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Proyecto Integrador Mecánico
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ESCUELA POLITECNICA NACIONALFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
DISEO CONCURRENTEFebrero 2014
Ivn Zambrano OrejuelaIngeniero Mecnico, EPNMaster en Sistemas Informticos, UASBMaster en Diseo para Ingeniera UPC
El proceso de diseo cobra cada da mayor relevancia en el proceso general de desarrollo de productos, ya que es la etapa en donde se definen entre el 80 y el 90% de los recursos necesarios. Cada vez se trasladan a las fases ms tempranas del diseo ciertas consideraciones que antes no se contemplaban o, en todo caso, se aplicaban en las fases finales del proceso de desarrollo de productos.
DESIGN FOR X
DESIGN FOR X
Se hace necesario un sistema que reglamente estratgicamente todo este proceso. As surge el Diseo para X (Design for X), una serie de tcnicas que se introducen en la fase preliminar del diseo, creadas para que el producto final cumpla con caractersticas de produccin, calidad, ciclo de vida, logstica, puesta en marcha, retirada del mercado, desuso, etc.
DESIGN FOR X
Algunas de las estrategias que surgen dentro de lo que es el Diseo para X son:
DFA Design For Assembly Diseo para el ensamblaje o montajeDFM Design For Manufacture Diseo para manufacturaDFQ Design for Quality Diseo para la CalidadDFS Design for Service Diseo para el servicioDFD Design for Disassembly Diseo para el desensamblaje o desmontajeDFT Design for Testability Diseo para pruebas y testeoDFE Design for Environment Diseo para el medio ambienteDFI Design for International Diseo para la internacionalizacinDFO Design for Operability Diseo para la operabilidadDFL Design for Logistic Diseo para la logsticaDFE Design for Excellence Diseo para la excelencia
DESIGN FOR X
El Diseo para el Desmontaje (Design for Disassembly), describe el grado de economa de recursos con la que los productos son fabricados para optimizar el desarmado, reciclaje y reso de cada una de sus partes.
Qu pasa cuando el producto necesita ser reparado? Y si hay que reemplazar alguna de sus partes? Quin se encargara de eso? Arreglarlo ser una tarea simple e intuitiva? El producto puede ser arreglado y vuelto a usar? Si el producto va a ser finalmente desechado, qu tan fcil es el despiece?
El DfD puede ayudarnos a tratar de mejor forma las preguntas anteriores
DESIGN FOR X
Hasta 1/3 del tiempo de Desarrollo de Producto se gasta en trabajosinnecesarios o esperas de decisiones e informacin
(McKinsey)
El 46% de los recursos asociados al desarrollo de producto se gastan en productos que fracasan
(Cooper, Product Development Institute)
El 90% de los lanzamientos de productos capturan el 1% de la cuota de mercado
(Boston Consulting Group)cancelado falla
falla
De cada 100 proyectos de desarrollo: 63 se cancelan, 25 son comercialmente exitosos y 12 fallan
(Booz Allen)
Por qu el Diseo para Calidad?
IMPACTO ECONMICO
El Control de Costes ocurre demasiado tarde
100
80
60
40
20
70%
85%95%
35%
22%
Determinacindel coste
Oportunidades de Reduccin de Costes
DiseoConceptual
Diseo Detallado Produccin SoporteOperaciones
Por qu el Diseo para Calidad?
Nueva dimensin del Diseo
Ingeniera Concurrente (1986)
Institute for Defense AnalysisIngeniera Simultnea
Nueva dimensin del Diseo
- Fabricacin
- Montaje
- Calidad
- Fiabilidad
- Ergonoma
- Seguridad
- Impacto ambiental
- Fin de vida
Nueva situacin
Modelo Clsico de Desarrollo de Productos
Diseo de detalle
Especificacin
Diseo conceptual
Diseo bsico
Fabricacin
Ventas
Reciclaje
Nueva dimensin del Diseo
- Fabricacin
- Montaje
- Calidad
- Fiabilidad
- Ergonoma
- Seguridad
- Impacto ambiental
- Fin de vida
Nueva situacin
Entorno
productivo
Entorno
social
Cambio de perspectiva
Diseo de detalle
Especificacin
Diseo conceptual
Diseo bsico
Fabricacin
Ventas
Reciclaje
Nueva dimensin del Diseo
Toma en consideracin los requerimientos de Fabricacin y Ensamble
DFMA
Nueva perspectiva del diseo
DFQ
DFT
DFR
DFX
Estos principios, junto a nuevas formas organizativas y nuevasherramientas integradoras, han ido confluyendo en un nuevo conceptoque toma el nombre de
Estos principios se han aplicado de manera progresiva a otros aspectos de los productos y de los servicios para dar respuesta a las necesidades siempre crecientes de la sociedad
Nueva dimensin del Diseo
Ingeniera Concurrente Nueva forma de concebir la Ingeniera de Diseo y desarrollo de productos donde concurren varias perspectivas
Definicin de Ingeniera Concurrente
Ingeniera Simultnea
Suele aplicarse en proyectos de gran complejidad (automocin), donde prima la disminucin del tiempo de desarrollo (time to market, o lead time)
Perspectivas de la Ingeniera Concurrente
Diseo para la Calidad
Incide en el diseo para hacerlo ms apto para la calidad (diseo robusto). El concepto ms reciente de calidad se refiere tanto al grado de satisfaccin que el producto o servicio proporciona a las expectativas del usuario como a la rentabilizacin general de los recursos y a la eliminacin de las prdidas
Perspectivas de la Ingeniera Concurrente
Diseo para el entorno. Factor humano
Inteligibilidad
Toma en consideracin en el diseo las cre-cientes limitaciones que comportan entre otras:
- Ergonoma - Seguridad - Inteligibilidad
Aspectos todos ellos cada vez ms sometidos a normativas y a legislaciones
Perspectivas de la Ingeniera Concurrente
Equipos pluridisciplinarios de decisin y asesoramiento
Desde esta perspectiva, la ingeniera concurrente ha fomentado la formacin de equipos pluridisciplinarios con la presencia de:
- Direccin
- Calidad
- Marketing
- Comercial
- Finanzas
- Posventa
- Diseo
- Fabricacin
- Usuarios
UPC. Centro de Diseo de Equipos Industriales
Perspectivas de la Ingeniera Concurrente
nfasis en la definicin y diseo conceptual del producto
La integracin de las perspectivas anteriores invita a centrar la atencin y los esfuerzos en las etapas de definicin y diseo conceptual del producto, y a elaborar en profundidad un principio de solucin antes de pasar a las etapas siguientes (diseo de materializacin y de detalle)
Prez, R. et al. Diseo Reconfi-gurable de Mquina Herramienta
Perspectivas de la Ingeniera Concurrente
Herramientas basadas en la informtica y las comunicaciones
Incorporan numerosas herramientas asistidas por ordenador (CAx, Computer Aided X: CAD, CAE, CAM) que han reforzado las actividades de prototipadovirtual y simulacin, con el consiguiente ahorro en tiempo y en pruebas con prototipos fsicos.
Perspectivas de la Ingeniera Concurrente
- QFD : Quality Function Deployment (Funcin de Despliegue de la Calidad)- AMEF: Anlisis de los Modos de Fallas- DFM : Design For Manufacturing (Diseo para la Manufactura)- DFA: Design for Assembly (Diseo para el Ensamble)- DFMA: Design for Manufacturing and Assembly (Diseo y Manufactura para el ensamble)
- CAD : Computer Aided Design (Diseo Asistido por Ordenador)- CAM: Computer Aided Manufacturing (Manufactura Asistida por Ordenador)- CAE : Computer Aided Engineering (Ingeniera Asistida por Ordenador)- KBES: Knowledge Based Engineering Systems (Sistemas de Ingeniera Basadas enConocimiento)-CAPP: Computer Aided Process Planning (Planificacin de la Produccin Asistida porOrdenador)
Herramientas Funcionales basadas en la Informacin
Herramientas Funcionales basadas en ModelosUso
Ciclo de Vida de Ingeniera
QFD
Funciones Desempeo Benchmarking Targets Correlaciones
AnlisisFuncional
Funciones Comportamiento Componentes
MatrizMorfolgica
Mecanismo Funciones vs
mecanismos Desempeo Operaciones
AMEFDFM/A
Libre de Fallas Escenarios de Fallas Causa-Effecto Controles
CAM Computer Aided Manufacturing
CAE Computer Aided Engineering
Dibujo en 2D
Modelo de Alambrado (Wireframe)
Modelacin en 3D
Modelo de Superficies
Modelacin ySimulacin de Recursos
KBES Knowledge Based Engineering Systems
CAPP Computer Process Planning
Evolucin de los sistemas de apoyo
Herramientas Funcionales basadas en la Informacin
Herramientas Funcionales basadas en ModelosUso
Ciclo de Vida de Ingeniera
QFD
Funciones Desempeo Benchmarking Targets Correlaciones
AnlisisFuncional
Funciones Comportamiento Componentes
MatrizMorfolgica
Mecanismo Funciones vs
mecanismos Desempeo Operaciones
AMEFDFM/A
Libre de Fallas Escenarios de Fallas Causa-Effecto Controles
Producto
- Funcionability, Reliability (Funcionalidad)
- Maintenability (Reparabilidad)
- Durability (Durabilidad)
- Conservability (Conservabilidad)
Fiabilidad = f(F, M, D, C)
Evolucin de los sistemas de apoyo
Herramientas Funcionales basadas en la Informacin
Herramientas Funcionales basadas en ModelosUso
Ciclo de Vida de Ingeniera
QFD
Funciones Desempeo Benchmarking Targets Correlaciones
AnlisisFuncional
Funciones Comportamiento Componentes
MatrizMorfolgica
Mecanismo Funciones vs
mecanismos Desempeo Operaciones
AMEFDFM/A
Libre de Fallas Escenarios de Fallas Causa-Effecto Controles
Tipo de mantenimiento Diseo Produccin Operacin
Producto con mantenimiento cerrado
Funcionability, Realiability Operacin de la mquina o equipo
Fiabilidad Fiabilidad
Producto con mantenimiento abierto
Funcionability, Realiability, Mantenibility Operacin de la mquina o equipo
Fiabilidad
Evolucin de los sistemas de apoyo
Herramientas Funcionales basadas en la Informacin
Herramientas Funcionales basadas en ModelosUso
Ciclo de Vida de Ingeniera
QFD
Funciones Desempeo Benchmarking Targets Correlaciones
AnlisisFuncional
Funciones Comportamiento Componentes
MatrizMorfolgica
Mecanismo Funciones vs
mecanismos Desempeo Operaciones
AMEFDFM/A
Libre de Fallas Escenarios de Fallas Causa-Effecto Controles
Diseo Produccin Operacin
Evolucin de los sistemas de apoyo
Herramientas Funcionales basadas en la Informacin
Herramientas Funcionales basadas en ModelosUso
Ciclo de Vida de Ingeniera
QFD
Funciones Desempeo Benchmarking Targets Correlaciones
AnlisisFuncional
Funciones Comportamiento Componentes
MatrizMorfolgica
Mecanismo Funciones vs
mecanismos Desempeo Operaciones
AMEFDFM/A
Libre de Fallas Escenarios de Fallas Causa-Effecto Controles
Diseo Produccin Operacin
- Especificaciones- Consideraciones de diseo- Consideraciones operacioneales- Consideraciones de Mfg & Assembly- Consideraciones de tiles y utillajes
A travs del control de la calidad y el monitoreo del proceso
A travs del desempeo y del monitoreo de la seguridad
Evolucin de los sistemas de apoyo
Descripcin de conceptos sobre producto modulares
Literatura sobre Desarrollo de Productos
Mdulo
Modularidad
Sistemas modulares
Modularizacin
Definicionesparciales
Dominios
1. Descripciones basadas en loselementos y sus relaciones
2. Descripciones basadas en el propsito de la modularidad
Modularidad
Objetivo: Manipular adecuadamente lavariedad del producto
A menudo se describe sobre la basede cmo se genera esta variedad
Contextos
- Plataformas de productos- Familia de productos- Gama de productos
Productos Modulares
Descripcin de los producto modulares
Por la relacin entre los elementos 1
Pahl & Beitz,1996 Los mdulos se basan
en las funcionesSe supone que cada mdulorealice una funcin
Miller & Elgrd1998 - Los mdulos deben contener cierta cantidad de funcionalidad,
respecto al sistema total- Los mdulos no se deben relacionar solo con el contexto delsistema al que pertenecen, sino que deben relacionarse contodo el contexto de la variedad
Una caracterstica importante de los mdulos es que debe ser una unidad funcional (es posible de realizarle un test de manera separada al resto del sistema) (Encapsulacin)
Hubka & Eder,1988
Productos Modulares
Descripcin de los producto modulares
Por la relacin entre los elementos 1
Ulrich, K.1995 La arquitectura modular incluye una relacin uno a uno entre las
funciones y los componentes fsicos, mientras que una arquitectura integral deber poseer una relacin diferente a uno a uno
Relacinuno a uno
Relacinuno a varios
Relacinvarios a uno
Productos Modulares
Descripcin de los producto modulares
En trminos de la variedad de productos 2
Ulrich, K.1995
Modularidad de slot
(slot modularity)
En una arquitectura tipo Slot, cada mdulo posee una interface diferente respecto al sistema
Por qu diferentes interfaces?
Ejemplos:
SCSI, Ethernet, y puertos paralelos en
laptop
Productos Modulares
Descripcin de los producto modulares
En trminos de la variedad de productos 2
Ulrich, K.1995
Modularidad de bus
(bus modularity)
En una arquitectura tipo Bus, existe un bus comn a travs de los cuales se conectan los mdulos con la misma interface
Cules son las ventajas de este tipo de modularidad?
Ejemplos:
Tarjetas Modem y de Internet en
laptop; CD and disk drive
Productos Modulares
Descripcin de los producto modulares
En trminos de la variedad de productos 2
Ulrich, K.1995
Modularidad de seccin
(sectional modularity)
En una arquitectura seccional , todas las interfaces son del mismo tipo, pero no existe un elemento simple para cada mdulo
Cules son las ventajas y desventajas de un enfoque seccional?
Ejemplos:
Legos
Utilizando una arquitectura seccional, el ensamble se construye conectando
los mdulos a travs de interfaces idnticas
Productos Modulares
Los elementos funcionales se combinan para formar una estructura funcionalque define lo que hace el producto a un nivel abstracto.
Qu es un elemento funcional (las funciones)?
Una funcin es cualquier transformacin entre flujos de entrada y de salida, tanto estticos como dinmicos. Es una formulacin abstracta de una tarea, independientemente de la solucin particular que la materializa
Elementos Funcionales
Los elementos funcionales se combinan para formar una estructura funcionalque define lo que hace el producto a un nivel abstracto.
Qu es un elemento funcional (las funciones)?
La funcin global representa la tarea global que realiza el producto y se establece como una caja negra que relaciona los flujos de entrada y los de salida.
Elementos Funcionales
Los elementos funcionales se combinan para formar una estructura funcionalque define lo que hace el producto a un nivel abstracto.
Qu es un elemento funcional (las funciones)?
La representacin del conjunto de subfunciones con la indicacin de entradas y salidas y las interrelaciones de flujos entre ellas, toma el nombre de estructura funcional
Elementos Funcionales
Productos modulares
Aquellos que estn organizados segn una estructura de diversos bloques constructivos orientada a ordenar e implantar las distintas funciones y a facilitar las operaciones de composicin del producto con el mnimo de interfases posibles
Los bloques constructivos toman el nombre de mdulos y su organizacin toma el nombre de estructura modular
Se pueden distinguir dos tipos de mdulos: los mdulos funcionales y los mdulos constructivos
Productos modulares
Mdulos funcionales
Son aquellos bloques, o mdulos, orientados fundamentalmente a materializar una o ms de las funciones del producto y que prestan una especial atencin a las interfases de conexin y en los flujos de seales, de energa y de materiales con el entorno
Los mdulos funcionales ayudan a organizar e implantar las funciones de un producto
Por lo tanto, exigen una atencin especial en la elaboracin de la estructura funcional y un esfuerzo importante durante las etapas de definicin y de diseo conceptual
Productos modulares mdulos funcionales
Mdulos constructivos
Son aquellos bloques, o mdulos, orientados fundamentalmente a estructurar y facilitar las operaciones de composicin de un producto por medio de la particin de una secuencia de fabricacin compleja en secuencias de menor complejidad, y prestan una especial atencin en las interfases de unin
Los mdulos constructivos colaboran a implantar la fabrica-cin, facilitan las tareas de planificacin de la produccin y abaratan los costes
Por lo tanto, su implantacin exige una atencin especial en la elaboracin de la estructura del proceso de fabricacin y un esfuerzo concurrente de los responsables de ingeniera de fabricacin desde las primeras etapas del proyecto
Productos modulares mdulos constructivos
a) Facilita la divisin del proyecto y posibilita la realizacin del diseo dediferentes mdulos en paralelo, lo que permite disminuir el tiempo total del proyecto
b) Consecuentemente, con el punto anterior, facilita la sub-contratacin de piezas y mdulos, y la aplicacin de componentes de mercado
c) Ampla las posibilidades de introducir nuevas funciones o variantes enel producto siempre que se mantenga la estructura modular inicial
d) El hecho de concentrar funciones en mdulos repetitivos, permitehacer un desarrollo cuidadoso y ensayado de estos mdulos que redunda en una mayor fiabilidad
e) Facilita el montaje, ya que implica componentes bien definidos coninterfaces claramente establecidas
f) Mejora la fiabilidad del conjunto ya que se parte de mdulos confunciones claramente delimitadas que se han verificado previamente
Ventajas de la modularidad
Estructura con mdulos funcionales: proyectoSRIC
El objetivo del proyecto SRIC (sistema de reparacin interna de canalizaciones) es inspeccionar y realizar ciertas repara-ciones en canalizaciones sin tener que abrir la calle para poder acceder a ella.
Ello se consigue por medio de un vehculoespecial alimentado y controlado a travs de una conexin umbilical (potencia y seal) que se mueve por el interior de la canalizacin
Fuente: C. Riba, RETDIC 2002-2004. Universidad Politcnica de Catalua
Caso 1 de modularidad
Fuente: C. Riba, RETDIC 2002-2004. Universidad Politcnica de Catalua
El sistema se compone de mdulos funcionales:
1. Plataforma base (traccin y direccin, como un vehculo de orugas; base de los restantes mdulos)
2. Mdulo de inspeccin (visin estereos-cpica y medida de distancias; movimientos de cabeceo y balanceo)
3. Mdulo de mecanizacin (un motor neumtico mueve una fresa para eliminar obstrucciones slidas; movimientos de balanceo y de acercamiento);
4. Mdulo de inyeccin (aplicacin de resinas sellantes en uniones de tubos con prdidas; movimiento de balanceo)
5. Mdulos laterales (adaptacin a distintos dimetros
Caso 1 de modularidad
Fuente: C. Riba, RETDIC 2002-2004. Universidad Politcnica de Catalua
Art
icle
s ab
ou
t m
od
ula
rity
Caso 1 de modularidad
El de un producto o sistema y la elaboracin de la , es un primer paso para establecer su a partir de
combinar las diversas funciones en mdulos de forma que se consigan los dos objetivos prioritarios siguientes:
Agrupar las funciones en mdulos
Establecer interfaces adecuadas entre mdulos
Interface mecnica
Interface de energa
Interface de transferencia de materiales
Interface de seal
Mdulos e interfaces
Se ha adoptado fundamentalmente la simbologa propuesta por la norma VDI 2222 que tiene la virtud de permitir establecer una estructura funcional suficientemente articulada
funcin principalseal
energa
material
seal
material
energa
Funciones: Se situa en el centro del rectngulo y se indica, preferen-temente, con un verbo seguido de un predicado: transferir pieza en bruto; mover brazo; controlar aproximacin
Flujos: su objeto se indica sobre las correspondientes flechas: de pieza en bruto, acabada; de alimentacin elctrica, de accionamiento del cabezal; de seal de puesta en marcha, de posicin.
Sistema, subsistemas y mdulos: Se indica encima y a mano izquierda del polgono que los delimita
Mdulos e interfaces - simbologa
Universidad de Holgun Oscar Lucero Moya, Cuba Facultad de Ingeniera
1. Formular la funcin global del producto
2. Descomponer la funcin global en sub-funciones
3. Determinar la estructura funcional simplificada
4. Identificar los flujos de material, energa, e informacin/seal
5. Agregar funciones y flujos secundarios/auxiliares
Fuente: Pahl, G. and Beitz, W., 2007, Engineering Design: A Systematic Approach, Springer-Verlag, N. York.
Fun
ctio
nal
bas
is
Mezclarcaf y agua
Cafcaliente
Aguacaliente
Almacenaragua
Electricidad
Agua
Caf Caf
Prepararcaf
Funcinglobal
Sub-Funciones
Funcionesauxiliares
Auto cierreCalentador
Granosde caf
Molergranos
Almacenarcaf
Almacenarcaf
Ejemplo: Cafetera
Ejemplo de estructura funcional
Matriz morfolgica - cafetera
Matriz Morfolgica [PB96]
Bsqueda de los principios de solucin para las subfunciones
Identificar el mximo de soluciones para cada subfuncin y funciones auxiliares
Combinar las soluciones para identificar los conceptos fsicos
Use la matriz morfolgica para identificar combinaciones de soluciones
Cada combinacin de soluciones cumplir la funcin global
Utilizar la especializacin y la heurstica para eliminar las combinaciones de solucin no posibles
Matriz morfolgica