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Ap Introdiseño

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  • 1. INTRODUCCION AL DISEÑO MECÁNICO Julio Vergara Aimone ICM 2312
  • 2. TEMARIO DEFINICIONES ÁREAS DE DISEÑO PROCESO DE DISEÑO FACTORES EN COMPROMISO CONCLUSIONES
  • 3. INTRODUCCIÓN Diseño tiene varios significados según el usuario. Para algunos es el plan inicial; para otros un mo- delo final. Para algunos ser un producto tangible (i.e. una licuadora); para otros puede ser un con- cepto abstracto (i.e. una marca corporativa) o un sistema complejo (i.e. plan de transporte urbano). Para unos será un instrumento funcional (i.e. ve- hículo); para otros un producto estético (i.e. arte, vestido, o un perfume). Para unos es sustantivo (producto); para otros es verbo (proceso), o am- bos. Todos requieren “creatividad”. J.Vergara ICM2312
  • 4. INTRODUCCIÓN Algunas preguntas a responder son:  ¿qué significa diseño?,  ¿qué significa diseño mecánico?  ¿qué significa diseño de máquinas?  ¿qué significa diseño en ingeniería mecánica?  ¿cómo se relaciona con el diseño industrial?  ¿cómo se relaciona con el diseño de productos? J.Vergara ICM2312
  • 5. INTRODUCCION “Un buen producto debe ser discreto. El diseño no es moda” Ferry Porsche, creador del 911 Para muchos, el diseño de un auto es la estética. Para un ingeniero comercial, el diseño de un auto es un medio para capturar a un segmento de mer- cado asociado al producto, de cierto costo o cali- dad, definiendo una renta sostenible a una firma. Para un ingeniero industrial o un gerente de una firma de automóviles o un planificador urbano, es concretar una demanda de movilidad acorde a los requerimientos de cierto usuario. J.Vergara ICM2312
  • 6. INTRODUCCION Para los ingenieros (mecánicos), la apariencia del auto no importa tanto con su desempeño de segu- ridad, velocidad, autonomía, consumo de combus- tible, durabilidad, capacidad de carga y pasajeros, peso, tamaño, etc.. Su apariencia es secundaria. ¿Quién tiene la razón?...... Todos. Los clientes del auto también serán muy distintos, unos lo usarán para moverse, otros para invertir, otros para su satisfacción personal, otros para aparentar poder o riqueza: necesidades amplias. J.Vergara ICM2312
  • 7. INTRODUCCION Todo se “diseña”. Se diseña un automóvil, se di- seña una casa, se diseña un estampado o un ves- tido, se diseña una máquina, se diseña un buque, se diseña un submarino (que poco se parece a un buque), se diseña una fuerza de tarea, se diseña una estrategia, se diseña esta página (Powerpoint tiene una barra completa que dice “diseño”), etc. El término diseño tiene varios significados. Se usa y traslapa con artes aplicadas, ingeniería, tecnolo- gía, arquitectura y otras disciplinas creativas, y por ende se suele asociar a un proceso. J.Vergara ICM2312
  • 8. INTRODUCCION El diseño puede ser una simple herramienta (i.e. un nuevo sujetador) o una solución holística (i.e. una oficina totalmente virtual). El diseño también puede ser utópico (i.e. la oficina a distancia como solución a la sobrecarga vial). El diseño se asocia a “escuelas” guiadas por sus diseñadores líderes o artistas, que establecen sus principios, i.e. “la forma sigue a la función”. El diseño efectivo usualmente requiere establecer una filosofía, misión, visión, estrategias, objetivos, metas, especificaciones, criterios de calidad, etc. J.Vergara ICM2312
  • 9. DEFINICIONES Diseño puede provenir del latín “designare”, que significa: “designar o marcar”, es decir delinear, planear una acción o un trabajo, idear, concebir, crear, inventar. Se asocia a la creatividad. También parece provenir del italiano “disegno”, que significa dibujo. Muchas definiciones parten de allí. El bosquejo en ingeniería sigue válido. Además, significaría designio, signare, signado, es decir lo que está por venir. Entonces, es una visión, un bosquejo, un esquema o boceto, una imagen gráfica. J.Vergara ICM2312
  • 10. DEFINICIONES Diseñar implica un proceso de creación y desarro- llo de un producto o servicio). Diseño es el resul- tado (maqueta, plan, etc.). ¿Es Arte u oficio?. La principal diferencia es que el artista no necesariamente debe justificar utili- dad en una creación, planeada o espontánea. Como oficio o profesión, el diseño implica intera- cciones con ciertos usuarios (líderes) para ajustar las necesidades. De este modo se logra un servi- cio esperada. El resultado debe ser documentado. J.Vergara ICM2312
  • 11. DEFINICIONES Diseño: proceso creativo de un plan destinado a desarrollar un producto, una estructura, sistema o componente con un propósito. También puede ser un sustantivo. Significa arte e ingeniería. (The Cambridge Dictionary of American English) Diseño Industrial: actividad proyectual que define las prioridades de objetos producidos industrial- mente. La forma tiene la misión, no sólo alcanzar un nivel estético, de hacer evidentes significacio- nes y resolver problemas prácticos de la fabrica- ción y el uso. Un proceso formal, a veces incons- ciente (Tomás Maldonado, Diseñador Industrial). J.Vergara ICM2312
  • 12. DEFINICIONES Diseño Industrial: arte aplicado en el cual la estéti- ca y usabilidad de productos de uso masivo puede ser mejorada para producción y comercialización. Implica soluciones para los problemas de forma, uso, ergonomía, ingeniería, marketing, desarrollo de marca y ventas (J deNoblet, Industrial Design). Diseño de Productos: ciclo sistemático de planifi- cación, generación de ideas, desarrollo de concep- tos, diseño de detalle de sistemas, prueba y sele- cción de conceptos, manufactura y adopción de un producto tangible o de un servicio. (Karl Ulrich, Product Design and Development). J.Vergara ICM2312
  • 13. DEFINICIONES Diseño de Ingeniería: proceso de aplicar diversas técnicas y principios científicos con el objeto de definir un dispositivo, un proceso o un sistema con suficiente detalle para permitir su realización. (Robert Norton, Diseño de Máquinas) Diseño Mecánico: diseño de cosas y sistemas de naturaleza mecánica, como máquinas, productos, estructuras, dispositivos e instrumentos, usando matemáticas, ciencia de materiales y las ciencias de la ingeniería mecánica (Joseph Shigley, Diseño de Ingeniería Mecánica). J.Vergara ICM2312
  • 14. DEFINICIONES Diseño en Ingeniería Mecánica: concepto más am- plio que diseño mecánico al incluir todas las disci- plinas de la ingeniería mecánica, como las ciencias de termofluídos (Joseph Shigley, Diseño de Inge- niería Mecánica). Diseño de Máquinas: se ocupa de la creación de maquinaria que funcione segura y confiablemente (Robert Norton, Diseño de Máquinas). Este texto entiende por máquina a un aparato de unidades interrelacionadas (elementos de máquinas), o a dispositivos que modifican fuerzas o movimiento. J.Vergara ICM2312
  • 15. DEFINICIONES Ingeniería Mecánica: (para recordar) antigua dis- ciplina de la ingeniería que se refiere a la aplica- ción de los principios científicos en el diseño y análisis, la fabricación y mantenimiento de varios sistemas, como plantas de potencia, motores y vehículos de todo tipo. Ingeniería: aplicación creativa de principios cientí- ficos para diseñar o crear estructuras, máquinas, aparatos o procesos de manufactura respecto a la función deseada, en forma económica y segura (Accreditation Board for Engineering & Technology). J.Vergara ICM2312
  • 16. ÁREAS DE DISEÑO Todo se “diseña”. Encontramos la palabra diseño en muchas áreas profesionales. Algunos ejemplos: En la empresa: En la planta: En otras áreas: Diseño de negocios Diseño mecánico Diseño de comport. Diseño organizacional Diseño de máquinas Diseño de sonido Diseño de plataformas Diseño arquitectónico Diseño de contenidos Diseño de información Diseño ergonómico Diseño gráfico Diseño de productos Diseño de software Diseño de teatro Diseño de procesos Diseño experimental Diseño de vestuario Diseño de transporte Diseño asistido Diseño ambiental Diseño de empaque, ... Diseño sustentable, ... Diseño de interiores, ... J.Vergara ICM2312
  • 17. PROCESO DE DISEÑO El diseño mecánico es un “proceso” en el cual el ingeniero itera soluciones hasta lograr un resul- tado óptimo o al menos satisfactorio. Hay varias propuestas complementarias de pro- cesos de diseño mecánico. Las etapas inicial y final son las más obvias (pero no simples), las etapas intermedias suelen cambiar de matiz. En el proceso se verificarán posibilidades de falla que exigirán cambio de geometrías (i.e. inercia) o de materiales (más resistentes), iterando (regreso a un estado previo) con varias alternativas. J.Vergara ICM2312
  • 18. PROCESO DE DISEÑO El diseño mecánico se inicia con una actividad esencial (la necesidad), que suele omitirse, dan- do lugar a resultados comerciales, financieros y operacionales insatisfactorios (¿ejemplos?). El proceso culmina con una etapa de documen- tación, la presentación de los resultados y me- morias cuyo propósito es registrar el aprendiza- je del proceso (bueno o malo). Esta etapa suele omitirse lo que termina reincidiendo los errores. A veces la iteración del proceso puede culminar en relajar algunas especificaciones iniciales. J.Vergara ICM2312
  • 19. PROCESO DE DISEÑO El proceso de diseño mecánico se subordina a un proceso de desarrollo de producto(s) o ser- vicios, que le da sustento práctico al ejercicio. El componente o el sistema (o proceso) que se diseña debiera ser una parte integral de una actividad superior. El resultado puede ser un producto de uso masi- vo (automóviles electricos) o un producto único (un reactor para una base lunar). También puede ser una planta para producir un determinado ser- vicio (un superhub). J.Vergara ICM2312
  • 20. PROCESO DE DISEÑO La propuesta de Shigley Determinación de Necesidades Definición del Problema Síntesis Análisis y Optimización Evaluación Presentación J.Vergara ICM2312
  • 21. PROCESO DE DISEÑO La propuesta de Ulrich Planeación Desarrollo del Concepto Diseño de Sistemas Diseño de Detalle Pruebas y Ajustes Secuencia de Producción J.Vergara ICM2312
  • 22. PROCESO DE DISEÑO La propuesta de Norton Identificación de la Necesidad Producción Identificación de Antecedentes Prototipo y Pruebas Enunciado del Objetivo Diseño de Detalle Especificaciones Selección Síntesis Análisis J.Vergara ICM2312
  • 23. PROCESO DE DISEÑO La propuesta de • Qué puede ser Inspiración • Asuma fallas • Hecho para pensar • Prototipo simple • Hecho por uno mismo • Qué debiera ser Evolución • Esperar cambios • Hecho para probar • Prototipo deseado • Hecho con especialista • Qué será Validación • Gestionar cambios • Acorde a especs. • Prototipo integral • Hecho por especialista J.Vergara ICM2312
  • 24. PROCESO DE DISEÑO La propuesta de Harrington (MEng) +I&D Diseño D.E. Exploratorio a E.F. Estudios de E.F. Factibilidad Diseño D.Cp. Conceptual a D.P. Diseño D.P. Preliminar Diseño D.Ct. Contractual Diseño D.D. de Detalle Construcción J.Vergara ICM2312
  • 25. PROCESO DE DISEÑO Espiral de Diseño Estudio Factibilidad Desplazamiento y Objetivo por Fase Líneas Sistemas de Diseño Conceptual Arreglo Propulsión 1 Concepto Diseño Preliminar Estructura Potencia 2 Requerimientos Diseño Contractual 3 Especificaciones Pesos y Características de Forma y Volumenes Dimensiones Capacidades Evaluación (payload) del Diseño Estabilidad Diseño de Requirementos Intacta Detalle 3 2 1 Generales MISIÓN Estabilidad Costo Ciclo de Dañada Vida Sistemas Aux. de Soporte Propulsión Logístico Sistemas Aux. de Resistencia al Estimación Maniobra Impacto y Shock Cálculo Ajuste Sistemas de Emisiones de Revisión Combate Sistemas de Ruido, calor,.. Selección Navegación J.Vergara ICM2312
  • 26. PROCESO DE DISEÑO Espiral de Diseño Pesos y Volumenes Forma y Dimensiones Estabilidad Intacta Espiral Requirementos Generales Básica de Diseño Sistemas Aux. de Soporte Logístico Propulsión J.Vergara ICM2312
  • 27. PROCESO DE DISEÑO El diseño mecánico se beneficia de SW de “apoyo” (no diseñan por si mismos), i.e. CAD, Inventor, etc. Forman parte de la docu- mentación o informe final. Los cálculos se simplifican con planillas y herra- mientas matemáticas, i.e. Excel, MathCAD, Mathe- matica, MatLab, TK solver, etc. J.Vergara ICM2312
  • 28. PROCESO DE DISEÑO Unidades: Usamos el Système Inter- national d'Unités (SI), creado en 1960 del sistema métrico decimal, y cuenta con siete unidades básicas. Pero, no todos lo adoptan, i.e. USA, lo que sue- le conducir a accidentes y errores. Permite a todos expresar las mismas unidades, basadas en general en fenómenos físicos, salvo el metro que se refiere a un patrón en custodia. El sistema inglés se origina en prácticas (milla, pulgada, pie, nudo, pinta, etc.) J.Vergara ICM2312
  • 29. PROCESO DE DISEÑO Unidades básicas: Magnitud Física Unidad Observaciones Distancia que recorre la luz en el vacío Longitud L metro m en 1/299792458 s Duración de 9192631770 periodos de Tiempo T segundo s transición entre 2 niveles de 133Cs. Masa M kilogramo kg Masa de un cilindro patrón en custodia La que produce 2·10-7 N/m entre dos Intensidad de corriente I amperio A conductores a 1 m, en el vacío. Temperatura termodinámica (1/273.16°) Temperatura Θ kelvin K del punto triple del agua. Cantidad de unidades (moléculas, e-,...) Cantidad de sustancia N mol mol como átomos hay en 0.012 kg de 12C. De fuente monocromática de 540·1012 Intensidad luminosa J candela cd Hz que produce 1/683 W/sr. J.Vergara ICM2312
  • 30. PROCESO DE DISEÑO Muchos elementos de máquinas se relacionan con trabajo y movimiento, a diferencia de las estructu- ras (se les da una connotación más estática, lo que no es absoluto). Se sostiene que las máquinas son las que crean movimiento y fuerzas como conse- cuencia de un proceso de conversión de energía. El ingeniero define movimientos, estima fuerzas para determinar los materiales y geometrías de los componentes interrelacionados de uan máquina. Para llegar a ello, muchas veces es necesario dise- ñar componente por componente. J.Vergara ICM2312
  • 31. PROCESO DE DISEÑO Para cada componente, junto con su geometría, se estima la inercia y las fuerzas a las que se somete dentro del sistema. A veces sin fuerzas externas un material puede fallar (i.e. ultracentrífugas), i.e. víctima de su propia densidad y módulo. Por otro lado, una estructura estática puede ser “engrosada” con material para reducir el nivel de esfuerzos o tolerar más cargas. En una máquina, o “estructura en movimiento”, lo anterior puede ser contra-producente, pues implica más energía en mover y también puede implicar su propia falla. J.Vergara ICM2312
  • 32. PROCESO DE DISEÑO Ejemplos de Fuentes de Códigos de Diseño: AFBMA: Anti-friction Bearing Manufacturers Association AGMA : American Gear Manufacturing Association AIAA : American Institute of Aeronautics and Astronautics AISC : American Institute of Steel Construction AISI : American Iron and Steel Institute ANSI : American National Standards Institute ASCE : American Society of Civil Engineers ASM : American Society for Metals ASME : American Society of Mechanical Engineers ASTM : American Society of Testing and Materials ASNE : American Society of Naval Engineers J.Vergara ICM2312
  • 33. PROCESO DE DISEÑO Ejemplos de Fuentes de Códigos de Diseño: AWS : American Welding Society IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers IET : Institution of Engineering and Technology IMechE: Institution of Mechanical Engineers ISO : International Standards Association NIST : National Institute for Standards and Technology SAE : Society of Automotive Engineers SAME : Society of American Military Engineers SNAME: Society of Naval Architects and Marine Engineers SPE : Society of Plastic Engineers UL : Underwriters Laboratories J.Vergara ICM2312
  • 34. FACTORES EN COMPROMISO El diseño está guiado por una filosofía, que per- mite al diseñador establecer prioridades y metas. Un objeto puede resultar muy diferente según las condiciones iniciales y restricciones. Este depen- derá de las decisiones sobre factores en compro- miso, i.e. funcionalidad, rendimiento, costo, ergo- nomía, reciclabilidad, apariencia, etc. La priorización de factores sobre otros (filosofía de diseño) define el resultado esperado (i.e. SUV vs auto deportivo vs minivan), los mercados, el volumen y otras variables. Veamos un ejemplo. J.Vergara ICM2312
  • 35. FACTORES EN COMPROMISO Agregar masa a partes en movimiento acelerado puede reducir su margen de seguridad, carga útil o velocidad permisible. La mayor “resistencia” de tal parte, aplicando la 2a ley de Newton (F = m·a), con más masa, aumenta las cargas de inercia. Conocidas las fuerzas y la geometría, se pueden estimar los esfuerzos, las deformaciones y defle- xiones en dichos componentes. Conocido lo anterior, se definen materiales y for- mas de procesamiento, se anticipan eventuales modos y condiciones de falla. J.Vergara ICM2312
  • 36. FACTORES EN COMPROMISO Un ejemplo. La operación de la mayoría de los reactores nucleares requiere 235U (U enriquecido). El método de enriquecimiento más utilizado en la industria del combustible nuclear es el de ultra- centrifugación gaseosa. Cada unidad de una planta es un cilindro rotatorio, por el que fluye UF6 en contracorriente (térmica- mente asistida). Este gas es una mezcla de 238UF6 (99.3% en la base de una cascada) y 235UF6 (0.7% al inicio). Un reactor típico requiere 235UO2 al 3-5%. J.Vergara ICM2312
  • 37. FACTORES EN COMPROMISO Al girar ese rotor, el 238UF6 (más pesado) tiende a la periferia, dejando más 235UF6 al centro. La selectividad (a) define el tamaño de la planta: 3·w2·(a2-b2) a = e 2·R·T La diferencia de masa es de sólo 3 uma. Luego, la principal variable es la velocidad rotacional (w), unas 30 mil rpm. El gas está en vacío y debe ser puro, que obliga el uso de descansos magnéticos. J.Vergara ICM2312
  • 38. FACTORES EN COMPROMISO Si tomamos un elemento de rotor (dm) y lo hacemos girar. dFc v = w·r r dFr = sfdrdz sen(df/2) dr dz df dFc = w2r·dm r dFr dFr dm = r rdrdzdf  dFc = w2r r2drdzdf Balance de fuerzas: dFc = 2 dFr 2sfdrdz sen(df/2) = w2r r2drdzdf sf = w2r r2 ≈ sy sy La VMAX será f(r) vMAX = r J.Vergara ICM2312
  • 39. FACTORES EN COMPROMISO Además, este rotor hueco está sujeto a vibracio- nes resonantes. wi = li E a Con l : 22; 61.7; 121; 200; 298.2 i 2r L2 vri = wi r vMAX = wi a L2 li E = a i wi 2r L li 4 E 4 E = = li a i vMAX 2r 2sy J.Vergara ICM2312
  • 40. FACTORES EN COMPROMISO Algunos materiales: Al HTS Ti MS GFRP CFRP r 2800 7800 4600 7800 1800 1600 sy 450 1380 900 1930 500 830 E 71000 207000 114000 207000 72400 85000 vMAX 401 421 442 497 527 720 14.0 13.8 13.2 12.7 13.7 12.5 23.4 23.1 22.2 21.3 22.9 21.0 L 32.8 32.4 31.0 29.8 32.1 29.4 ai 42.1 41.6 39.9 38.3 41.3 37.8 51.5 50.8 48.7 46.7 50.4 46.2 J.Vergara ICM2312
  • 41. FACTORES EN COMPROMISO El dilema del ingeniero mecánico en este caso es que el costo de la planta (de capital y operación) baja con menos unidades grandes (escala). Eso se logra con una mayor selectividad (a) lo que exige mayor velocidad rotacional (w) o tangencial (vr), y cuyo máximo está acotado por la densidad (r) del rotor. Por otra parte, la capacidad unitaria mejora con la altura de la centrífuga, que está limi- tado por resonancias, lo que define la resistencia a la fluencia (sY) y la densidad (r): Este dilema es común en cualquier campo y desafía al diseñador. J.Vergara ICM2312
  • 42. FACTORES EN COMPROMISO El diseño de máquinas suele adoptar factores de seguridad y códigos. Los segundos son factores de incertidumbre, que amplifican una dimensión o reducen un esfuerzo admisible. La magnitud del factore depende de la disponibilidad de información, las condiciones de uso de las partes y los modelos utilizados para el dimensionamiento. Los primeros son recomendaciones y guías para prevenir errores. Algunos ya incorporan márgenes de seguridad adoptados en cierta localidad. J.Vergara ICM2312
  • 43. CONCLUSIONES El diseño es un poco de arte e ingeniería, que se beneficia de la creatividad de su diseñador. El diseño es un proceso –sistemático, creativo e iterativo- que conduce a satisfacer una necesidad real, holística o utópica. Este proceso puede ser simple o complejo según la aplicación (i.e. Space Shuttle o una microbomba) y la severidad de las restricciones impuestas. En las próximas sesiones veremos en detalle el proceso de desarrollo de productos. J.Vergara ICM2312
  • 44. CONCLUSIONES El diseño mecánico es un proceso aplicado a la creación, dimensionamiento o selección de partes y piezas que interactúan en un sistema para pro- veer una actividad, relacionada preferentemente con trabajo y movimiento. El diseño mecánico implica adoptar una filosofía que prioriza factores en compromiso, con lo cual se obtienen dispositivos de diferente desempeño y costo de aplicación, según los objetivos del di- señador (directorio de la empresa) y la demanda del mercado. J.Vergara ICM2312