuestos y ejecución podrían modificar los resultados, ya sea de manera positiva o negativa. • Presentar la solución, utilizando las habilidades de comunicación necesarias para explicar lo que se ha diseñado a la audiencia (figura 7).

De modo general, el ingeniero mecánico debe satisfacer las necesidades de los usuarios y de las partes interesadas, ya sean estos la administración, los clientes, los usuarios, etc., y se espera que lo haga de una manera competente, responsable, ética y profesional. Cuando se trabaja en un problema de diseño es importante que se desarrolle un enfoque sistémico, que incluya los siguientes elementos: • Entender el problema, fundamental para poder resolverlo. • Identificar la información conocida, a partir del enunciado perfeccionado del problema. • Identificar la información desconocida y formular Figura 7. Responsabilidad de la ingeniera. Tomada de pexels.com. estrategias para su solución, estableciendo aquello que se debe determinar y en su orden, con el fin de llegar a una solución del problema. • Establecer todos los supuestos y todas las decisiones, ya que, de modo general, los problemas de diseño reales no tienen soluciones únicas, ideales y cerradas. • Analizar el problema, utilizando una estrategia de solución junto con las decisiones y supuestos, que ejecute el análisis del problema.

Bibliografía

[1] R, Norton, “Diseño de maquinaria”, McGraw-Hill, Interamericana de España, S.L, 2013. [2] R. Budynas, K. Nisbett. “Diseño en ingeniería mecánica”. McGraw-Hill Interamericana de España, S.L, 2012. [3] ISO 12100:2010 Safety of machinery – General principles for design – Risk assessment and risk reduction. ISO, 2010....