Metodología de diseño robusto para el aseguramiento de la

XIII Congreso de Confiabilidad de la AECZaragoza, 23-25 de Noviembre de 2011

Metodología de diseño robusto para el aseguramiento de la calidad en el

desarrollo de productos innovadores

José Mené Roche- [email protected]

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ARAGÓN

1. Introducción

2. Metodología

� Objetivo

� Fases de un proyecto

� Herramientas

� Procedimiento

3. Ejemplo de aplicación

4. Conclusiones

Índice

1. Introducción

Características de un proyecto:

� Complejidad técnica

� Unidades a fabricar

� Departamentos involucrados

� Disponibilidad de tiempo, recursos humanos, presupuesto, …

� Riesgo asumible

Maneras de abordar un proyecto:

� No procedimentada, lógica, natural e intuitiva

� Procedimentada, reglada, sistematizada

1. Introducción

Herramientas / Procedimientos implicados un proyecto:

� Sistemas de calidad

� Gestión de proyectos

� Metodologías de diseño y desarrollo

2. Metodología - Objetivo

Sistematizar el proceso de diseño y desarrollo de producto

innovadores para garantizar el cumplimiento de los requisitos del

proyecto, aumentar la calidad y probabilidad de éxito, evitando fallos y

errores

Metodología de diseño robusto para el aseguramiento de la calidad en el proceso de desarrollo de productos innovadores

Procedimiento

Campo de aplicación ITA

� Proyectos Mecatrónicos I+D+i

• Nuevos productos

• Equipos singulares de ensayo

2. Metodología - Objetivo

2. Metodología – Fases del proyecto

• Definición

• Tareas

• Resultantes

• Herramientas

• Equipo de trabajo

• Observaciones

• QFD I

• Estado de la Técnica• Técnicas de Creatividad• Patentabilidad

• CAD, UML, Seguridad, Ecodiseño• Simulación: Dinámica, MEF, CFD…• DOE, AMFE I, QFD II, ACV

• Software de control, HIL, RCP• Instrumentos de calibración

• DOE, AMFE II, QFDIII

FASES HERRAMIENTAS

2. Metodología – Herramientas

• Goldfire Innovator

• Inventor, I-Deas, Catia• SimMechanics, Simulink• Matlab, NI• Abaqus, Ansys, Fluent

• VISIO, Rational Rose• dSPACE• LabView

• Software de control• Patrones de calibración• Equipos de medida

SOFTWARE


• Generación de conceptos

• AMFE

• Ecodiseño y ACV

• Seguridad y fiabilidad

• QFD

• DOE

Procedimientos desarrollados:


• QFD

Qué es: Es un método para convertir los

requerimientos del cliente en objetivos de diseño y

puntos de aseguramiento de la calidad.

Para qué sirve: Asegura el cumplimiento de los

requerimientos “reales” de cliente. Reduce costes

adiciones debido a rediseños posteriores. Obliga a

la evaluación de distintas soluciones de diseño.

Resultantes: Tablas que muestran de manera

gráfica los datos presentes en la toma de decisión.


• QFDQFD



Qué es: Procedimiento para la generación de conceptos de forma

organizada utilizando técnicas de creatividad, complementadas con el

uso de la vigilancia tecnológica y estado de la técnica.

Para qué sirve: Generar nuevos conceptos que cumplan con las

especificaciones del cliente y que no estén patentados.

Resultantes: Conceptos que se puedan desarrollar sin incumplir patentes

y que se puedan patentar.




• AMFE

Qué es: Procedimiento sistemático para asegurar que los productos y

procesos sean fiables y competitivos en el mercado.

Para qué sirve: Para detectar problemas que pueden dar lugar a riesgos

de seguridad, mal funcionamiento del producto y acortar su vida.

Resultantes : Tabla detallada de las funciones del sistema, modos

potenciales de fallo, sus causas, sus efectos y priorización de la acciones

correctoras.


• AMFE


• DOE

Qué es: Conjunto de técnicas para planificar, realizar y analizar resultados

de experimentos, obteniendo las conclusiones adecuadas al objetivo.

Para qué sirve:

Comparar alternativas de diseño. Identificar qué variables de diseño tienen

mayor influencia en la función deseada.

Resultantes:

Selección de la mejor alternativa de diseño. Centrar esfuerzos de mejora en

variables más influyentes. Ajuste óptimo de variables de diseño.


• DOE1º DEFINICIÓN DE

OBJETIVOS

2º SELECCIÓN DE VARIABLES

3º PROCEDIMIENTO DE ENSAYO

4º DISEÑO DEL EXPERIMENTO

5º EJECUCIÓN DE ENSAYOS

6º ANÁLISIS DE RESULTADOS

7º OPTIMIZACIÓN FACTORES

8º CONCLUSIONES

Modelo “caja negra”: -Variables diseño-Respuesta-Factores de ruido

-Factorial completo-Factorial fraccionado-Métodos Taguchi

…

-Construir modelo de respuesta-Analizar si efectos son significativos (ANOVA)

-Calcular niveles de variable que optimizan respuesta-Ensayo confirmatorio



Qué es: Son dos aspectos de la calidad de un producto, estrechamente

unidos, con el fin de que ese producto se pueda fabricar, utilizar y

mantener de una forma fiable y segura.

Para qué sirve: Para obtener un producto que el usuario pueda utilizarlo

cuando lo necesite (sea fiable) y de una forma segura (sin riesgos). Para

cumplir con la normativa y legislación aplicable.

Resultantes: Evaluación de riesgos, Diseño de sistemas de seguridad de

acuerdo a normativa, Predicción de fiabilidad.



Máquinas

Evaluación de riesgosUNE EN ISO 14121

(*)

¿Sistema de mando? SRP/CS

¿Estudio de fiabilidad?

Fin de proceso

Fiabilidad de sistema eléctricos y electrónicos

(*) Se sustituye por la UNE 12100:2010

Sí

No

Sí

No

UNE EN ISO 13849

Esquema general:

Seguridad

Fiabilidad



Evaluación de Riesgos y Diseño SRP/CS



Diseño SRP/CS



Fiabilidad sistemas eléctricos y electrónicos

Ponencia 1, día 23/11/11, “Predicción del cumplimiento de los

requisitos contractuales de fiabilidad de vehículos ferroviarios”

Javier Piedrafita - ITA



Máquinas

Evaluación de riesgosUNE EN ISO 12100

(*)

¿Sistema de mando? SRP/CS

Criterio de selección de norma **

¿Estudio de fiabilidad?

Fin de proceso

Fiabilidad de sistema eléctricos y electrónicos

Fiabilidad de sistema mecánicos (NSWC)

IEC 62061

UNE EN ISO 13849 IEC 61508-3

(**) Criterio de selección de norma

ISO 13849 vs IEC 62061

Tecnologías empleadas

Cualquiera (E, H, M)

E/E/EP

Estructura del sistema

Simple ISO 13849ISO 13849 óIEC 62061

ComplejaMetodología de

la IEC 62061IEC 62061

¿Software?Sí

No

Sí

No

Sí

No

Procedimiento en desarrollo



Qué es: Diseñar teniendo en cuenta los aspectos

ambientales asociados a todas las fases del Ciclo

de Vida del producto.

Para qué sirve: Inventariar, analizar y evaluar

todos los impactos ambientales del producto,

previniendo o disminuyendo su aparición desde la

etapa de diseño y desarrollo.

Resultantes : Productos con menor impacto

ambiental en todo su Ciclo de Vida. Declaraciones

Ambientales de Producto.



2. Metodología – Procedimiento

Desarrollo y puesta en marcha de la Metodología

Procedimiento de aplicación de la Metodología

2. Metodología – Procedimiento

Bancos de ensayo Tribómetro de Largo Recorrido

3. Ejemplo de aplicación

� Tribómetro de largo recorrido

Objetivo Banco de ensayos de desgaste y fricción de largo re corrido

Destinado Ensayos de materiales

Máquinas existentes Tribómetro pequeño recorrido ≈10 mm. Tribómetro giratorio.

1DEFINICION DE

ESPECIFICACIONES

2GENERACION

DE CONCEPTOS

3DISEÑO

MECATRONICO

4FABRICACION Y

PUESTA EN MARCHA

5PRUEBAS Y VALIDACIÓN

• QFD I

• Estado de la técnica• Brainstorming• Patentabilidad

• CAD, UML• Simulación, MEF• Seguridad y fiabilidad• AMFE I, QFD II

• Instrumentos de calibración• Software de control

• DOE

• Goldfire Innovator

• Inventor • Matlab, Dynamic Inventor• Ansys

• dSPACE• Lab View

• Software de control y supervisión• Patrones de calibración• Equipos de medida


Fases y herramienta de la Metodología

Definición de especificaciones

Identificar las características técnicas y requerimientos

• Recopilación de especificaciones• Doc. especificaciones

Objetivo

Actuaciones


V (m/s)

L nominal, Ln a Vn

a (m/s2)a (m/s2)

L (m)L, arranque L, frenada

PROBETA

CONTRAMETERIAL

Sensores de IR

Termopares de contacto

Vn (m/s)

Características técnicas("Cómos")

Requerimientos del cliente("Qués") 0 1 2 3 4 5

1 5 13,8 90,0 5 5

2 5 12,3 80,0 2 4

3 5 12,3 80,0 4 2

4 5 10,8 70,0 4 4

5 5 9,2 60,0 4 3

6 5 12,3 80,0 2 5

7 5 9,2 60,0 5 5

8 5 10,8 70,0 Productividad (m3/hora) 3 5

9 5 9,2 60,0 5 3

▼▼

Correlación entre caraterísticas┼┼ Correlación muy positiva

┼ Correlación positiva

▲ Relación moderada positiva 2

▬ Correlación negativa

Objetivo minimizar

▲ Objetivo maximizar

Objetivo un valor

▼ Correlación muy negativa

Mejora del objetivo de las caracte rísticas

▼

QFDPROYECTO:

CÓDIGO:

Diseño conceptual de un brazo de gunitado

PRO09_0119

EMPRESA:

FECHA:

M.L.Lorenzana

▲▲ Relación fuerte positiva 5Relación entre exigencias y caracte rísticas

x

x

▼ Relación moderada negativa -2

Relación fuerte negativa -5

Ninguna relación 0

212019181716

▬┼ ▬

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┼

Análisis de la competencia(0=Peor, 5=Mejor)

▲▲ x

┼

┼

┼┼ ┼

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▬┼ ┼

▬▬┼▬ ▬

3 4 5Columnas 1 2

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▲ x

Facilidad de mantenimiento

Eficiencia en el proceso de gunitado

Seguridad del operario

Facilidad de puesta a punto

x

Flexibilidad y maniobrabilidad (capacidad de movimiento)

x

▲▲ ▲ ▲ ▲ x ▲▲Coste ajustado del producto

Peso

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▲▲▲▲

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Robustez

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Propia Empresa

Competidor 1

Competidor 2

Competidor 3

Competidor 4

Competidor 5

3 4 54 5 4 5 1 5 5

13 4 4 3 5 2Propia Empresa 5 5 4 2 1 5

140,0206,2 61,5 213,8 249,2 113,8 166,2 Peso relativo 183,1 270,8 255,4 164,6 158,5 152,3 140,0

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23,7

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8,3 2,5

7 8 8 6 3 3 8 8

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152,3 140,0 206,2 61,5

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3

5 5 55

13,3

5

Peso relativo

Dificu ltad(0=Fácil de Lograr, 10=Extremadamente Difícil)

M áximo valor en la columna

Peso / Im portancia

5 5

164,6 158,5255,4

5 5 5

183,1

5

270,8

Competidor 1 3 4 3 4

• QFD

Herramientas

Identificar los antecedentes existentes en el estado de la técnica de tribómetros y tecnologías a aplicar

Espacenet y Goldfire Innovator

Objetivo

Herramientas


Resultados

Patentes, artículos técnicos

Generación de conceptos – Estado de la técnica

• Estado de la técnica

Actuaciones

Generación de conceptos - Creatividad


Generar conceptos de los siguientes sistemas:• Aplicación de carga• Desplazamiento lineal• Medida de la fricción

Objetivo

• Brainstorming

Herramientas

• Creatividad

Actuaciones

Generación de conceptos - Patentabilidad


Analizar:• Incumplimiento de patentes• Posibilidad de patentar

Objetivo

• Bases de datos

Herramientas• Búsqueda y análisis de patentes

Actuaciones

Generación de conceptos - Diseño Mecatrónico Inicial

Diseño inicial de las propuestas seleccionadasSelección de la propuesta a desarrollar

• Prediseño Mecánico y Eléctrico• Simulación Dinámica• Evaluación de las propuestas

Objetivo

Actuaciones


• INVENTOR• SIMULINK• QFD II

Herramientas

Características técnicas

("Cómos")

Requerimientos del cliente("Qués") 0 1 2 3 4 5

1 5 13,8 90,0 5 5

2 5 12,3 80,0 2 4

3 5 12,3 80,0 4 2

4 5 10,8 70,0 4 4

5 5 9,2 60,0 4 3

6 5 12,3 80,0 2 5

7 5 9,2 60,0 5 5

8 5 10,8 70,0 Productividad (m3/hora) 3 5

9 5 9,2 60,0 5 3

▼▼

Correlación entre carate rís ticas┼┼ Correlación muy positiva

┼ Correlación positiva

▲ Relación moderada positiva 2

▬ Correlación negativa

Objetivo minimizar

▲ Objetivo maximizar

Objetivo un valor

▼ Correlación muy negativa

Mejora de l objetivo de las características

▼

QFDPROYECTO:

CÓDIGO:

Diseño conceptual de un brazo de gunitado

PRO09_0119

EMPRESA:

FECHA:

M.L.Lorenzana

▲▲ Relación fuerte positiva 5Relación entre exigencias y caracte rís ticas

x

x

▼ Relación moderada negativa -2

Relación fuerte negativa -5

Ninguna relación 0

212019181716

▬┼ ▬

15

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Pro

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or 1

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┼

Análisis de la competencia(0=Peor, 5=Mejor)

▲▲ x

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3 4 5Colum nas 1 2

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Facilidad de mantenimiento

Ef iciencia en el proceso de gunitado

Seguridad del operario

Facilidad de puesta a punto

x

Flexibilidad y maniobrabilidad (capacidad de movimiento)

x

▲▲ ▲ ▲ ▲ x ▲▲Coste ajustado del producto

Peso

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Propia Empresa

Competidor 1

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13 4 4 3 5 2Propia Empresa 5 5 4 2 1 5

140,0206,2 61,5 213,8 249,2 113,8 166,2 Peso relativo 183,1 270,8 255,4 164,6 158,5 152,3 140,0

8,73

5,32

4,17

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11 12,3

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13,3

5

Peso relativo

Dificultad(0=Fácil de Lograr, 10=Extremadamente Dif ícil)

Máximo valor en la columna

Peso / Importancia

5 5

164,6 158,5255,4

5 5 5

183,1

5

270,8

Competidor 1 3 4 3 4

Diseño Mecatrónico

Diseño detallado de la propuesta seleccionada

• Diseño Mecánico y Eléctrico• Simulación Dinámica • Análisis estructural• Diseño del Software de Control• Seguridad y fiabilidad• Planos y esquemas de fabricación

Objetivo

Actuaciones


• INVENTOR• SIMULINK• ANSYS• AMFE I• Seguridad y fiabilidad• Ecodiseño y ACV

Herramientas


• Simulación Dinámica. SIMULINK- Simulación y análisis del funcionamiento- Diseño del Control en Velocidad dirección X- Diseño del Control en Fuerza dirección Z

Actuaciones


0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50

100

200

300

400

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600

700

800

900

1000

time(s)

For

ce(N

)

command

K=3e6K=2e5


• Diseño Mecánico y Eléctrico• Seguridad y fiabilidad• AMFE II• Impacto ambiental • Expediente técnico. Marcado CE

Actuaciones


Riesgo S1, F2, P2

PLr c

Arquitectura Redundante

MTTFd 15 años

DCavg 75%

CCF 70

PL c

PL ≥ PLr


• Diseño del Software de Control. UML, HIL

Actuaciones



Puesta en marcha

• Fabricación y montaje• Puesta en marcha

Actuaciones


Pruebas y validación

• Calibración• Realización de ensayos• Validación y entrega de máquina

Actuaciones

� La Metodología de Diseño Robusto aporta un alto valor añadido a los proyectos de diseño de producto mecatrónico:

� Anticipa problemas en las primeras fases del proyecto. � Facilita la uniformidad de acción.� Potencia la colaboración multidisciplinar.� Mejora la estructuración de la documentación, facilitando su integración con la Gestión del Conocimiento. � Ayuda al control de las acciones y evaluación del trabajo.� Sistematiza la Innovación. � Minimiza los efectos negativos por relevo de personal y facilita la formación de nuevo personal.

� La Metodología de Diseño Robusto y sus herramientas son versátiles, se pueden aplicar y adaptar a otra tipología de proyectos.

4. Conclusiones

XIII Congreso de Confiabilidad de la AECZaragoza, 23-25 de Noviembre de 2011

Metodología de diseño robusto para el aseguramiento de la calidad en el

desarrollo de productos innovadores

José Mené Roche- [email protected]

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