Artículo 2.1 Introducción y sinopsis

Capitulo 2

El proceso de diseño

2.1 Introducción y sinopsis

Es un diseño mecánico con el que nos preocupamos principalmente aquí; se trata de los principios físicos, el funcionamiento adecuado y la producción de sistemas mecánicos. Esto no significa que ignoremos el diseño industrial, que habla de patrón, color, textura y (sobre todo) atractivo para el consumidor, pero eso viene después. El punto de partida es un buen diseño mecánico y las formas en que la selección de materiales y procesos contribuyen a ello.

Nuestro objetivo es desarrollar una metodología para seleccionar materiales y procesos que estén dirigidos por el diseño; es decir, la selección usa, como entradas, los requisitos funcionales del diseño. Para hacerlo, primero debemos mirar brevemente el diseño en sí. Al igual que la mayoría de los campos técnicos, está incrustado en su propia jerga especial, parte de la cual limita con lo incomprensible. Necesitamos muy poco, pero no se puede evitar todo. Este capítulo presenta algunas de las palabras y frases (el vocabulario) del diseño, las etapas en su implementación y las formas en que la selección de materiales se relaciona con estos.

2.2 El proceso de diseño

El punto de partida es una necesidad del mercado o una idea nueva; el punto final es la especificación completa del producto de un producto que satisfaga la necesidad o encarne la idea. Se debe identificar una necesidad antes de que se pueda cumplir. Es esencial definir la necesidad precisamente, es decir, formular una declaración de necesidad, a menudo en la forma: '' se requiere un dispositivo para realizar la tarea X '', expresada como un conjunto de requisitos de diseño. Los escritores en diseño enfatizan que la declaración y su elaboración en los requisitos de diseño deben ser neutrales a la solución (es decir, no deben implicar cómo se realizará la tarea), para evitar el pensamiento limitado limitado por preconcepciones. Entre la declaración de necesidad y la especificación del producto se encuentra el conjunto de etapas que se muestra en la Figura 2.1: las etapas de los diseños conceptuales, de realización y detallados, explicados en un momento.

El producto en sí se llama sistema técnico. Un sistema técnico consiste en subconjuntos y componentes, ensamblados de una manera que realiza la tarea requerida, como en el desglose de la Figura 2.2. Es como describir un gato (el sistema) formado por una cabeza, un cuerpo, una cola, cuatro patas, etc. (los subconjuntos), cada uno compuesto por componentes: fémures, cuádriceps, garras, pelaje. Esta descomposición es una forma útil de analizar un diseño existente, pero no es de mucha ayuda en el proceso de diseño en sí, es decir, en la síntesis de nuevos diseños. Mejor, para este propósito, se basa en las ideas del análisis de sistemas. Piensa en las entradas, flujos y salidas de información, energía y materiales, como en la Figura 2.3. El diseño convierte las entradas en las salidas. Un motor eléctrico convierte electricidad en energía mecánica; una prensa de forja toma y reforma el material; una alarma antirrobo recopila información y la convierte en ruido. En este enfoque, el sistema se divide en subsistemas conectados, cada uno de los cuales realiza una función específica, como en la Figura 2.3; la disposición resultante se llama función-estructura o descomposición de funciones del sistema. Es como describir a un gato como un enlace apropiado de un sistema respiratorio, un sistema cardiovascular, un sistema nervioso, un sistema digestivo, etc. Los diseños alternativos vinculan las funciones de la unidad de formas alternativas, combinan funciones o las dividen. La función-estructura proporciona una forma sistemática de evaluar las opciones de diseño.

El diseño procede desarrollando conceptos para realizar las funciones en la estructura de funciones, cada una basada en un principio de funcionamiento. En esta etapa, el diseño conceptual, todas las opciones están abiertas: el diseñador considera los conceptos alternativos y las formas en que estos se pueden separar o combinar. La siguiente etapa, encarnación, toma los conceptos prometedores y busca analizar su operación en un nivel aproximado. Esto implica dimensionar los componentes y seleccionar los materiales que funcionarán correctamente en los rangos de tensión, temperatura y ambiente sugeridos por los requisitos de diseño, examinando las implicaciones para el rendimiento y el costo. La etapa de realización finaliza con un diseño factible, que luego se pasa a la etapa de diseño detallado. Aquí se elaboran las especificaciones para cada componente. Los componentes críticos pueden someterse a un análisis mecánico o térmico preciso. Los métodos de optimización se aplican a componentes y grupos de componentes para maximizar el rendimiento. Se realiza una elección final de geometría y material, y se analizan y miden los costos de los métodos de producción. La etapa finaliza con una especificación de producción detallada.

Todo eso suena bien y bien. Si solo fuera tan simple. El proceso lineal sugerido por la Figura 2.1 oscurece el fuerte acoplamiento entre las tres etapas. Las consecuencias de las decisiones tomadas en las etapas del concepto o la realización pueden no ser aparentes hasta que se examine el detalle. La iteración, el retorno para explorar alternativas, es una parte esencial del proceso de diseño. Piense en cada una de las muchas opciones posibles que se podrían hacer como una matriz de blobs en el espacio de diseño como lo sugiere la Figura 2.4. Aquí C1, C2,. . . son conceptos posibles, y E1, E2,. . . , y D1, D2,. . . son posibles formas de realización y elaboraciones detalladas de ellos. Luego, el proceso de diseño se convierte en crear rutas, vinculando blobs compatibles, hasta que se establece una conexión desde la parte superior ("necesidad del mercado") hasta la parte inferior ("especificación del producto"). Los caminos de prueba tienen callejones sin salida, y vuelven a conectarse. Es como encontrar una pista en un terreno difícil, puede ser necesario retroceder muchas veces si, al final, vamos a avanzar. Una vez que se encuentra una ruta, siempre es posible hacer que se vea lineal y lógica (y muchos libros lo hacen), pero la realidad se parece más a la Figura 2.4, no a la Figura 2.1. Por lo tanto, una parte clave del diseño, y de la selección de materiales para ello, es la flexibilidad, la capacidad de explorar alternativas rápidamente, manteniendo el panorama general y los detalles enfocados. Nuestro enfoque en capítulos posteriores está en la selección de materiales y procesos, donde surge exactamente la misma necesidad. Esto requiere un mapeo simple de los "reinos" de materiales y procesos que permiten un estudio rápido de las alternativas y al mismo tiempo proporcionan detalles cuando es necesario. Los cuadros de selección del Capítulo 4 y los métodos del Capítulo 5 ayudan a hacer esto.

Descrito en el resumen, estas ideas no son fáciles de entender. Un ejemplo ayudará - viene en la Sección 2.6. Primero, un vistazo a los tipos de diseño.

2.3 Tipos de diseño.

No siempre es necesario comenzar, por así decirlo, desde cero. El diseño original sí: implica una nueva idea o principio de funcionamiento (el bolígrafo, el disco compacto). Los nuevos materiales pueden ofrecer nuevas y únicas combinaciones de propiedades que permiten el diseño original. Por lo tanto, el silicio de alta pureza habilitó el transistor; vidrio de alta pureza, la fibra óptica; imanes de alta fuerza coercitiva, el auricular en miniatura, láser de estado sólido el disco compacto. A veces, el nuevo material sugiere el nuevo producto; a veces, en cambio, el nuevo producto exige el desarrollo de un nuevo material: la tecnología nuclear impulsó el desarrollo de una serie de nuevas aleaciones basadas en zirconio y aceros inoxidables de bajo carbono; la tecnología espacial estimuló el desarrollo de compuestos ligeros; la tecnología de turbinas de hoy impulsa el desarrollo de aleaciones y cerámicas de alta temperatura.

El diseño adaptativo o de desarrollo toma un concepto existente y busca un avance incremental en el rendimiento mediante un refinamiento del principio de funcionamiento. Esto también es posible gracias a la evolución de los materiales: polímeros que reemplazan a los metales en los electrodomésticos; fibra de carbono que reemplaza a la madera en artículos deportivos. El electrodoméstico y el mercado de artículos deportivos son grandes y competitivos. Los mercados aquí con frecuencia se han ganado (y perdido) por la forma en que el fabricante ha adaptado el producto explotando nuevos materiales.

El diseño de variantes implica un cambio de escala o dimensión o detalle sin cambio de función o el método para lograrlo: la ampliación de calderas, o de recipientes a presión, o de turbinas, por ejemplo. El cambio de escala o las circunstancias de uso pueden requerir el cambio de material: las embarcaciones pequeñas están hechas de fibra de vidrio, las naves grandes están hechas de acero; las pequeñas calderas están hechas de cobre, grandes de acero; los planos subsónicos están hechos de una aleación, supersónica de otra; y por buenas razones, detalladas en capítulos posteriores.

2.4 Herramientas de diseño y datos de materiales

Para implementar los pasos de la Figura 2.1, se usan herramientas de diseño. Se muestran como entradas, unidas a la izquierda de la columna vertebral principal de la metodología de diseño en la Figura 2.5. Las herramientas permiten modelar y optimizar un diseño, aliviando los aspectos rutinarios de cada fase. Los modeladores de funciones sugieren estructuras funcionales viables. Los optimizadores de configuración sugieren o refinan las formas. Los paquetes de modelado geométrico y 3D permiten la visualización y creación de archivos que se pueden descargar a sistemas de fabricación y prototipos controlados numéricamente. Optimización, DFM, DFA y software de estimación de costos permite refinar los aspectos de fabricación. Los paquetes de elementos finitos (FE) y dinámica de fluidos computacional (CFD) permiten un análisis mecánico y térmico preciso incluso cuando la geometría es compleja y las deformaciones son grandes. Hay una progresión natural en el uso de las herramientas a medida que el diseño evoluciona: análisis aproximado y modelado en la etapa conceptual; modelado y optimización más sofisticados en la etapa de encarnación; y un análisis preciso ('' exacto '' - pero nada es eso nunca) en la etapa de diseño detallado.

La selección de materiales entra en cada etapa del diseño. La naturaleza de los datos necesarios en las primeras etapas difiere mucho en su nivel de precisión y amplitud de lo que se necesita más adelante (Figura 2.5, lado derecho). En la etapa conceptual, el diseñador requiere valores de propiedad aproximados, pero para la gama más amplia posible de materiales. Todas las opciones están abiertas: un polímero puede ser la mejor opción para un concepto, un metal para otro, aunque la función sea la misma. El problema, en esta etapa, no es precisión y detalle; es la amplitud y la velocidad de acceso: ¿cómo se puede presentar la amplia gama de datos para dar al diseñador la mayor libertad para considerar alternativas?

En la etapa de encarnación, el paisaje se ha reducido. Aquí necesitamos datos para un subconjunto de materiales, pero con un mayor nivel de precisión y detalle. Estos se encuentran en los manuales y software más especializados que tratan con una única clase o sub clase de materiales: metales, o simplemente aleaciones de aluminio, por ejemplo. El riesgo ahora es perder de vista la mayor cantidad de materiales a los que debemos regresar si los detalles no funcionan; es fácil quedar atrapado en una sola línea de pensamiento, un solo conjunto de '' conexiones '' en el sentido descrito en la última sección, cuando otras combinaciones de conexiones ofrecen una mejor solución al problema de diseño.

La etapa final del diseño detallado requiere un nivel todavía mayor de precisión y detalle, pero solo para uno o muy pocos materiales. Dicha información se encuentra mejor en las hojas de datos emitidas por los propios productores de materiales y en las bases de datos detalladas para clases de materiales restringidos. Un material dado (polietileno, por ejemplo) tiene una gama de propiedades que se derivan de las diferencias en la forma en que lo hacen los diferentes productores. En la etapa de diseño detallado, se debe identificar a un proveedor y se deben usar las propiedades de su producto en los cálculos de diseño; que de otro proveedor puede tener propiedades ligeramente diferentes. Y a veces incluso esto no es lo suficientemente bueno. Si el componente es crítico (lo que significa que su falla podría ser desastrosa en algún sentido u otro), puede ser prudente llevar a cabo pruebas internas para medir las propiedades críticas, utilizando una muestra del material que se utilizará. Ser utilizado para hacer el producto mismo.

Es como elegir una bicicleta. Primero decide qué concepto se adapta mejor a sus necesidades (bicicleta de calle, bicicleta de montaña, carreras, plegado, compras, reclinables, ...), limitando la elección a un subconjunto. Luego viene el siguiente nivel de detalle. ¿Qué material de marco? ¿Qué engranajes? ¿Qué tipo de frenos? ¿Qué forma de manillar? En este punto, considera la compensación entre el rendimiento y el costo, identificando (generalmente con algún compromiso) un pequeño subconjunto que cumpla con sus deseos y su presupuesto. Finalmente, si su bicicleta es importante para usted, busque más información en revistas de bicicletas, literatura de fabricantes o las opiniones de entusiastas, y pruebe usted mismo las bicicletas candidatas. Y si no te gustan, retrocedes uno o más pasos. Solo cuando se encuentra una coincidencia entre su necesidad y un producto disponible, realiza una selección final.

La entrada de materiales no termina con el establecimiento de la producción. Los productos fallan en el servicio y los fallos contienen información. Es un fabricante imprudente que no recopila ni analiza datos sobre fallas. A menudo esto apunta al mal uso de un material, que el rediseño o la re-selección puede eliminar.

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