IMPORTANCIA DEL DISEÑO

El diseño mecánico ha tenido un papel protagónico en el avance de la tecnología. Sólo a través de éste se pueden desarrollar adecuadamente componentes y sistemas tales como sillas, máquinas herramientas, electrodomésticos, puentes, edificaciones, automóviles y naves espaciales. Es gracias a los conocimientos en ingeniería mecánica que podemos predecir con cierta exactitud los comportamientos de las estructuras y máquinas y que podemos diseñar éstas para que dichos comportamientos sean los requeridos. El proceso de diseño debe ser planeado adecuadamente para obtener resultados satisfactorios, ya que depende de muchos factores. Se tienen que tomar decisiones en cuanto a los materiales con que se construirán los elementos, geometrías, dimensiones, tratamientos termoquímicos y superficiales, métodos de manufactura y costos, entre otros. En general, no existe una solución única para satisfacer una necesidad, por lo que se deben considerar los diferentes aspectos y criterios para obtener una solución óptima o, por lo menos, adecuada. 

El diseño de ingeniería es el área que tiene que ver con el proceso completo, desde la identificación de la necesidad hasta la construcción del dispositivo. Aquí hablaremos brevemente del diseño de ingeniería, y en los capítulos restantes se estudia el diseño mecánico, que tiene que ver con la aplicación de conceptos de la mecánica de sólidos. 

Actualmente, muchas compañías del mundo están muy interesadas en invertir en diseño. El ciclo de vida de un producto muestra que las ventas de productos antiguos tienden a reducirse, y los productos innovadores de los competidores tienden a acelerar este proceso. Por tanto, las compañías tienen que invertir en el diseño de nuevos productos si quieren mantenerse en el mercado y obtener utilidades. El diseño debe ser muy efectivo y eficiente con el fin de reducir costos, esfuerzos y tiempo para introducir los productos en el mercado.

¿QUÉ ES DISEÑO?

El diseño se ocupa de la creación de algo (un dispositivo, producto o sistema), el cual puede ser completamente nuevo o consistir de un componente modificado. De acuerdo con esto, se puede hablar de tres tipos de diseño[1]:

(a) Original, que consiste en la elaboración de algo por medio de un principio original. 

(b) Adaptativo, que implica la aplicación de un sistema conocido a una nueva área, pero el principio de solución sigue siendo el mismo. 

(c) De variante, que consiste en hacer variaciones de ciertos aspectos de un sistema, pero la función y el principio de solución siguen siendo los mismos.

OBJETIVOS DEL DISEÑO 

El objetivo del diseño es satisfacer una necesidad. Los automóviles han sido diseñados debido a la necesidad de transportarnos de un sitio a otro con cierta comodidad y rapidez; los vehículos de carga se necesitan para el transporte de grandes cantidades de carga; las naves espaciales se requieren para explorar el espacio. Sólo desde el siglo pasado las exigencias del diseño han sido tan enormes. Inicialmente se construía toda clase de dispositivos, con el fin casi único de satisfacer la necesidad. Actualmente, esto se debe hacer con los menores costos, con la mayor funcionalidad y la mejor apariencia, entre muchos otros criterios. Es decir, las exigencias de nuestro mundo competitivo son ahora mucho mayores; se requieren soluciones “óptimas”, que cumplan de la mejor manera posible los requerimientos actuales: funcionalidad; calidad; bajos costos; buena apariencia; durabilidad; facilidad de manufactura, ensamble, mantenimiento, montaje y reciclaje; estandarización; bajo peso; confiabilidad. Entonces, el diseño es una actividad riesgosa y compleja que debe realizarse de una manera sistemática.

PROCESO DE DISEÑO

Introducción 

El diseño consiste en una secuencia de actividades realizadas para definir completamente una idea, un nuevo sistema o dispositivo. La palabra “definir” se entiende como la generación de todas las descripciones y especificaciones necesarias para el nuevo sistema que se creará. El diseño moderno es un proceso de ingeniería de toma de decisiones, iterativo y complejo. Las necesidades son más complicadas que antes y, por lo general, son mal definidas. Además, se deben tener en cuenta más criterios, tales como el precio, los costos, los tiempos (de introducción del producto, de elaboración del sistema, etc.), la apariencia y la facilidad de manufactura, montaje y mantenimiento. 

Debido a este tipo de complejidades y presiones, las empresas están adoptando el enfoque de ingeniería concurrente con el fin de mejorar el proceso de diseño. Éste tiene que hacerse bien, en el menor tiempo y teniendo en cuenta todos los criterios necesarios. La ingeniería concurrente es una estrategia moderna que hace hincapié en la necesidad de diseñar un producto de alta calidad, con el menor esfuerzo, tiempo y costo. Esto se logra mediante el uso de herramientas y técnicas tales como CAD (diseño asistido por computador), CAM (manufactura asistida por computador), sincronización de las actividades relativas al desarrollo de un nuevo producto (mercadeo, diseño, plan de trabajo, preparación de las ventas) y el uso de equipos multidisciplinarios (personas de ventas, de fabricación, de diseño y de mantenimiento, entre otras). 

Existen muchos modelos que se han propuesto para representar el proceso de diseño. Sin embargo, éste es complejo y no se puede ceñir a un esquema rígido. El diseño comienza con una necesidad o un problema, con sus objetivos, criterios y limitaciones. Se puede proseguir con cuatro etapas[2]:

(a) Exploración de alternativas 

(b) Generación de ideas 

(c) Evaluación de alternativas 

(d) Desarrollo y comunicación del diseño

Exploración de alternativas 

Al comienzo del proceso, el diseñador se enfrenta a un problema mal definido. Tanto éste como las soluciones no han sido exploradas, y hay que entenderlas bien para poder llegar a una solución satisfactoria. Por lo tanto, en esta etapa se explora el problema, se define mejor y se buscan soluciones tentativas. Esta etapa, al igual que la siguiente, suele estar acompañada de bocetos, y es crucial ya que la dirección del diseño se verá afectada por esta búsqueda preliminar.

Generación de ideas 

El diseñador procede con otra tarea difícil, la generación de soluciones. Esta etapa requiere un gran esfuerzo. Depende, en parte, de la capacidad del diseñador para desarrollar algo nuevo, combinar ideas nuevas o viejas y hacer modificaciones a dispositivos existentes. Además, depende de las herramientas disponibles, tales como las computacionales y bases de conocimiento que ayudan en la generación de conceptos. El adecuado uso de la información y las metodologías permiten al diseñador hacer un buen diseño. El resultado de este paso es un conjunto de propuestas.

Evaluación de alternativas 

Las propuestas tienen que ser comprobadas con el fin de encontrar posibles problemas y para asegurar que el comportamiento del nuevo diseño será apropiado. La evaluación toma tiempo y es normalmente iterativa, ya que el diseñador tiene que hacer cambios que pueden afectar el desempeño de los demás componentes. La decisión puede llegar a ser complicada, ya que hay que poner en la balanza los diferentes criterios, objetivos y restricciones, así como la interdependencia entre ellos. El objetivo final de esta etapa es la selección del diseño óptimo, o al menos uno satisfactorio.

Desarrollo y comunicación 

El resultado del proceso es la creación de una descripción completa del diseño o especificaciones, tales como las dimensiones exactas, tipos de acabados superficiales, materiales, tolerancias, colores, tratamientos y operaciones a realizar (fabricación, montaje). Esta descripción debe ser completa y entendible para los que van a construir el nuevo dispositivo. Algunas formas de comunicar los diseños son planos, prototipos físicos o virtuales, listas de componentes, especificaciones para el proceso de fabricación y códigos de control numérico. Después de esto vienen otras etapas como manufactura, empaque, transporte, venta y servicios posventa.

Modelo de French 

En la figura 1.1 se muestra un modelo del proceso de diseño un poco más detallado, basado en las siguientes actividades: análisis del problema, diseño conceptual, desarrollo de diseños y diseño de detalle. Estas actividades son en esencia las mismas que las del modelo anterior. El modelo se muestra como un diagrama de flujo en el que los círculos representan etapas alcanzadas (salidas) y los rectángulos representan las actividades.

En particular, en el diseño de detalle se definen un gran número de detalles (pequeños o grandes), y es en éste donde se hacen cálculos de verificación de resistencia, entre otros, los cuales se estudian en este libro.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Protecciones o sistemas de seguridad 

Es conveniente preguntarse qué efectos negativos puede tener la falla del sistema y cómo se pueden atenuar o eliminar. Por tanto, es ventajoso diseñar sistemas alternos o de seguridad que permitan el funcionamiento de la máquina o estructura en caso de una falla e impidan una consecuencia perjudicial. Por ejemplo, en los aviones existen sistemas de respaldo que se ponen en funcionamiento una vez ocurre una falla en algún sistema principal. En sistemas de fluido se suele usar una bomba en “stand-by”, de tal manera que si falla la bomba principal, la segunda se pone en funcionamiento mientras se resuelve el problema con la primera. En ciertos sistemas críticos donde se prevea crecimiento de grietas, tales como en los fuselajes de los aviones, se usan paragrietas o refuerzos que detienen o retrasan el crecimiento de grietas que pueden crecer inestablemente.

Normas 

Es indispensable también que para cada diseño, se determinen cuáles son las normas que pueden aplicarse (ya sea de obligatorio cumplimiento o no). Dichas normas se deberían consultar para cumplir las que son obligatorias y como un soporte adicional para aquellas que no lo son.