Prototyping Principles

1. El diseño es un método para poner juntos la forma y el
contenido. El diseño, así como el arte, tiene múltiples
definiciones; no hay una definición única. El diseño
puede ser arte. El diseño puede ser estética. El diseño
es tan simple, que por eso es que es tan complicado.
-Paul Rand
PRINCIPIOS DE DISEÑO DE UN PROTOTIPO
En esta sección vamos a ayudar a
responder a las siguientes preguntas:
¿Qué es solución de problemas de
ingeniería?1
¿Qué es el método heurístico?2
¿Hay técnicas de resolución de problemas
que puedan usarse en el prototipado de un
producto?3
¿Cómo puede las técnicas de solución de
problemas utilizarse en el prototipado de
un producto?4
1
2
3
4

2. ¿Qué hace a un buen diseño?1
¿Hay una forma sistemática de adquirir los requisitos
del cliente e incorporar estos requerimientos en el
diseño del producto y el prototipado?2
¿Qué es la casa de calidad? Como ayudaría esto a
diseñar y prototipar un producto3
¿Que son los PDs?4
4
3
2
1
Como ya se ha discutido para prototipar un producto se
necesitan involucrar varios factores, tales como intercambios
(trade-offs) de costo, tiempo de ciclo, exactitud o fidelidad de
la parte prototipada, propiedad de la materia, tamaño de la
parte, longitud de la parte, etc. Es un proceso muy complejo y
por lo tanto se necesita un acercamiento sistemático para
ayudar a la toma de decisiones para el diseño. En esta
sección discutiremos la solución de problemas de ingeniería,
principios de diseño, la casa de calidad, y el PDs que puede
ser usado en este proceso.

3. Entre la heurística, algunos principios de diseño son importantes y
suficientemente generales para llamarles “principios de diseño”. Por ejemplo,
los lineamientos generales para el diseño de un producto son:
1. Simplicidad: “sencillo para el éxito (keep it simple for success (KISS))”. Esto
se debe al hecho de que los costos se correlacionan con el tamaño/masa y
complejidad/número de partes.
2. Claridad: es la función clara de la maquina, producto o componente para
que todos la entiendan?
3. Seguridad: es la máquina inherentemente segura? Un producto puede ser
diseñado para que sea seguro a toda la gente que se enfrenta con el en la vida.
¿Es confiable?
Simplicidad
Su principio de funcionamiento se basa en la fuerza
aerodinámica que actúa sobre las alas, haciendo
que la misma produzca una sustentación.
Seguridad

4. Algunos de los principios de diseño pueden ser usados para evaluar si un
diseño es bueno o no, o si es mejor que otros diseños. Los parámetros críticos
para diseñar un producto se llaman parámetros de diseño (DPs en inglés), y las
funciones críticas que necesita un producto para satisfacer se le llaman
requerimientos funcionales (FRs, en inglés). Una pregunta crítica para un
juicio de diseño, es cuantos DPs necesitara un producto para satisfacer sus
FRs? Un axioma independiente o un axioma de desacoplamiento funcional que
fue introducido por Nam Suh es que un diseño óptimo siempre mantiene
independencia de sus FRs. En un diseño aceptable, los DPs y los FRs están
relacionados de tal forma que el DP específico puede ser ajustado para
satisfacer su correspondiente FR sin afectar otros FRs.Principios de diseño
Parámetros de Diseño
Requerimientos funcionales

Dominio del cliente Dominio funcional Dominio Físico Dominio
Proceso
[C] = [A] x [B]
CTSs
FRs DPs PVs
Axioma Independiente

5. Como un ejemplo, cuando se diseña una puerta de
refrigerador, asume que hay dos FRs a considerar:
proveer un recinto aislado para minimizar la perdida de
energía y proveer acceso a la comida en el refrigerador.
¿Es un buen diseño una puerta vertical con bisagras
para un refrigerador igual que la mayoría de los que se
usan en casa? Cuando se abre la puerta, se pierde el
aire frio, y por lo tanto las dos FRs se juntan. Entonces
no es un buen diseño. Por el contrario, una puerta
horizontal con abrazaderas que se abre verticalmente,
como se ve en la mayoría de las tiendas, es un buen
diseño. ¿Por qué la mayoría de los refrigeradores de
casa son de puerta vertical? Que no son malos diseños?
Si, son malos diseños solo si fueran solamente dos FRs.
Sin embargo, si uno considera otros factores, tales
como la conveniencia en el diseño, un a puerta vertical
colgante puede ser la opción más popular. Por lo tanto,
es muy crítico definir las verdaderas FRs para terminar
un diseño que satisface las condiciones del cliente.

6. Otro axioma se llama el axioma de la información o de acoplamiento
físico. El establece que el mejor diseño es un diseño desacoplado
funcionalmente que tiene el mínimo contenido de información (diseño
y manufactura). Por ejemplo, para diseñar un mouse para una laptop,
dos FRs son considerados para el mouse, portabilidad y
maniobrabilidad. El diseño es el touchpad. Portabilidad, que es la más
importante de las FRs, es muy satisfactoria porque el touchpad esta
integrada a la laptop y puede ser usada en cualquier lugar. Su operación
es aceptable, y algunas personas inclusive prefieren usar el touch pad
en vez de usar un mouse tradicional. No solamente ha satisfecho
exitosamente el problema de la portabilidad sin sacrificar la
maniobrabilidad, pero también ha armado en el lugar adecuado si
interferir con otras partes de la laptop. Como los dos FRs están
integrados en el mismo dispositivo físico en vez de dos componentes
separados, la mínima información de contenido (diseño y manufactura)
es lograda. En conclusión, de acuerdo al axioma de desacoplamiento
funcional y el axioma del acoplamiento físico, el diseño es bueno.

7. Casa de la Calidad Despliegue de la Función de Calidad (QFD, Quality Function
Deployment) o La Casa de Calidad es un término usado para describir
una estrategia para enfocar la atención del diseño ingenieril en temas
de calidad como lo perciben los clientes. Es obtener la voz del cliente
en las especificaciones del diseño técnico. Los requisitos del cliente
deben ser traducidos a objetivos de diseño medibles. Uno no puede
diseñar una puerta de carro que es “fácil de abrir” cuando uno no
conoce el significado de la palabra “fácil”. QFD es una tecnología
sistemática que traduce los requisitos del cliente a especificaciones
ingenieriles que pueden ser medibles y por lo tanto pueden ser
diseñadas usando desde una perspectiva científica.
Despliegue de la Función de Calidad

8. Fig. 2:16 Despliegue de la Función de CalidadComo se muestra en la figura 2.16, las necesidades del cliente o
requerimientos se indican en el lado izquierdo de la matriz. Los
requerimientos del cliente, o el “Que” en la matriz, pude ser
expresada cualitativamente, esto es, los clientes puede que quieran
que algo sea fácil, suave, o rápido. Si el número de necesidades o
requisitos es muy excesivo para manejar, se descompone la matriz
en módulos más pequeños o subsistemas para reducir el número
de requisitos en la matriz. Para cada necesidad o requerimiento, se
indica las prioridades del cliente utilizando una clasificación en
escala de 5 puntos o escala de 10 puntos. Utilice las técnicas de
clasificación y comparación a pares para desarrollar prioridades.
Los clasificaciones son listados bajo “categorías de importancia”.

9. El “Como” en la matriz de la Figura 2.16 es una lista de
características ingenieriles o FRs. Estas características son
variables de diseño que los ingenieros pueden controlar a fin de
alcanzar los FRs del cliente, y por lo tanto deben ser
importantes, medibles, y globales. Deben estar indicadas de tal
forma que eviten presuponer una solución técnica particular,
para no restringir a los diseñadores.

10. La “Matriz de las Relaciones” son las
relaciones que existen entre las necesidades
del cliente y la capacidad de la compañía de
satisfacer esas necesidades. Uno puede usar
estos símbolos para las relaciones fuertes,
medianas y débiles. Las puntuaciones
asociadas pueden ser usadas para
representar estos símbolos. Por ejemplo, las
puntuaciones 1, 3, y 9 pueden ser asignadas a
relaciones débiles, medianas y fuertes
respectivamente. Una en blanco representa 0
o ninguna relación. Este es un paso crítico
que nos asegura que todas las necesidades
del cliente o requerimientos han sido
atendidas y están relacionados con las
características ingenieriles. Si cualquier
requerimiento del producto o características
técnicas que se indican no se relacionan con
las necesidades del cliente, entonces no se
necesitan y por lo tanto pueden ser
eliminadas. La idea es que todas las
características ingenieriles o FRs deben
satisfacer los requisitos del cliente.

11. La valoración técnica competitiva o los objetivos del
cliente comparan el producto de una firma a los
productos de sus mejores competidores para establecer
las métricas de desempeño para la firma. Uno puede
usar encuestas, juntas con los clientes, grupos/clínicas de
estudio para obtener información. Varios objetos
necesitaran ser identificados para desarrollar una
estrategia de producto. Los puntos del precio y los
segmentos de mercado para los productos de baja
evaluación, garantía, servicio, confiabilidad y los
problemas de queja del cliente para identificar aéreas de
mejora todas estas son tipos útiles de información que se
necesitan para una estrategia de producto. Uno necesita
identificar las fortalezas presentes y las debilidades
relativas a la competencia (competencia comercial), y
como estas fortalezas y debilidades se comparan con las
prioridades del cliente. Se deben identificar todas las
oportunidades para progresar y exceder las capacidades
del competidor, tales como áreas de mejora para igualar
a las capacidades del competidor y las aéreas donde no
se hará ninguna mejora.

12. El techo de la casa de la calidad o la matriz de correlación nos muestra el grado de acoplamiento entre las
características ingenieriles. La matriz de la correlación es interacciones potencialmente positivas y
negativas entre las FRs o las características ingenieriles utilizando símbolos para las relaciones fuertes o
medianas, positivas o negativas. Demasiadas interacciones positivas nos sugieren una redundancia
potencial en los requerimientos del producto o características técnicas “poco críticos”. Uno debe enfocarse
en las interacciones negativas que nos indican compensaciones (trade-offs[intercambios de diseño]) entre
las características en el que los conceptos de producto o tecnología deben sobrepasar para estas
compensaciones.

13. El valor objetivo en la Matriz representa el numero de objetivos
y unidades de cada característica de ingeniería (o FR). Muchas
veces por debajo del “Objetivo”, uno puede calcular la
“importancia de las categorías (raitings)” al multiplicar la
categoría de importancia del cliente por el factor de peso en
cada una de las cajas de la matriz (por ejemplo, 9-3-1) y
sumando los productos resultantes en cada columna. Las
categorías de importancia representan el valor de cada
característica de ingeniería correspondiente a los
requerimientos del cliente. Después, estas categorías serán
útiles en los intercambios (trade-offs) del diseño.
La fig. 2:17 muestra un ejemplo en “La Casa de la Calidad” para diseñar un
microrobot obediente, el brazo de un microrobot inteligente necesita que se
pueda doblar en dos ejes con el uso de un momento de actuador
“piezoeléctrico” en solo un eje. El momento será aplicado por una banda
piezoeléctrica rectangular que se expandirá y contraerá a lo largo de su
longitud a una alta frecuencia. El brazo también necesitara de soportar una
carga de un miligramo a temperatura ambiente. Las vibraciones excesivas
también estarán presentes durante su uso. El brazo deberá soportar
aproximadamente 1 millón de ciclos a frecuencias muy altas antes de que falle.
El costo Objetivo del producto es aproximadamente $500 dólares por robot.

14. ESPECIFICACIONES DE DISEÑO DEL PRODUCTO
Las especificaciones de diseño de producto (PDS) es un listado detallado de requerimientos
que se deben cumplir para producir un exitoso producto o proceso. Las PDS son los medios
formales de comunicación entre el comprador y el vendedor. Representa las especificaciones
de producto comúnmente usadas, y deben usarse como una lista de revisión “o check list”
para el diseño de producto. Cuando los objetivos de diseño ya se han desarrollado y
madurado, son una lista de PDS. Desde que las PDS se ha utilizado frecuentemente, también
puede ser usadas como una lista de chequeo en las especificaciones de un nuevo producto.
• Desempeño: la necesidad básica o expectativas del usuario.
• Entorno: el rango de temperatura, presión, humedad, tierra,
polvo, entornos corrosivos, carga de choque, vibración, etc.
• Vida de servicio: la vida de servicio esperada y ciclo de servicio.
Fluctuaciones
aleatorias (entorno o
medio ambiente)
desempeño
Vida de servicio

15. • Mantenimiento y logística: especificar la facilidad de acceso a los componentes,
repuestos, herramientas y equipo de pruebas, manuales de operador y
mantenimiento, y entrenamiento.
• Costo del producto objetivo: la experiencia nos muestra que casi todos los costos
objetivos son irrealmente bajos.
• Competencia: la futura y la existente.
• Envíos: tamaño de las puertas del furgón, portones de la carga útil, peso, limites
en la caja de los tráiler, costos de envió
Empaque/embalaje: almacenamiento, corrosión, cargar a choque (shock loading).
Logística y envíos
Empaque y embalaje
Mantenimiento

16. • Cantidad: costo por unidad, métodos de producción, y el costo de manufactura.
• Planta de fabricación: tanto si el producto se producirá en una planta existente o si
se construirá otra planta.
• Estética: la apariencia visual del producto, color, forma, figura, y textura de acabado.
• Materiales: desempeño y manufactura.
• Duración de vida del producto: Tanto si el producto es más probable que
permanezca vendible (marketable) de 3 a 30 años
Tiempo de vida
Cantidad
Estética
Planta de fabricación
Fases de
ciclo de vida.

17. • Estándares y especificaciones: unidades S.I. o U.S., estándares existentes
y especificaciones
• Ergonómica: requerimientos de interface humano-maquina
• Calidad y confiabilidad: deben ser identificadas las aéreas de alto riesgo.
• Tiempo de vida en almacenaje: baterías o cosas con un tiempo limite de
expiración (perecederos o caducos), sitio de construcción, partes de repuesto.
Calidad y confiabilidad
Ergonomia
Estándares y especificaciones
Tiempo de
almacenaje

18. • Restricciones es de la compañía.
• Pruebas e inspecciones: pruebas de aceptación
y requerimientos de calidad
• Seguridad: las partes críticas deben ser
identificadas. Las etiquetas de seguridad deben ser
creadas y los manuales de operación debes declarar
claramente la utilización abusiva del producto.
• Patentes: prevén una demanda costosa por
infligir en patentes.
• Factores políticos y sociales: EPA, FDA, o NRC.
Patente
Pruebas de ispección
Factores políticos y
sociales
Seguridad

19. BIBLIOGRAFÍA:
Frank W. Liou. “Rapid Prototyping and engineering applications”. Cap. 2. Pag. 19 -58
• Ed. 2008 Taylor& Francois