Revisitando los Criterios de Eficiencia de Ensamblesomim.org.mx/memorias/memorias2017/articulos/A1_159.pdfDiseño Mecánico, Enfoque Apodíctico de Diseño, Diseño para Ensamble,

MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO

Diseño Mecánico, Enfoque Apodíctico de Diseño, Diseño para Ensamble, Teória de diseño, Metodología de diseño

“Revisitando los Criterios de Eficiencia de Ensamble”

1Aguirre Esponda Guillermo José, 2Mercadillo Rojo Carlos Jesús, 2Espinosa Aguilar Omar 2, 3 Aguirre Granados Adrián, 4 Aguirre Granados Priscila

1Aguirre Innovación S.C.

18 de Marzo 15, Del. Xochimilco, México D.F, MEXICO Teléfono: 01 55 5653 3612, [email protected]

2Innovalia Consulting Group

18 de Marzo 15, Del. Xochimilco, México D.F, MEXICO Teléfono: 01 55 5653 3612, [email protected]

3 Ford de México

Guillermo González Camarena 1500-6to Piso Colonia Centro de Cuidad Santa Fe, CP 01210 México D.F.

4Instituto de Innovación y Creación de Valor A.C. 18 de Marzo 15, Del. Xochimilco, México D.F, MEXICO Teléfono: 01 55 5653 3612, [email protected]

RESUMEN

One of the most significant contributions in developing a solid design theory has been the development of Design for Assembly, later expanded to incorporate all aspects of Design for Manufacturing. Within this field, the definition of the Minimum Number of Theoretically Possible Parts has allowed the use of an objective metric to evaluate the Efficiency in the Assembly of a product, comparing this number with the total number of parts actually used. In this work, we analyze the rules used to define the theoretical minimum number possible from the perspective of the Apodictic Design Approach and propose the existence of three additional criteria, presenting the argument that supports them, as well as examples of practical application of them .

ABSTRACT

Una de las contribuciones más significativas en el desarrollo de una sólida teoría de diseño ha sido el desarrollo del Diseño para Ensamble, más tarde expandido para incorporar todos los aspectos del Diseño Para Manufactura. Dentro de este campo, la definición del Número Mínimo de Partes Teóricamente Posible ha permitido la utilización de una métrica objetiva para evaluar la eficiencia en el ensamble de un producto, al comparar este número con el número total de partes realmente utilizado. En este trabajo, se analizan las reglas utilizadas para definir el Numero Mínimo Teórico Posible desde la perspectiva del Enfoque Apodíctico de Diseño y se propone la existencia de tres criterios adicionales, presentando el argumento que los soporta, así como ejemplos de aplicación práctica de los mismo.

ISSN 2448-5551 DM 351 Derechos Reservados © 2017, SOMIM


1.1. Diseño para ensamble

El diseño para el ensamble arranca en la década de los 60’s en que se propusieron varias reglas y recomendaciones para ayudar a los diseñadores a considerar problemas de ensamble durante el proceso de diseño. Muchas de estas reglas y recomendaciones se presentaron junto con ejemplos prácticos que demuestran cómo la dificultad del asamblaje podría ser mejorada. Sin embargo, no fue sino hasta la década de los 70’s que se desarrollaron métodos de evaluación numérica para permitir el diseño de estudios de ensamblaje a realizar en diseños existentes y propuestos [1]. Uno de los primeros métodos de evaluación el ensamble fue desarrollado por Hitachi y fue llamado el Método de Evaluación de Ensamble (AEM) [1]. Este método se basa en el principio de "un movimiento por una parte". Para los movimientos más complicados, se utiliza un estándar de pérdida de puntos y la facilidad de ensamble de todo el producto se evalúa restando los puntos perdidos. El método se desarrolló originalmente con el fin de clasificar los conjuntos para facilitar el ensamble automático. A partir de 1977, Geoff Boothroyd, con el apoyo de una subvención de la NSF desarrolló en la Universidad de Massachusetts Amherst, los principios del Diseño para Ensamblaje (DFA), que podría utilizarse para estimar el tiempo y costo para el ensamble manual de un producto y el compararlo con el del ensamble del producto en una máquina de ensamblaje automática. [2] Reconociendo que el factor más importante para reducir los costos y la dificultad del ensamblaje era la minimización del número de partes separadas de un producto, introdujo tres criterios simples que podrían utilizarse para determinar teóricamente si cualquiera de las partes del producto podía eliminarse o combinarse con otras partes. Estos criterios, junto con tablas que relacionan el tiempo de ensamble con diversos factores de diseño que influyen en el agarre, la orientación y la inserción de las piezas podrían utilizarse para estimar el tiempo total de ensamble y para calificar la calidad de un diseño de producto desde el punto de vista del ensamblaje. Para el ensamble automático, pueden utilizarse tablas de factores para estimar el coste de la alimentación y orientación automáticas y la inserción automática de las piezas en una máquina de ensamblaje. En los años ochenta y noventa, se propucieron variaciones de los métodos AEM y DFA, a saber: el método GE Hitachi que se basa en el AEM y DFA; El método de Lucas, el método de Westinghouse y varios otros que se basaron en el método original de DFA. A todos estos

métodos se les conoce ahora como Métodos de Diseño para Ensamble. 1.2 Criteros básicos para la minimización de Partes DFA es el método de diseño del producto para facilidad de ensamble. Los criterios básicos para la minimización de partes incluyen los siguientes:

• Análisis cuantitativo de la eficiencia de un diseño. • Diseño de producto atractivo para facilitar el

ensamble. • Minimizar el recuento de piezas. • Diseñar piezas con características de auto-

localización. • Diseñar piezas con características de auto-fijación. • Minimizar la reorientación de piezas durante el

montaje. • Diseñar piezas para su recuperación,

manipulación e inserción. • Concebir ensambles "de arriba hacia abajo". • Estandarizar partes, usar un mínimo de

sujetadores. • Enfatizar el diseño modular. • Diseño para una pieza base para localizar otros

componentes. • Diseño para simetría de componentes para su

inserción y sujeción. 1.3 Eficiencia de Ensamble Los Criterios de Eficiencia de Ensamble para la Determinación del Mínimo Número de Partes Teórico Posible resulta en primer lugar de preguntar para cada una de las partes incluidas en el diseño de un producto:

• ¿Esta parte tiene que moverse con respecto a las demás partes ya montadas?

• ¿Esta la parte tiene que fabricarse de un material diferente, o distinto de las demás partes ya montadas?

• ¿Es necesario remover esta parte para permitir el acceso a otras partes para su ajuste en servicio o reemplazo?

El Minimo de Partes Teorico Posible es el resultado de sumar todas las partes para las que estas preguntas se respondieron positivamente. En principio, todas las demas partes podrían eliminarse del producto, mediante su recombinación o consolidación.



3

La eficiencia de ensamble se define pues, como la relación entre el Número Minimo de Partes Teoricamente Posible y el Número Total de partes en el producto multiplicado por 100, de manera que se obtenga un número entero para expresar un porcentaje. Eficiencia de Ensamble = (Mínimo Número de Partes Teórico / Número total de Partes) *100 Como regla general se recomienda que la Eficiencia de Ensamble esté por ensima del 60%, es decir: - Eficiencia Objetivo > 60%

1.2. Nuevos Criterios de Diseño para Ensamble

De acuerdo con lo propuesto por el Enfoque Apodíctico de Diseño [8], se pueden encontrar principios para consolidar o madurar un producto, tales como el Principio de Simplicidad, que busca la mayor funcionalidad con el mínimo de complejidad, entre cuyos objetivos está el construir cada producto utilizando el minimo número de partes. Como metodoloogía, el Enfoque sugiere intentar construir el producto con una sola parte y justificar la aparición de partes subsecuentes aplicando los siguientes 3 criterios:

1. Si a la pieza se le desarrolla un apéndice, éste debe

eliminarse, ya que de permanecer unido con la parte original, generaría una zona débil o vulnerable.

2. Si la contrucción del conjunto fuera mucho más sencillo si se separa en dos o más partes, debe incluirse la separación de dichas partes.

3. Cuando la separación de una parte da lugar a un desacoplamiento deseable, debe procederse así.

Aunado a los principios anteriores, en Enfoque Apodíctico recomienda que en todo diseño para ensamble se deben considerar los siguientes principios:

• Las piezas deben estar en proporción, trabajar en armonía y balance (Principio de Unidad) [8]

• Usar piezas estándar siempre que sea posible • Cada parte diseñada debe ser simple para ser

fabricada fácilmente 1.5 Aplicación de los Nuevos Criterios de Diseño Al usar las herramientas de análisis del Enfoque Apodíctico [8] anteriormente descritas en aplicaciones prácticas de diseño de partes para productos comerciales, se describe a continuación cada principio con un ejemplo práctico materializado en una solución estándar puesta en el

mercado. Dichos ejemplos han sido llevados a cabo en el diseño total del producto o el análisis de un producto ya existente. Criterio 1. Si la pieza desarrolla un apéndice, debe eliminarse. Se aplicó el primer principio en el diseño de la ventana de una caseta para venta comida destinada a sustituir los puestos en vía pública de la cuidad de México.

Figura 1. Caseta para venta de comida en vía pública de la

CDMX.

Como se puede observar en la figura 1, la ventana de la caseta es completamente abatible, una vez liberada, su coloca en la parte inferior de la barra principal. (Figura 2). Por diseño se necesitaba una solución de sujeción que pudiera ser adecuada para facilitar el retiro de la ventana manualmente y también una solución de bloqueo una vez puesta en su lugar.

Figura 2. Vista de la caseta con la ventana abatida. En la figura 3 se puede observar la solución llevada a cabo para fabricar la ventana. Se realiza un empalme de dos laminas principales, en medio se dispone una solución aislante de poliuretano, una chapa para sujeción lateral derecha y unos pernos empotrados para sujeción lateral izquierda.



4

Figura 3. Elementos que componen a la ventana Los pernos del lado izquierdo hubieran podido ser rígidos, dado que la chapa se habría encargado de ejercer la acción de resorteo para permitir la entrada de la ventana y terminar asegurando por completo todo el sistema. Al dejar los pernos rígidos automáticamente se habrían convertido en apéndices dado que, tiene un comportamiento natural a fallar por esfuerzos cortantes al ser una pieza rígida que sobresale de todo el sistema, además son partes minúsculas que sobresalen del resto del sistema. Se optó por cambiar dichos pernos rígidos por pernos retráctiles con acción de resorteo, (Figura 4) eliminando el problema de apéndice y facilitando aun más el abatimiento de la ventana.

Figura 4. Perno comercial retráctil Criterio 2. Su construcción sería mucho más sencilla si se separa en dos o más partes. Se hizo el rediseño de un mecanismo que acciona y coordina los carburadores de un Porsche 914 modelo 1974, el cual por su modelo y características es apto para ser un coche de coleccionismo. Se usaron poleas con accionamiento mediante chicotes (Figura 5).

Figura 5. Mecanismo de accionamiento de carburadores a

base de poleas. Por un método tradicional de manufactura, fabricar una polea monolítica con las características requeridas por el mecanismo de los carburadores ocuparía procesos de metal mecánico como fresado y torneado, (Figura 6) además de un proceso posterior de refinamiento para darle un acabado adecuado. El tiempo estimado para la pieza terminada es de 4 horas por los procesos anteriormente descritos.

Figura 6. Polea monolítica Empleando el principio 3 del Enfoque Apodíctico se hizo un desacoplamiento de la polea en tres piezas principales, (Figura 7). El proceso de fabricación fue por corte láser reduciendo el tiempo a 10 minutos.

Figura 7. Polea compuesta de 3 partes De las tres piezas, las dos de las caras exteriores son idénticas. La alineación y unión se realizó por interferencia y tolerancia mediante registros creados desde el inicio del diseño. Las ventajas inherentes en manufactura además de la reducción de tiempo de la fabricación se citan a continuación:

• La pieza es 40% más ligera.

1.- Lámina frontal

2.- Lámina trasera

3.- Relleno poliuretano

4.- Jaladeras X2

5.- Chapa ventana 6.- Pernos X2

1

2

36

4

5



5

• Mejor acabado después del proceso de manufactura.

• Un solo proceso de manufactura empleado. • Posibilidad de dar detalles estéticos desde el diseño

y realizándolas en el proceso de corte. Criterio 3. La separación de las partes da lugar a un desacoplamiento deseable. Se hizo un análisis de diseño sobre herramientas de corte donde se estudiaron los atributos que ofrecen dos productos ampliamente usados en el mercado. Se hizo una comparación entre un serrucho y una segueta. En el caso del serrucho, su estructura principal es la hoja de acero dentada, la interface con el usuario es un mango de madera. Es común encontrar La superficie de trabajo y la estructura principal son a misma, por lo tanto una vez acabado el filo y cuerpo de los dientes, toda la herramienta es inservible. Cronológicamente la primera herramienta inventada fue el serrucho, posteriormente se da la invención de la segueta, herramienta que tiene un desacoplamiento favorable para cambiar fácilmente la hoja después del desgaste. Al incorporar el desacoplamiento de la hoja con el cuerpo de la segueta, (Figura 8) se abre una infinidad de posibilidades para fabricar distintas hojas acorde al tipo de trabajo y circunstancias donde será usada la herramienta. Por ejemplo existen hojas para corte fino de metal, corte rápido, corte para madera, plástico, pvc, etc.

Figura 8. El efecto de un desacoplamiento deseable

1.3. Conclusión

El diseño es el primer paso en el proceso de manufactura y es donde se toman las decisiones más importantes que

afectan parámetros críticos como costo de producción, tiempos y ritmos de fabricación, herramientas y procesos de manufactura empleados, personal calificado, etc.

Los 3 nuevos Criterios de Eficiencia de Ensamble expuestos en este artículo aunados a los criterios de eficiencia establecidos por Boothroyd, tienen relevancia para garantizar el aprovechamiento de todos los recursos disponibles y lograr un efecto disruptivo consolidando productos que perduren y trasciendan por su calidad de fabricación. El efecto disruptivo se manifiesta en productos que perduran basados en la preferencia del cliente, no solo por la parte estética sino por su configuración que se mantiene invariante a lo largo del tiempo gracias a la aplicación de técnicas de diseño o ingeniería como es el caso de los Criterios de Eficiencia de Ensamble. Ejemplos como el Ford T, El Volswagen Sedan o el Porsche 911 son productos que han perdurado décadas sin variaciones radicales en su configuración gracias a un fuerte trabajo de diseño previo.

REFERENCIAS

[1] Miyakawa, S. and Ohashi, “The Hitachi Assembly Evaluation Method (AEM)” Proc. International Conference on Product Design for Assembly, Newport, Rhode Island, April 15-17, 1986.

[2] Boothroyd, G., “Design for Assembly – A Designer’s Handbook”, Department of Mechanical Engineering, University of Massachusetts, Amherst, Nov. 1980.

[3] Hubka, WE Eder,“Theory of Technical Systems: A total concept theory for engineering design” - Berlin and New York, Springer-Verlag, 291 pp 1988.

[4] H. Simon, “The Sciences of the Artificial”, MIT Press, Boston, 1996.

[5] Aguirre, Guillermo, “Evaluation of Technical Systems at the Design Stage” PhD Thesis, Cambridge University, 1990.

[6] M. Asimow, “Introduction to Design”, Prentice-Hall , Englewood Cliffs, NJ, 1962.

[7] Jared Diamond, “Guns, Germs and Steel: The Fates of Human Societies”, WW Norton, New York, 1997.

[8] Aguirre, Guillermo, “Un Enfoque Apodíctico del Diseño”, Academia de Ingeniería México, México, 2011.

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