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INTRODUCCION AL DISEÑO MECANICO
Diseño Asistido por Computadora
Ing. Jesús García C.I.V.: 150.961.
Valencia, 2016
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Contenido
Introducción ..................................................................................................................................... 3
Diseño Mecánico ............................................................................................................................ 4
Premisas a considerar para el diseño mecánico: ................................................................. 7
Retos y desafíos en el diseño ..................................................................................................... 9
El proceso de Diseño: Ingenio o Inventiva ............................................................................ 12
Factores y aspectos en el diseño de Ingeniería. ................................................................. 22
Herramientas de la Ingeniería aplicada al diseño: .............................................................. 25
Normas. ........................................................................................................................................... 25
Materiales ....................................................................................................................................... 28
Proyecto de Diseño ..................................................................................................................... 30
Bibliografía consultada ............................................................................................................... 33
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Introducción
A continuación se presenta una guía de las nociones elementales del Diseño
Mecánico, para introducir al lector en el concepto del diseño, en el ambiente de la
ingeniería y proporcionarle las herramientas necesarias para el proceso de la
creatividad, necesarias en el área industrial en forma eficiente, efectivo y seguro.
Hoy en día el entorno Académico, se pretende impulsan al estudiante de
Ingeniería a encarar el problema de diseñar algo y como calcularlo, para esto una
buena manera que se presenta en las escuelas de Diseño, es ejemplificar una
oficina donde los estudiantes se conformen como parte de una especie de Equipo
de Proyecto, es así como el estudio de la asignatura se verá como una aproximación
realista a la futura práctica profesional, entendiendo por ello, utilizar diversas
herramientas analíticas, experimentales y computacionales en un amplio marco que
abarca la aplicación de métodos analíticos convencionales como también
normalizados (normas ISO, AISI, SAE, AGMA, ASME, entre otras).
Esta experiencia debe asegurar que los participantes tengan la sensación de
estar resolviendo problemas reales con la exigencia de asumir creatividad y el
pensamiento crítico.
En este mismo orden de ideas, para el proceso del desarrollo de una nueva
máquina, estructura o sistema o al realizar alguna mejora a un sistema existente, el
concepto debe existir en la mente del diseñador antes de convertirse en realidad.
Para transformar una idea en un proyecto terminado es necesario crear bosquejos,
realizar los dibujos (piezas, ensambles y planos), calcular tensiones, analizar
movimientos y tamaños de las partes, especificar materiales y métodos de
producción y hacer esquemas de diseño.
Para facilidad de realizar bosquejos a mano y la capacidad de trabajar con
técnicas de dibujo en computadora requiere del conocimiento de estándares para la
comunicación gráfica, todo profesional que usa una computadora para dibujar y
diseñar el trabajo también necesita saber cómo crear e interpretar dibujos.
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Diseño Mecánico
La palabra diseño puede significar diferentes cosas para diferentes personas,
lo cual va desde un vestido de gala extravagante de las pasarelas hasta el aspecto
de un automóvil o bien un vehículo espacial. En esta amplia variedad de
aplicaciones, se entenderá que para los ingenieros, el diseño significa algo de
importancia superlativa para el bienestar de la sociedad.
Los diseños pueden usarse para reflejar expresiones personales o mejorar el
desarrollo de un producto. Este reflejo de la expresión personal casi siempre se
refiere a un diseño estético, mientras que la mejora del desarrollo de un producto
se considera un diseño funcional. La estética y la funcionalidad pueden trabajar
juntas para crear un producto que no solo sea atractivo para los sentidos, sino que
también satisfaga demandas específicas. Un automóvil bien diseñado es un ejemplo
clásico de como la estética y la funcionalidad pueden unirse.
El diseño ingenieril es entonces un proceso que requiere un entendimiento claro
de la función y el desempeño esperado del producto final. Es un modelo de concebir
ideas para comunicarlas a otras personas de manera que puedan entenderlas
fácilmente.
El diseño ingenieril también se usa para satisfacer necesidades, deseos y
resolver problemas de la sociedad a través de la aplicación de principios científicos,
experiencia y creatividad, la motivación en cualquier plan de diseño debe ser la
creación de una solución eficiente a cualquier problema dado. La Planeación y
programación adecuadas también son claves para los diseños exitosos. Resulta
imperativo establecer una fecha límite para la consecución de cada fase del diseño.
Así pues, existen dos términos a interpretar en su extensión y concepto: diseño
e ingeniería.
La ingeniería es definida por la ABET (Accreditation Board for Engineering and
Technology) como:
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... aquella profesión en la que el conocimiento de las ciencias matemáticas y naturales
adquirido por estudio, experiencia y práctica se utiliza con buen juicio para desarrollar
diversas formas de utilizar económicamente los materiales y fuerzas de la naturaleza para el
beneficio de la humanidad.
Lo que distingue a la ingeniería de muchos otros campos es que intenta
conducir lo teórico a lo práctico con el fin de desarrollar productos, procesos y
métodos en vez de meramente observar y registrar los fenómenos involucrados al
modo de la ciencia.
El ABET define la parte de diseño de la ingeniería como sigue:
El diseño en ingeniería es el proceso de idear un sistema, componente o proceso para
satisfacer ciertas necesidades. Es un proceso de toma de decisiones (a menudo iterativo) en el
que las ciencias básicas y las ciencias de la ingeniería se aplican para convertir recursos en
forma óptima a fin de cumplir un objetivo estipulado. Entre los elementos fundamentales del
proceso de diseño se encuentran el establecimiento de objetivos y criterios, síntesis, análisis
construcción ensayos y evaluación.
En otro concepto más simple, El diseño propiamente dicho, radica en
encontrar los elementos que nos permiten resolver los problemas que nos
plantea la solución adoptada.
Según Molina, 1972: Dice que es el proceso de aplicación de varias técnicas
y principios científicos para la formulación de un mecanismo, con suficientes
detalles para permitir su realización física.
Se debe tener claro que el diseño que se estudiara, es en el entorno de la
Ingeniería mecánica, sabiendo que la estructura taxonómica dará cabida a
componentes necesarios en las maquinarias y tendrá una organización de la
información de la siguiente manera:
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El diseño de máquina es un subdominio del diseño mecánico general, donde lo
fundamental se desarrolla sólo en la parte estructural y cinemática, como el diseño
de una caja de engranajes, la transmisión de movimiento impulsado por cadenas, o
la estructura de un motor, son claros ejemplos de diseños mecánicos clásicos, pues
dependen de material técnico relacionado con la resistencia de materiales, la
cinemática y la dinámica, lo cual está más relacionado con la rama estructural de la
ingeniería mecánica.
Según Hamrock, Jacobson y Schmid, 1999, es la transformación de conceptos
e ideas en una Maquinaria útil.
Una maquinaria es la combinación de mecanismos y otros componentes para
un propósito específico y cumplirá la función de:
Transforma.
Transmite o emplea energía.
Carga.
Movimiento.
El diseño de maquinarias es la práctica fundamental en la ingeniera Mecánica.
Siendo así el diseño mecánico su objetivo final es producir un mecanismo o
dispositivo de utilidad que sea capaz de ser:
Seguro,
Eficiente y
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Practico.
Se puede decir que los Sistemas Mecánicos, es una unión sinérgica de
Elementos de Maquinas, que integrados en un concepto de maquinaria, realiza la
suma del trabajo de sus partes individuales. Siendo con frecuencia conjuntos de
componentes bien diseñados de un número finito de calidades probadas.
El estudio del diseño y la selección de los elementos de máquinas ofrecerán
una apreciación de las resistencias y limitaciones de los tipos de componentes,
pudiendo ser incorporados en un sistema más fácilmente.
Por último los elementos de máquinas se pueden agrupar como:
Elementos activos: Que Transmiten Movimientos. Como son las
poleas, ruedas dentadas.
Elementos pasivos: Sujetan, soportan o guían. Como son las
cuñas, tornillos.
Premisas a considerar para el diseño mecánico:
Los conocimientos necesarios para el diseño y/o selección de elementos que
conformaran la solución a situaciones industriales.
Para diseñar, el ingeniero debe tener una cierta disposición y experiencia
respecto a los elementos de máquinas.
Los conocimientos de materiales que se pueden utilizar y que sea factible
procurarlos en el mercado (nacional o Internacional). Estos materiales luego
se emplearan para la fabricación de los elementos.
Evaluar los coeficientes de seguridad, para disminuir la incertidumbre.
Analizar los factores que modifican la resistencia a la fatiga.
El diseño requiere una flexibilidad considerable y creativa para obtener
buenas soluciones y esta creatividad a veces es asistida por familiaridad con
diseños exitosos conocidos.
Tener claridad en cuanto a las etapas de vida de una maquina determinada:
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El diseño es el trampolín para todas las fases subsecuentes de un producto, y
es en la fase del diseño donde se cimienta la satisfacción posterior de las personas
que utilizarán el producto o artefacto.
El equipo de trabajo es fundamental considerarlo como premisa, ya que la
mayoría de las compañías exitosas cuentan con un proceso de diseño bien
organizado que utiliza equipos de personas que tienen distintas habilidades. En la
actualidad, las personas deben contar con varias aptitudes para funcionar dentro de
un equipo de diseño moderno. Además de la experiencia en aspectos técnicos y de
ingeniería, es necesario poseer habilidades para tratar con la gente, capacidad de
dibujo y pensamiento creativo. Es importante señalar que estas habilidades se
desarrollan en el individuo, con el estudio, el hacer y el analizar lo realizado para
retroalimentarse de lo ejecutado.
El trabajo en equipo es la clave, siendo este un papel importante en el proceso
de diseño creativo, existen técnicas de creatividad en grupo como por ejemplo el
que se utiliza comúnmente el cual es la Lluvia de Ideas, en donde los participantes
se dedican a generar ideas. Una sesión tal puede estimular, instruir y motivar a los
diseñadores para considerar sus productos desde una óptica diferente con base en
lo expuesto por los otros miembros del equipo. La regla más importante que se debe
seguir durante una sesión de lluvias de ideas es no permitir la critica a las ideas de
los demás, que en esta fase solo sirve para obstaculizar el proceso creativo.
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Una segunda regla es llegar preparando con la mayor cantidad posible de ideas:
no es el momento de ser conservador, no debe existir la resistencia al cambio; se
debe estar abierto a presentar pensamientos nuevos. Una idea puede detonar otra
que sea más práctica. Reintegrar las ideas generadas durante una sesión en un
diseño particular es de suma importancia: es imperativo que el diseñador individual
incorpore en su diseño la información generada a partir de las aportaciones del
equipo.
Retos y desafíos en el diseño
El mayor reto que se tiene en el diseño, no es el del ejercicio mental abstracto,
sino tener un objetivo preciso y claro, o sea, obtener el artefacto determinado. Pasa
por contar con las respuestas a estas cuestiones:
¿QUE alcance tiene el diseño?
¿PORQUE se necesita diseñar?, específicamente en el marco y ambiente
de ingeniería.
¿COMO se diseña y con cuales herramientas se puede hacer en forma
óptima?
Otro desafío en los problemas de diseño y que surgen de la vida real, es que
normalmente se pueden tener varias soluciones y ser de diferente índole. Algunas
de las posibles soluciones serán mejores que otras y se adaptan mejor a ciertos
requisitos: OBJETIVOS y CRITERIOS establecidos a priori. Debe quedar claro que
si bien en el diseño existe una secuencia ordenada, esta no debe ser entendida en
el sentido de un algoritmo matemático.
Algunos problemas parecerían no necesitar de un diseño adecuadamente
pensado, esto es particularmente cierto cuando la solución se puede basar en la
experiencia en virtud de una gran acumulación histórica de evidencias a favor de
solución propuesta.
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No existe solución establecida o antigua que sea la solución óptima. En
la obtención de ésta última es donde se debe poner el mayor de los esfuerzos.
Piovan – 2009.
Los retos y desafíos que tienen los ingenieros, es del de suministrar “productos
o servicios” como son máquinas, artefactos, dispositivos o conocimiento que dan
solución a ciertos problemas de los Compradores - Clientes. Pero como en todo
proceso de compra y venta, oferta y demanda, se produce una opinión o una
valoración de los “productos o servicios”, de tal forma que si un cliente no está
satisfecho con su proveedor, obviamente lo cambiará por otro más competente o
que puede suministrar un mejor “producto o servicio”. Luego el proveedor anterior,
dejará de existir en el mercado porque nadie querrá contar con sus servicios o su
producto.
Estar atentos a esto, Piovan – 2009:
En el diseño hay más cosas envueltas que un simple cálculo. Un diseño
estándar incompleto que no capte el punto de vista de todos los involucrados,
es la mejor receta para tener problemas.
Antes de tomar decisiones rápidas hay que meditar más respecto de los
detalles. Además, la experiencia puede no servir con problemas no
convencionales.
Está claro que no puede un Ingeniero darse el lujo de:
Quedarse parado
Tampoco mantenerse en la vida copiando o repitiendo casos.
La innovación es una necesidad de máxima, para sobrevivir
especialmente caoticidad que genera el cambio.
No todos los aspectos del diseño son exitoso por que sean novedosos
o innovadores, un buen romance: no hay que reinventar la pólvora, ni la
rueda para desarrollar algo sustancialmente efectivo.
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De esta forma en el diseño es recomendable copiar las buenas ideas, es así
que en muchos cursos de diseño se incentiva a los participantes a aprender de
productos existentes, estudiando los catálogos y patentes de fabricantes. Pensar en
cómo estos diseños existentes, pueden usarse o modificarse para funcionar en el
plan de diseño que se tenga preparado. Otra forma es la de examinar productos
fabricados, para desarmarlos, evaluarlos y estudiar como están diseñados sus
partes y como trabajan juntas; esto se conoce como Ingeniería Inversa.
Otro desafío seria estudiar un producto que ya no funcione, de acuerdo con los
estándares existentes o actualizados del fabricante y divídalo en sus componentes,
esto se conoce como Descomposición Funcional, plantear las siguientes
preguntas:
¿Cómo podría expandirse o cambiarse el diseño para
garantizar un mejor desempeño?
¿Qué podría hacerse para expandir la vida del producto?
¿Cómo podría volverse más Eficiente?
¿Cómo podría tener una mayor eficiencia de costo?
Estudiar la Naturaleza es otro reto en el que se puede obtener
satisfactoriamente diseños, si se observa la forma en que otras criaturas interactúan
con su entorno puede obtenerse mucha información.
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La comunicación seria otros de los desafíos para un diseñador, la cual va
acompañada con la capacidad de trabajar eficazmente dentro de un equipo, la
habilidad de expresarse en forma clara y concisa. No debe subestimarse la
importancia de las capacidades de comunicación, la habilidad de expresar ideas
verbalmente (escrita y hablada), simbólicamente (ecuaciones, formulas, entre otras)
y gráficamente.
El proceso de Diseño: Ingenio o Inventiva
Es la capacidad de combinar ideas, principios científicos, recursos y a menudo
productos existentes en la solución de un problema. Esta capacidad de generar
soluciones es el resultado de un enfoque organizado y ordenado para abordar el
problema. Para esto no hay una forma mecanizada o estructurada paso a paso que
conduzca a la solución “correcta” del problema de diseño, se debe mencionar que
existen varias técnicas que pueden ser aprendidas para encarar el diseño con
suficiente seguridad y con una expectativa de logro razonable.
Se presenta a continuación una estrategia de diseño sistemático con iteraciones
múltiple:
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Otra estrategia de diseño simplificado seria:
Necesidad:
Los productos y procesos creados por el diseño de ingeniería son una respuesta
directa a necesidades específicas de la sociedad.
Un enunciado sobre la necesidad que sea formulado de manera cuidadosa
puede a menudo ahorrar considerable tiempo y energía después durante el ciclo de
diseño, es importante el reconocimiento de las restricciones reales del problema.
Revise periódicamente durante el proceso, de tal modo que pueda ser corregido
en caso necesario.
Crear un Diseño:
Por lo general, las ideas o conceptos de diseños nuevos comienzan en la mente
de un solo individuo: El Diseñador. Crear ideas de diseño que satisfagan la
necesidad planteada, para este paso requiere el mayor ingenio e imaginación.
o La generación de ideas,
o Evitar la crítica excesiva,
o Se debe puntualizar las RESTRICCIONES del diseño (es decir
“más grande que”, “más delgado que”, etc.)
o Generar los CRITERIOS (que pueden ser “bajo costo”, “alto
rendimiento”, “mayor seguridad”, etc.).
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Hacer un Modelo:
Encontrar un medio de evaluar la calidad de la idea para satisfacer los requisitos
de la necesidad, lo primero que se viene a la mente sería construir la idea de diseño
sugerida, pero esto es impráctico por razones de costo, tiempo y esfuerzo. Para
cuidar de esos tres factores, se utilizan modelos simplificados para evaluar la idea
de diseño.
Un modelo puede ser real o abstracto y puede ser cualquier cosa, desde una
simple imagen mental de la idea hasta una reproducción física o matemática
compleja del concepto propuesto. Un modelo empleado frecuentemente es una
ecuación matemática que describe el comportamiento físico de la parte. Se debe
entender que todo modelo es una aproximación de la realidad del fenómeno físico.
Por ello es importante distinguir cuando el modelo es apropiado y cuando no.
Probar el Modelo:
Una vez que el modelo ha sido preparado, es necesario entonces evaluar la
idea de diseño propuesta cotejando el modelo. La prueba implica usualmente juicios
valorativos. En el caso de un modelo matemático de un fenómeno físico el ingeniero
pondrá valores y registrará los resultados y los cotejará con el material que tenga a
disposición. Esto significa que se deberá discriminar si el diseño resiste, alcanza la
potencia exigida, etc. La prueba del modelo puede hacerse en función de otras
soluciones comparables: métodos computacionales, modelos de laboratorio, etc.
Mejorar el Diseño:
A partir de las comparaciones efectuadas, se debe tener una medida
cuantitativa del éxito o fracaso de la idea. Es decir, si las ideas deben abandonarse
o guardarse para una mejora posterior. En este proceso se obtienen las evidencias
de donde debe efectuarse la modificación y así se retorna al Paso 2. Es importante
tener en cuenta que el proceso de diseño puede conducir a muchas soluciones
factibles o bien a ninguna solución de acuerdo a los lineamientos establecidos en
los puntos anteriores.
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Esta característica es la que hace al diseño diferente de otros problemas de las
ciencias de la ingeniería, donde frecuentemente se tiene unicidad de solución. Aun
así se tendrá en claro que el mejor de los diseños propuestos SATISFACE TODOS
LOS CRITERIOS y no unos pocos.
Generar Informe:
Sin importar la calidad del diseño, el mismo no se convertirá en producto o
proceso útil si los detalles del mismo no son comunicados en forma clara y precisa
para su implementación. La comunicación de las ideas del diseño ingenieril puede
ser escrita, gráfica, oral, informática, etc.
Otra configuración de un proceso de ingenio o inventiva, sería la presentada por
Profesor Danilo Tassoni M (+), de Elementos de Maquinas, de la Universidad de
Carabobo.
El ser humano se caracteriza, entre muchas otras particularidades, por su
inventiva o dicho en otras palabras, por su ingenio, por su pensamiento creativo. El
ingenio o la inventiva han sido siempre tradicionalmente asociados a la capacidad
de resolver problemas o necesidades del género humano.
1era etapa, Descubrimiento del Problema:
La primera real manifestación de esta actividad se concreta a partir del
descubrimiento del problema, es decir mucho antes de siquiera imaginarle posibles
solución. El primer e importante paso se resume, por consiguiente en discernir y
explicar la presencia de una situación problemática de una necesidad cualquiera
sea.
2da etapa, El deseo:
De encontrarle solución a la situación descubierta poco antes. De no surgir ese
deseo, podemos simplemente inferir que lo que pensamos haber descubierto
definitivamente no era un problema.
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3era etapa, Recolección de Información:
Está orientado a obtener, poseer, conocer, disponer toda la información y todos
los datos relativos a esa necesidad insatisfecha.
4ta etapa, Organizar:
La información que se ha recolectado, analizarla, prepararla, disgregarla, para
explorar todas las posibles soluciones que se nos ocurran, por absurdas que
pudieran parecernos, hasta dar con la o las soluciones que nos parezcan
adecuadas.
En este momento es conveniente planificar, elaborando un plan que sirva de
guía y orientación, permitiendo llegar a la satisfacción final del problema.
Ya dentro del PROYECTO, no se podrá decir que será una solución definitiva y
optima, puesto que no se sabe, ahora, que nuevos descubrimientos se realizaran,
sobre el tema que se está tratando, en un futuro; pero se asegurara que para el
momento en el cual se ingenió resulto ser la respuesta más acorde a la necesidad
planteada.
5ta etapa, Definición:
Es extremadamente compleja, de los componentes primordiales que configuran
la solución adoptada. Es conocida con el término tradicional de diseño. Consiste
entonces en describir, lo más completamente posible, todos y cada uno de los
componentes generales que configura la solución.
6ta etapa, Calculo:
Cada uno de los elementos de los componentes descrito en la etapa de diseño.
Un diseñador debe ponerse en el lugar de otras personas y debe visualizar
(mentalmente o con el auxilio de VR-CAD-CAM-CAE) sus interacciones con las del
artefacto que diseña.
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Otro proceso establecido, en este caso por el autor Giesecke, Dibujo y
comunicación gráfica:
Un procedimiento conveniente para el diseño de un producto nuevo o mejorado
se divide en las siguientes cinco etapas:
1. Identificación del problema, necesidad o cliente.
2. Concepto e ideas.
3. Consenso y análisis de soluciones.
4. Modelos y prototipos.
5. Dibujos de producción o funcionamiento.
Si una etapa particular no resulta satisfactoria, puede ser necesario regresar a
la previa y repetir el procedimiento como lo indican las trayectorias marcadas con
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una línea discontinua. Este procedimiento repetitivo se conoce a menudo como
ciclo.
Identificación del problema y cliente:
Como diferente a lo ya indicado, en la identificación del problema se debe
identificar al Cliente: ¿Quién será afectado o influenciado por el diseño?, en esta
etapa se debe determinar si el diseño debe orientarse hacia un solo usuario muy
específico, un comprador o compradores específicos, un fabricante o grupos de
fabricantes o al público en general.
Es importante determinar si el producto en diseño debe cumplir con alguna
norma o regulación gubernamental o tiene que adherirse al código, norma o
entandares de una organización profesional antes de comenzar el proceso de
diseño.
Resulta buena idea dividir los requerimientos de diseños en cuatro
categorías, ya que facilita la toma de decisiones:
Esencial,
Importante,
Deseable
Funcional.
Los problemas de diseño ingenieril van desde la creación de mecanismos
sencillos hasta satisfacer necesidades más complejas.
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Preguntas básicas en esta etapa:
¿Qué se espera que haga el diseño?
¿Cuál es el límite de Costo Estimado?
¿Cuál es el Mercado Potencial?
¿Cómo puede Venderse?
¿Cuándo estará listo el prototipo para realizar pruebas?
¿Cuándo deben estar listos los dibujos de producción?
¿Cuándo comenzara la producción?
¿Cuándo estará disponible el producto en el mercado?
Conceptos e ideas:
La recopilación de ideas para las posibles soluciones, como se planteó
anteriormente, ahora bien el usuario de un producto es una fuente valida, porque a
menudo a esa persona tiene sugerencias para realizar mejoras; el usuario potencial
puede ser útil respecto a las reacciones específicas a una solución propuesta. Se
completa esta afirmación con lo señalado con el círculo del ISO-9000, donde el
sistema se retroalimenta del cliente:
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Para realizar patentes de un producto es importante que lo generado en esta
etapa, como notas y bosquejos sean firmados, fechados y conservados para la
posible solicitud de la patente.
Consenso / Análisis de soluciones:
Se seleccionan varias características de los conceptos generados en las ideas
planteadas en la etapa anterior, combinándola en una o varias soluciones y luego
se realiza una selección de una mejor solución, bajo evaluación de criterio. En este
punto, la mejor solución se evalúa a detalle y se hacen intentos por simplificar para
que se desempeñe con eficiencia y sea fácil de fabricar, reparar e incluso desechar
cuando termine su ciclo de vida.
Con frecuencia después de elaborar los bosquejos de diseño refinados se
realiza un estudio de los materiales idóneos y los problemas de movimientos que
pudieran estar implicados.
¿Qué tipo de poder se utilizara: manual, eólica, solar, motor eléctrico, de
combustión interna, a diésel o cuál?
¿Qué tipo de movimiento se necesita?
¿Es necesario traducir el movimiento giratorio en movimiento lineal o viceversa?
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Para este momento también pueden realizarse ciertos cálculos básicos, como
los relacionados con las velocidades y aceleración.
En los estudios preliminares sigue un esquema de diseño, por lo general un
dibujo CAD preciso con tamaño especificado y proporciones y ajustes claros o un
bosquejo de diseño dimensionado claramente.
Los costos se mantienen siempre en mente porque el dispositivo debe venderse
y producir ganancias, de otra manera, el tiempo y los costos de desarrollo generaran
una perdida.
Durante el proceso de esquematización, la experiencia permite tener un sentido
de proporción, tamaño y ajuste, ya que las características no críticas pueden
diseñarse a simple vista o con la ayuda de datos empíricos. Cuando se diseña para
altas velocidades, cargas pesadas o requerimientos y condiciones especiales,
puede ser necesario realizar análisis de tensiones y cálculos detallados.
Presta atención especial a representar los espacios existentes entre las partes
móviles la finalidad de ensamble y la posibilidad de dar mantenimiento. Siempre que
es posible, se utilizan partes de forma estándar porque son menos caras que las
partes únicas. La mayoría de las compañías cuentan con un manual de estándares
de ingeniería que contienen datos técnicos y empíricos y mucha de la información
detallada que se considera “la norma de la compañía”. Los materiales y costos se
analizan con mucho cuidado y aunque las consideraciones funcionales pueden ser
más importantes, los problemas de manufactura deben mantenerse en mente de
manera constante.
Modelos y Prototipos:
A menudo se construye un modelo tridimensional CAD o un modelo a escala
para estudiar, analizar y refinar un diseño. Un prototipo es un modelo en
funcionamiento de tamaño real y construido de acuerdo con todas las
especificaciones finales, exceptuando quizás las de materiales. El prototipo se
prueba y modifica cuando es necesario y los resultados se anotan en la revisión de
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los bosquejos y dibujos de funcionamiento. Los modelos tridimensionales CAD son
tan exactos que con frecuencia, hace innecesario un prototipo físico, estos se
conocen como prototipos virtuales y en algunos casos el fabricar un prototipo físico
sería muy elevado su costo, por lo que se recurre a los Prototipos CAD.
Dibujos de Producción o funcionamiento:
En esta etapa se elabora, verifica y aprueba un conjunto de dibujos de
producción o funcionamiento.
Los esquemas del diseño de producción aprobado se llevan al departamento de
ingeniería para elaborar los dibujos de producción, se dibujan las vistas necesarias
para cada parte a fabricar y se agregan todas las dimensiones y notas necesarias
que los dibujos describan estas partes por completo.
Factores y aspectos en el diseño de Ingeniería.
Se deben tomar en cuenta en el diseño los Factores, ya que, ellos sirven de
guía en el proceso de toma de decisiones inherentes a cualquier proyecto.
Para cada diseño existen distintas alternativas de solución, pero cada una debe
evaluarse en función de los factores.
Para todo diseño se quiere cumplir con lo siguiente Factores:
Factibilidad:
o Que sea realizable.
o Tener suficiente resistencia.
Calidad:
o Apariencia.
o Durabilidad.
o Exactitud.
o Precisión.
o Duración en el Funcionamiento.
Confiabilidad Funcional:
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o Durabilidad
o Vida útil de la pieza.
o Con el Menor desgaste.
Costos:
o Inversión.
o Rentabilidad
Métodos de fabricación:
o Mecanizado
o Soldadura
o Forja.
o Fundición.
o Laminación.
o Costos mínimos de fabricación.
Mantenibilidad:
o Servicio.
o Facilidades de Mantenimiento.
o Costos mínimos de mantenimiento.
o Menores reparaciones.
Seguridad:
o Factor dependencia integridad física y ambiental.
Otros factores a tomar en cuenta:
o Contaminación
o Lubricación
o Ruido
o Vibraciones
o Corrosión
o Montaje
o Dimensiones.
En la etapa de un proyecto de un diseño, se quiere cumplir con los siguientes
Aspectos:
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Estudio de Factibilidad: este es un informe que describe en forma amplia
pero concreta la solución óptima. Un componente importante en los estudios
de factibilidad de la vida real es el COSTO de la solución, pero en esta etapa
no se considera el costo del detalle en sí mismo. La salida de esta etapa es
una recomendación para proceder o abandonar el proyecto.
Preliminares: En esta etapa se efectúan juicios solamente cualitativos sobre
los componentes y recursos para satisfacer las necesidades. Está incluida la
Investigación Operativa la cual es la rama de la matemática que estudia
mediante modelos (algoritmos o ecuaciones) los procesos industriales o
comerciales, tales como planificación, distribución, etc.
Ingeniería de detalles: Comprende todos los detalles necesarios para
desarrollar la etapa de MANUFACTURA. Son los detalles omitidos en la
concepción gruesa del estudio de factibilidad. En la práctica una solución
debe ser primero admitida como factible antes de ser admitida su fabricación.
Las tareas implican una mayor proporción de selecciones cuantitativas con
respecto al tamaño, forma, orientación, etc. Esta es la etapa de los cálculos
más clásicamente difundida por la tradición oral. La salida de esta etapa
conduce a la fabricación del producto.
Investigación y desarrollo: si un diseño se halla en los límites conocidos de
la práctica o ciencia, no sería posible modelar adecuadamente ciertos
aspectos de su comportamiento. Esto involucra experimentación e
introducción de nuevos modelos o ideas de cómo solucionar los aspectos
desconocidos, de forma que diseños basados en estos conceptos o modelos
se hagan con seguridad y confianza.
Ergonomía: Esto se relaciona con la estética, seguridad y facilidad de uso
de los productos. Los principios de ergonomía se utilizan para optimizar la
interacción entre hombre y máquina, facilitando las tareas del primero.
Relaciones industriales: Junto con la salud ocupacional y la seguridad, las
relaciones industriales son partes importantes en la elaboración de un
diseño, ya que tiene que ver con la satisfacción del usuario.
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Ley de Incertidumbre: una de las clásicas leyes de Murphy sugiere “Si algo
puede salir mal, seguramente irá mal y por lo pronto en el peor momento”.
Herramientas de la Ingeniería aplicada al diseño:
Básicas:
o Matemáticas.
o Física.
o Química.
o Informática.
Térmicas:
o Mecánica de los Fluidos.
o Termodinámica
o Transferencia de Calor.
o Aire Acondicionado.
o Refrigeración.
Ingeniería Mecánica básica:
o Mecanismos.
o Tecnología de los Materiales.
o Dibujo Técnico.
o Lenguaje de Experiencias.
Ingeniería Mecánica:
o Mecánica Estática.
o Mecánica Dinámica.
o Resistencia de Materiales.
o Elementos de Maquinas.
Normas.
¿Qué se normaliza?
Los temas a normalizar son tan amplios como la propia diversidad de productos
o servicios.
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La normalización cubre cualquier material, componente, equipo, sistema,
interfaz, protocolo, procedimiento, función, método o actividad.
Normas Regionales:
Normas que han sido elaboradas en el marco de un organismo de normalización
regional, normalmente de ámbito continental, que agrupa a un determinado número
de organismos nacionales de normalización.
El conocimiento de las normas en el diseño:
Los Diseñadores deben conocer las normas de orden Nacional como
Internacionales para la competencia técnica del diseño.
Para un Lenguaje Universal: Es esencial que los diseñadores apliquen las
mismas técnicas, si el dibujo ha de convertirse en un medio confiable para
comunicar teorías e ideas de naturaleza técnica.
Situaciones
Un dibujo elaborado en Estados Unidos debe satisfacer los requisitos
estipulados en diversas publicaciones de normas de dibujo de la ASME.
Si una firma tiene que ver con la mercadotecnia y manufactura
internacionales, las directrices es de la ISO.
Deben respetarse estrictamente
Algunas Normas técnicas:
ASME: Es el acronimo de American Society of Mechanical Engineers
(Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos). Es una asociación
profesional, que además ha generado un código de diseño, construcción,
inspección y pruebas para equipos, entre otros, calderas y recipientes a
presión. Este código tiene aceptación mundial y es usado en todo el mundo.
Hasta el 2006, ASME tenía 120.000 miembros.
ASTM: American Society for Testing Materials, ASTM o ASTM International
es un organismo de normalización de los Estados Unidos. Algunos elementos
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de uso común, tales como los que conectan el contador de agua potable a la
tubería, probablemente están elaborados con un procedimiento de forjado
conforme a ASTM A 105, en la práctica, un acero de buena calidad, mientras
que los tubos quizás respondan a la norma ASTM A 589. Las láminas de
plástico que se usan para envolver los alimentos, si no se rompen,
probablemente han sido fabricadas y comprobadas con la norma ASTM D
682. Las ollas de acero inoxidable, posiblemente respondan a la ASTM A 240
Tp 304 o 321; y si son de calidad superior, cumplirán la norma 316.
DIN: Es el acrónimo de Deutsches Institut für Normung (en español, Instituto
Aleman de Normalización). Una norma DIN de uso habitual es la DIN 476,
que define los formatos (o tamaños) de papel y que ha sido adoptada por la
mayoría de los organismos nacionales de normalización de Europa. Elabora,
en cooperación con el Comercio, la industria, la ciencia, los consumidores e
instituciones públicas, estándares técnicos (normas) para la racionalización
y el aseguramiento de la calidad.
AISI/SAE: La norma AISI/SAE (también conocida por SAE-AISI) es una
clasificación de aceros y aleaciones de materiales no ferrosos.
o AISI es el acrónimo en inglés de American Iron and Steel Institute
(Instituto americano del hierro y el acero),
o SAE es el acrónimo en inglés de Society of Automotive Engineers
(Sociedad de Ingenieros Automotores).
o En 1912, la SAE promovió una reunión de productores y consumidores
de aceros donde se estableció una nomenclatura y composición de
los aceros que posteriormente AISI expandió.
o En este sistema los aceros se clasifican con cuatro dígitos. El primero
especifica la aleación principal, el segundo indica el porcentaje
aproximado del elemento principal y con los dos últimos dígitos se
conoce la cantidad de carbono presente en la aleación
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Materiales
Para el diseño y fabricación se puede emplear varios tipos de materiales
especificados por las normas correspondientes. Entre ellos, los aceros, aluminio,
Latón, Titanio, Bronce, Funciones, entre otros.
Todos los materiales se clasifican en función de sus propiedades y su estructura
atómica:
Metales: tienen buena resistencia, buena ductilidad y formabilidad, buena
conductividad eléctrica y térmica, y una resistencia a la temperatura
moderada
Cerámicos: son resistentes, sirven como buenos aislantes eléctricos y
térmicos; a menudo son resistentes al daño por ambientes corrosivos y
de temperaturas altas, pero son frágiles
Polímeros: tienen una resistencia relativamente baja, no son adecuados
para uso a altas temperaturas, tienen una buena resistencia contra la
corrosión y, al igual que los cerámicos, proporcionan un buen aislamiento
eléctrico y térmico. Los polímeros pueden ser dúctiles o frágiles,
dependiendo si se ha seleccionado un polímero termoplástico o
termoestable.
Materiales Compuestos: son más que mezclas de materiales
pertenecientes a las categorías principales. Son mezclas de materiales
que proporcionan combinaciones únicas de propiedades mecánicas y
físicas que no pueden encontrarse en ningún material por si solo.
Semiconductores: pertenecen a los materiales cerámicos. Poseen
propiedades eléctricas y ópticas únicas que hacen de ellos componentes
esenciales en dispositivos electrónicos y de comunicación.
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En el proceso del Diseño Industrial visto y estructurada una idea o una necesidad
existente en el mercado en el conjunto de información necesario para la realización
completa del producto final es necesario incluir la selección del mejor material.
Proyecto de Diseño
La Figura siguiente se puede apreciar una discriminación de las áreas temáticas
más importantes vinculadas con el diseño mecánico, que tienen por otro lado mayor
peso en el diseño de elementos de máquina. En ella se observan con diferentes
colores los grados de importancia y detalle, en forma análoga al uso del semáforo,
es decir rojo para detenerse (detenimiento implica detalle), verde para seguir de
largo (lo que implica una descripción somera) y amarillo para seguir de largo con
cautela o detenerse selectivamente.
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Las siete líneas temáticas que se vinculan se desgranan a continuación:
1. Componentes para líneas de transmisión
Piezas generales
Ejes y accesorios asociados
Embragues y frenos
Acoplamientos
Engranajes
Cadenas: metálicas y plásticas
Correas: planas, trapezoidales, sincrónicas.
Volantes y levas
Resortes y muelles
Tornillos de apriete y tornillos de movimiento
Uniones por soldadura y pegamento
2. Transmisiones mecánicas de Velocidad Fija
Cajas de engranajes. Relaciones Fijas
Transmisiones de cadenas metálicas
3. Transmisiones mecánicas ajustables
Trenes de engranajes
Transmisiones de tracción y/o arrastre
Transmisiones de pasos variables: correas
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Transmisiones por ejes flexibles
4. Componentes de seguridad para máquinas
Sellos: de compresión, frontales, axiales, inflables, radiales, etc.
Empaques: de compresión
Juntas: metálicas y no metálicas
Diafragmas
5. Motores de combustión interna, eléctricos, etc.
Motores de combustión interna: 2T o 4T
Motores eléctricos
Motores Hidráulicos
6. Lubricación y cojinetes de todo tipo
Fundamentos de Lubricación y Tribología
Cojinetes de fricción: radiales y axiales
Cojinetes de rodadura: Rodamientos
7. Mecanismos: análisis y síntesis cinemática
Mecanismos de 4, 5 y 6 barras
Mecanismos especiales: levas
Síntesis cinemática
Introducción de aspectos dinámicos
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Bibliografía consultada
UTN-FRBB Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Dr. Ing. Marcelo
Tulio Piovan. Versión 2009.
IUPSM, Valencia, Cátedra: Elementos de Máquinas. Profesor: Ing.
Guillermo Bavaresco P.
Mott, R., (2006) Diseño de Elementos de Máquinas, 4ta Edición. Ediciones
Pearson.
Giesecke, Dibujo y comunicación gráfica, tercera edición, Ediciones
Pearson.
Elementos de Máquinas, Universidad de Carabobo, Facultad de Ingeniería,
Escuela de Ingeniería Mecánica, †Danilo Tassoni M. Revisado y terminado
por Giovvanni Pizzella P.
CLASIFICACION DE MATERIALES DE INGENIERIA, Profesor: Ing.
Alberto Carrasco Tineo, UNIVERSIDAD PRIVADA, JUAN MEJÍA BACA.
