FASES E INTERACCIONES DEL PROCESO DE DISEÑO 

¿Qué es el proceso de diseño? ¿Cómo comienza? ¿El ingeniero simplemente se sienta en la silla de su escritorio con una hoja de papel en blanco y anota algunas ideas? ¿Qué sucede a continuación? ¿Qué factores influyen o controlan las decisiones que deben tomarse? Por último, ¿cómo termina el proceso de diseño? 

El proceso de diseño completo, de principio a fin, que a menudo se bosqueja como se muestra en la figura 1-1, comienza con la identificación de una necesidad y la decisión de resolverla, después de muchas iteraciones, termina con la presentación de los planes para satisfacerla. De acuerdo con la naturaleza de la tarea de diseño, algunas fases se repiten durante la vida del producto, desde la concepción hasta la terminación. En las siguientes secciones se examinarán con más detalle estos pasos del proceso de diseño. 

El proceso de diseño comienza con la identificación de una necesidad. El reconocimiento y la expresión de ésta constituyen un acto muy creativo, porque la necesidad quizá sólo sea una vaga inconformidad, un sentimiento de inquietud o la sensación de que algo no está bien. A menudo la necesidad no es del todo evidente; el reconocimiento se acciona por una circunstancia adversa o por un conjunto de circunstancias aleatorias que se originan casi de manera simultánea. Por ejemplo, la necesidad de hacer algo acerca de una máquina de empaque de alimentos se manifiesta por el nivel de ruido, la variación en el peso del paquete y por alteraciones ligeras pero perceptibles en la calidad del paquete o envoltura. 

Hay una diferencia notable entre el enunciado de la necesidad y la identificación del problema. La definición del problema es más específica y debe incluir todas las especificaciones del objeto que va a diseñarse. Las especificaciones son las cantidades de entrada y salida, las características y dimensiones del espacio que el objeto debe ocupar y todas las limitaciones sobre estas cantidades. Puede considerarse al objeto que va a diseñarse como algo dentro de una caja negra. En este caso deben especificarse las entradas y salidas de la caja, junto con sus características y limitaciones. Las especificaciones definen el costo, la cantidad que se va a manufacturar, la vida esperada, el intervalo, la temperatura de operación y la confiabilidad. Las características específicas son las velocidades, avances, limitaciones de la temperatura, los rangos máximos, las variaciones esperadas en las variables, las limitaciones dimensionales y de peso, etcétera

Hay muchas especificaciones implicadas que resultan del entorno particular del diseñador o de la naturaleza del problema. Los procesos de manufactura disponibles, junto con las instalaciones de una cierta planta, constituyen restricciones a la libertad del diseñador y de aquí que sean parte de las especificaciones implicadas. Es posible que una planta pequeña, por ejemplo, no posea maquinaria para trabajo en frío. Debido a que conoce esta circunstancia, el diseñador puede seleccionar otros métodos de procesamiento de metal que se puedan realizar en la planta. Las habilidades de trabajo disponibles y la situación competitiva también constituyen restricciones implícitas. Cualquier cosa que limite la libertad de elección del diseñador constituye una restricción. Por ejemplo, muchos materiales y tamaños se incluyen en los catálogos de los proveedores, pero no todos pueden conseguirse con facilidad y suelen ser escasos. Además, por razones económicas los fabricantes tienen en existencia un inventario limitado de materiales y tamaños. En la sección 1-17 se da un ejemplo de especificaciones relativas al caso de estudio de una transmisión de potencia que se sigue a lo largo de todo el texto. 

Algunas veces, a la síntesis de un esquema que conecta elementos posibles del sistema se le llama invención del concepto o diseño conceptual. Éste es el primer y más importante paso en la tarea de la síntesis. Varios esquemas de solución deben proponerse, investigarse y cuantificarse en términos de medidas establecidas.1 A medida que el desarrollo del esquema progresa se deben realizar análisis para evaluar si el desempeño del sistema es satisfactorio, y si lo es, cuán bien se desempeñará. Los esquemas de solución del sistema que no sobreviven al análisis se revisan, se mejoran o se desechan. Los que cuentan con el mayor potencial se optimizan para determinar el mejor desempeño. Los esquemas en competencia se comparan de manera que se pueda elegir el camino que conduzca al producto más competitivo. En la figura 1-1 se muestra que la síntesis, el análisis y la optimización están relacionados en forma íntima e iterativa.

Es posible observar, y debe destacarse, que el diseño es un proceso iterativo en el cual se procede a través de varios pasos, se evalúan los resultados y luego se regresa a una fase previa del procedimiento. De esta manera es posible sintetizar varios componentes de un sistema, analizarlos y optimizarlos y regresar a la síntesis para ver qué efectos tiene sobre las partes restantes del sistema. Por ejemplo, el diseño de un sistema para transmitir potencia requiere que se preste atención al diseño y la selección de los elementos individuales que lo componen (engranes, cojinetes, eje). Sin embargo, como sucede con frecuencia en el diseño, estos componentes no son independientes. Con el propósito de diseñar el eje para el esfuerzo y la deflexión, es necesario conocer las fuerzas aplicadas. Si éstas se transmiten a través de engranes es necesario conocer las especificaciones de éstos para determinar las fuerzas que se transmitirán hacia el eje. Pero los engranes comerciales se encuentran en el mercado con ciertos tamaños de diámetro interior, lo que requiere un conocimiento de los diámetros necesarios para introducir el eje. Resulta claro que deberán hacerse estimaciones gruesas para poder avanzar en el proceso, refinando e iterando hasta que se obtenga un diseño final que sea satisfactorio para cada componente individual así como para las especificaciones de diseño generales. A lo largo del texto se elaborará este proceso para el caso de estudio de un diseño de transmisión de potencia. 

Tanto el análisis como la optimización requieren que se construyan o desarrollen modelos abstractos del sistema que admitirá alguna forma de análisis matemático. A estos modelos se les llama modelos matemáticos. Cuando se desarrollan se espera que sea posible encontrar uno que simule muy bien al sistema físico real. Como se indica en la figura 1-1, la evaluación es una fase significativa del proceso de diseño total. La evaluación representa la prueba final de un diseño exitoso y, por lo general, implica la prueba del prototipo en el laboratorio. Aquí se desea descubrir si el diseño en verdad satisface las necesidades. ¿Es confiable? ¿Competirá exitosamente con productos similares? ¿Es económica su manufactura y uso? ¿Se mantiene y se calibra con facilidad? ¿Se puede obtener una ganancia por su venta o uso? ¿Cuán probable es que el producto propicie demandas legales? ¿Se obtiene un seguro con sencillez y a bajo costo? ¿Qué tan probable es que se requiera hacer un llamado para reemplazar partes o sistemas defectuosos? El diseñador del proyecto o el equipo de diseño deberán hacer frente a un gran número de preguntas que tendrán o no relación con la ingeniería. 

La presentación y comunicación de los resultados a otros es el paso final y vital del proceso de diseño. Sin duda, muchos grandes diseños, invenciones y trabajos creativos se han perdido para la posteridad sólo porque sus creadores no fueron capaces o no estuvieron dispuestos a explicar sus logros a otros. La presentación es un trabajo de venta. El ingeniero cuando presenta una nueva solución al personal administrativo, gerencial o de supervisión, está tratando de vender o de probarles que la solución que él propone es la mejor. A menos que lo anterior se pueda hacer de manera exitosa, el tiempo y el esfuerzo empleado en obtener la solución en gran parte se habrán desperdiciado. Cuando los diseñadores venden una idea nueva, también se venden a sí mismos. Si tienen éxito en la venta de ideas, diseños y soluciones nuevas a la gerencia, comienzan a recibir aumentos salariales y promociones; de hecho, así es como cualquiera tiene éxito en su profesión.

Consideraciones de diseño Algunas veces la resistencia que requiere un elemento de un sistema significa un factor importante para determinar su geometría y dimensiones. En esa situación se dice que la resistencia es una consideración de diseño importante. Cuando se emplea la expresión consideración de diseño se involucra de manera directa alguna característica que influye en el diseño del elemento, o tal vez en todo el sistema. A menudo se deben considerar muchas de esas características en una situación de diseño dada. Entre las más importantes se mencionan (no necesariamente en orden de importancia):

1. Funcionalidad 

2. Resistencia/esfuerzo 

3. Distorsión/deflexión/rigidez 

4. Desgaste 

5. Corrosión 

6. Seguridad 

7. Confiabilidad 

8. Facilidad de manufactura 

9. Utilidad 

10. Costo 

11. Fricción 

12. Peso 

13. Vida 

14. Ruido 

15. Estilo 

16. Forma 

17. Tamaño 

18. Control 

19. Propiedades térmicas 

20. Superficie 

21. Lubricación 

22. Comercialización 

23. Mantenimiento 

24. Volumen 

25. Responsabilidad legal 

26. Capacidad de reciclado/recuperación de recursos

Algunas de estas propiedades se relacionan de manera directa con las dimensiones, el material, el procesamiento y la unión de los elementos del sistema. Ciertas características pueden estar interrelacionadas, lo que afecta la configuración del sistema total.