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PROCESO DE DISEÑO

El diseño es el proceso de idear un sistema, componente o proceso para satisfacer ciertas necesidades. Esto implica un proceso de toma de decisiones, a menudo iterativo, en el que se aplican los recursos de forma óptima a fin de obtener los objetivos estipulados.

Es importante el concepto óptimo puesto que en general habrá que decidir por compromisos entre características que favorecen ciertos parámetros deseables y sus consecuencias no deseables.

Cuando hablamos de diseño de máquinas, obviamente hablamos de la proyección de estas o de componentes que las forman, y la máquina se define como “combinación de sólidos resistentes, dispuestos de manera que obligan a la fuerza de la naturaleza a efectuar un trabajo, produciéndose ciertos movimientos respuesta en función de movimientos entrada ejecutados y previstos”.

Actualmente la máquina se considera el resultado de un diseño en el que intervienen dos grupos de factores: los de naturaleza completamente mecánica (las piezas y los mecanismos) y otros de naturaleza no mecánica (estética, mercados, …).

El proceso de diseño es complejo, pudiéndose diferenciar las siguientes fases:

fases del diseño

Podemos ver que el proceso empieza con la identificación de una necesidad y la decisión de hacer alguna cosa al respecto. Después de muchos pasos (debido a la iteración), culmina con la presentación de la solución que satisface la necesidad. Veamos en que consiste cada fase:

  • Reconocimiento de la necesidad: normalmente constituye una actividad muy creativa, ya que esta necesidad puede tan solo ser una vaga disconformidad, una sensación de inquietud o la percepción de que alguna cosa no está bien. La necesidad normalmente no es algo evidente, i normalmente descubrimos la necesidad tan solo cuando nos aparece un problema.
  • Definición del problema: este paso debe incluir todas las especificaciones para el objeto que será diseñado, incluyendo las limitaciones. Lo más normal es crear un grafico donde nuestro diseño será una caja y nosotros especificamos las inputs i los outputs junto con sus características y limitaciones. Estas especificaciones definen el coste, el número de objetos que fabricaremos, la vida útil esperada, el alcance, la temperatura a la que funcionará, la confiabilidad, etc. Se deben tener en cuenta también características específicas como la velocidad, el límite de temperatura, el alcance máximo, como esperamos que varíen las variables y limitaciones de espacio y peso entre otras.
    En este apartado también debemos definir las limitaciones. Estas pueden ser tanto limitaciones del proceso de diseño como externas. Muchas veces estas limitaciones vienen dadas por los procesos de fabricación que tengamos disponibles. Otra limitación común es el dinero disponible para realizar el proyecto.
  • Síntesis, análisis y optimización: el proceso de síntesis se conoce como concept design en ingles. En este paso deberemos proponer, investigar y cuantificar diferentes escenarios. A medida que vayamos avanzando deberemos comprobar si el sistema es viable y como funcionará. Estos escenarios que no pasan el análisis deben ser revisados, mejorados o descartados. Y los que tienen potencial se optimizan para determinar el rendimiento máximo que podemos obtener. Como podemos ver estos tres pasos están muy relacionados entre ellos y requieren muchas iteraciones.
  • Evaluación: es el paso final para dar por valido un diseño. Normalmente implica la creación de prototipos en el laboratorio para comprobar que nuestras suposiciones sean correctas (aunque hayamos creado modelo en ordenador). En este paso descubrimos si el diseño realmente satisface la necesidad.
  • Presentación: finalmente nos queda comunicar el diseño final a otras personas. Muchos grandes inventos se han perdido porque sus creadores no han sido capaces de comunicar los resultados a otros. La presentación es un trabajo de venta, debemos demostrar que nuestra solución es la mejor. Si no conseguimos convencerlos, todo el tiempo invertido en el diseño habrá resultado una perdida de tiempo.

Cuando tengamos que trabajar en un diseño, resulta conveniente seguir un procedimiento (para asegurarnos de no olvidarnos nada importante). Si prestamos atención a los siguientes pasos nos ayudarán a organizar nuestras soluciones y técnicas de procedimiento:

  • Entender el problema: definir el problema es posiblemente la parte más importante. Debemos estudiarlo detalladamente hasta estar seguros de entenderlo.
  • Definir la información que tenemos: hacer una lista con las cosas que sabemos seguro.
  • Identificar la información que no sabemos y formular estrategias para resolverlas: además de saber que buscamos, debemos determinar en que orden iremos resolviendo estos problemas para obtener la solución. También debemos escoger el método que utilizaremos para resolver las incógnitas (libros, programas de ordenador, diagramas de fase, etc.).
  • Exponer todas las hipótesis y decisiones: los diseños reales normalmente no tienen una única solución posible. Las elecciones de cosas como materiales o componentes a utilizar requieren toma de decisiones. Los análisis requieren crear un modelo de la parte real que estamos estudiando. Todas estas hipótesis y decisiones deben ser identificadas y guardadas.
  • Analizar el problema: utilizando la estrategia para resolver el problema que hayamos seleccionado anteriormente y teniendo en cuenta las hipótesis y decisiones hechas, debemos analizar el problema. Deberemos referenciar toda la información que utilicemos (tablas, gráficos, programas, etc.) y checkear la credibilidad de nuestros resultados y su orden de magnitud y unidades. Muchas veces podemos ver que nos hemos equivocado si el resultado es desproporcionado.
  • Evaluar la solución: una vez tengamos la solución, debemos observar como cada decisión ha afectado en ella, de esta forma podemos minimizar aquellos efectos negativos e intentar potenciar los positivos. Esto sería la optimización de los resultados.
  • Presentar la solución: aquí es donde resultará importante que sepamos comunicarnos. Estamos vendiendo nuestra idea, nosotros mismos y nuestras habilidades. Si no somos capaces de explicar nuestro trabajo, este puede ser malinterpretada o rechazado.

Como podemos observar este procedimiento se parece mucho a los pasos que hemos de seguir para desarrollar un diseño, por lo que casi siempre esto también será un proceso iterativo.

Para realizar el análisis del diseño es necesario utilizar modelos abstractos que representen matemáticamente el problema. Se trata de representaciones simplificadas de la realidad. Hay que señalar que la validez del modelo dependerá de las simplificaciones realizadas. Y no hay que olvidar nunca que es el modelo lo que se estudia y se analiza, y no el sistema real. El modelo ha de reproducir el comportamiento del sistema en aquellos aspectos que sean relevantes. El modelo es una etapa de especial relevancia, que exige del técnico grandes conocimientos de sistemas mecánicos y experiencia. Para corroborar los resultados de los modelos y asegurar su validez pueden realizarse a posteriori ensayos sobre prototipos. El proceso de análisis puede esquematizarse de la siguiente forma:

proceso de analisis

Otro factor importante en el diseño es escoger las consideraciones de diseño. Estas consideraciones de diseño son características que influyen en el elemento diseñado, y son por tanto condicionantes a tener en cuenta para el diseño. Son ejemplos de condicionantes los siguientes:

condicionantes del diseño

De entre todas estas consideraciones mencionadas hay una que es especialmente importante en la sociedad de mercado en que vivimos. Esta corresponde al coste. A este respecto existen algunas reglas generales que pueden aplicarse para minimizar el coste del diseño.

  • Utilizar elementos estandarizados: se encuentran fácilmente y son más baratos que los fabricados expresamente para nuestro diseño. Además, sobre ellos se han realizado muchos ensayos, lo cual aumenta la fiabilidad del producto.
  • Utilizar tolerancias amplias: la utilización de tolerancias innecesariamente estrechas encarece considerablemente la fabricación del producto.
  • Realizar estimaciones de costes: para evaluar las distintas alternativas de diseño.

Otro aspecto que debemos tener en cuenta son las condiciones de diseño. Estas condiciones vienen recogidas en distintos códigos y normas por diversas asociaciones. Es importante seguir estas especificaciones ya que permiten dar uniformidad, eficiencia, calidad, seguridad y buen funcionamiento en general, además son obligatorias para poder comercializar nuestro producto.

Durante el proceso de diseño mecánico, uno de los condicionantes fundamentales es que el sistema sea capaz de resistir o soportar los esfuerzos a que se ve sometido. Para obtener un diseño que cumpla estos condicionantes se pueden utilizar dos métodos: el “directo” y el de “prueba y error” o “indirecto”.

En el método directo partimos de que conocemos los esfuerzos y el material y a partir de aquí resolvemos matemáticamente el modelo que creemos y encontramos las dimensiones mínimas y cualquier otra cosa que nos interese. Una vez sabemos el mínimo podemos ir a un catálogo y escoger dimensiones estándares de piezas normalizadas para reducir costes.

metodo directo

En cambio en el sistema indirecto también partimos de que conocemos los esfuerzos y el material, pero también escogemos unas dimensiones iniciales. Con este método lo que encontramos es un parámetro que cuantifica la resistencia (factor de seguridad), es decir nos dice si nuestro diseño aguantará. Si este factor es muy grande se pueden reducir las dimensiones o si es muy pequeño aumentarlas.

metodo indirecto
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