1- Especificaciones de diseño y diseño concurrente.pdf

Sistemas de Producción
Fuenlabrada, Curso 2023-2024

Tema 1
Especificación de diseño.
Fuenlabrada, Curso 2023-2024

Álvaro Olivas Curso 2023-2024 3
Fabricación y Sistemas de producción
Introducción
1. Requisitos para los procesos de fabricación.
I. Introducción y fuentes de los requisitos.
II. Requisitos de Ingeniería
III. Requisitos de Calidad
IV. Requisitos de Precio o Coste.
V. Requisitos de Medio ambiente y salud.
VI. Requisitos de Tiempo crítico de fabricación (Lead time).
VII. Requisitos de Distribución de la planta (Lay Up).
2. Competencias del proceso.
I. VARIABILIDAD
II. VOZ DEL PROCESO / CLIENTE
III. EFICIENCIA DEL MONTAJE
IV. DIVERGENCIAS DEL PROCESO REAL y CONOCIMIENTO DEL PROCESO
V. ANÁLISIS DE CAUSA RAÍZ (RCA)
VI. MEDICIONES Y DISTRIBUCIONES ESTADÍSTICAS
VII. ÍNDICE DE CAPACIDAD DE PROCESO
3. Diseño para fabricación
I. DFM (DESIGN FOR MANUFACTURING)
II. DFA (DESIGN FOR ASSEMBLY)

Como cualquier otro proceso de ingeniería, los de fabricación
deben cumplir una serie de requisitos.
Los diferentes requisitos deben identificarse lo antes posible en el
proyecto global. En este sentido, para cada uno de los requisitos
debemos identificar:
• La definición clara del requisito
• El dueño
• Cómo demostrar el cumplimiento del requisito
Requisitos para los procesos de fabricación

Ejemplo: para el material compuesto, debido al tiempo de espera
de todo el proceso y, en particular, al impacto final del proceso de
fabricación en las propiedades finales del material, todos los
requisitos deben ser monitorizados de cerca durante el desarrollo
del proyecto para asegurar que todos están en el nivel correcto en
el momento de comienzo de la producción.

Los requisitos pueden provenir de diferentes áreas:
• Ingeniería
• Calidad
• Precio o Coste.
• Medio ambiente y salud.
• Tiempo crítico de fabricación
(Lead time).
• Distribución de la planta (Lay Up).
FUENTES DE REQUISITOS

FUENTES DE REQUISITOS (cont)
A nivel global, el proceso de fabricación debe:
• Ser estable y mantener el rendimiento durante toda la vida
útil de las herramientas.
• Diferenciar claramente el proceso en términos de desarrollo
o proceso de producción.
• cumplir con todos los requisitos de certificación.

REQUISITOS DE INGENIERIA (ejemplo):
• Control dimensional
• Colocación de refuerzos
• Brechas
• Porosidad

REQUISITOS DE INGENIERIA (ejemplo):

En fabricación materiales compuestos:
• Uno de los aspectos clave son las
propiedades finales del material en el
proceso de fabricación.
• Parámetros a mantener y controlar:
• Fracción de volumen (Vf)
• Alineación de fibras
• Porosidad
REQUISITOS DE INGENIERIA (ejemplo 2):

REQUERIMIENTOS DE CALIDAD
FAI
• Capacidad para cumplir con el expediente de
definición.
• Certificación del proceso:
• Condiciones ambientales de las instalaciones
• Control de los parámetros clave del proceso de
fabricación:
• Presión
• Temperatura
• …
• Preparación de la superficie.
• Disponibilidad de procesos NDT para verificar la calidad final
de las piezas.
• Disponibilidad de procesos de reparación en caso de
problemas de calidad.

• Lo más barato posible.
• Coste de no calidad (comparado con imponer el requisito de calidad)
• No comprometer otros requisitos (Calidad / Ingeniería).
• Especial atención a los materiales de las herramientas
• Materiales consumibles.
• Mantenimiento de herramientas y el utillaje.
• Complejidad de la geometría
REQUERIMIENTOS DE PRECIO/COSTE:

REQUISITOS DE MEDIO AMBIENTE Y SALUD
• Contaminación del ambiente externo
• Protección a los trabajadores
• Problemas posteriores para aeronaves
en servicio (contaminación por
combustible)
• Ergonómico
• Accesibilidad
• Gestión de piezas y utillaje a mano

REQUISITOS DE MEDIO AMBIENTE Y SALUD

La reducción al máximo del tiempo de entrega es siempre imprescindible en
cualquier proyecto.
• Procesos de desarrollo vs. procesos de producción.
• El plazo de entrega debe incluir todo el proceso de fabricación, desde la
preparación de las herramientas hasta la inspección NDT.
REQUISITOS DE “LEAD TIME”

http://www.leadtimes.org/
REQUISITOS DE “LEAD TIME”

REQUISITOS DE LAY UP DE LA PLANTA
Se debe tener en cuenta el espacio necesario y la distribución necesarias para:
• la fabricación
• el almacenaje de consumibles y herramientas,
• accesos de trabajadores y/o maquinas,
• Flujo de piezas pieza (antes y después de la fabricación,…)

• Producción de espacio necesario para el proceso
• Reducción del número de desplazamientos de piezas / herramientas en la
planta (lean)

Competencias del proceso
Definición:
La capacidad o competencia de un proceso es la medida del desempeño del
proceso, de su efectividad . La competencia se refiere a la capacidad de un
proceso para fabricar piezas que cumplen con las especificaciones de
ingeniería.
"¿Es necesario mejorar el proceso?"
"¿Cuánto se necesita mejorar el proceso?"
Se realiza un estudio de capacidad para responder las preguntas:
A continuación se describen distintos parámetros que miden la “bondad” de
nuestro proceso.

VARIABILIDAD
Para definir el análisis de la competencia o capacidad del proceso desde otra
perspectiva, se realiza un estudio de capacidad (“capability study”).
Se trata de una técnica para analizar la variabilidad que subyace en un
determinado proceso de producción.
• En todo proceso de fabricación existe variabilidad. Esta variabilidad puede
ser grande o pequeña, pero siempre está presente.
Se puede dividir en dos tipos:
• Variabilidad debida a causas comunes ( o aleatorias)
• Variabilidad por causas asignables ( o especiales)

Se puede esperar que el primer tipo de variabilidad ocurra naturalmente dentro
de un proceso. Se atribuye a causas comunes que se comportan como un sistema
constante de probabilidades. Esta probabilidad se puede describir en forma
matemática como una distribución estadística única. Este tipo de variabilidad
nunca se puede eliminar por completo de un proceso.
• La variabilidad por causas asignables, por otro lado, se refiere a la variación que
puede estar vinculada a causas específicas o especiales. Si estas causas, o
factores, se modifican o controlan adecuadamente, se puede eliminar la
variabilidad del proceso asociada con ellos.
Las causas asignables no se pueden describir mediante una única distribución
estadística.
VARIABILIDAD

• Mal mantenimiento de las
máquinas
• Desgaste por uso normal
• Entrenamiento insuficiente
• No es una forma de trabajar
• Malas condiciones laborales
• Error de medición
• Temperatura / humedad
ambiente
• Pobre lote de material
• Operador sin experiencia
• Dibujos obsoletos
• Daño de herramientas
• Comprobación de mantenimiento
pasada por alto
• Instrucción de planificación / dibujo
mal leído
• Desglose de la máquina
VARIABILIDAD
Causas comunes Causas asignables:

Voz del proceso: lo que sabemos sobre las piezas realmente producidas —
máximo y mínimo, promedio, desviación estándar, valores atípicos, etc.— se
conoce como la “voz del proceso” (VoP). El VoP nos dice los límites de nuestras
capacidades de fabricación.
Voz del cliente: lo que el cliente espera que haga un producto, lo que está dispuesto a
pagar, se conoce como la "voz del cliente" (VoC). Es posible que las expectativas de un
cliente no estén escritas o declaradas explícitamente, y las necesidades o deseos no
escritos o no reconocidos pueden ser incluso más importantes que los escritos. A medida
que diseñamos un producto, primero traducimos el VoC a los requisitos de ingeniería y
luego trasladamos los requisitos a los subcomponentes.
VOZ DEL PROCESO / CLIENTE

VOZ DEL PROCESO / CLIENTE

EFICIENCIA DEL MONTAJE
• La configuración final del producto vendrá después del proceso de montaje:
✓ La dimensión final acumulará desviaciones de todo el proceso de
producción.
✓ Las funcionalidades dependerán tanto de los procesos de montaje
como de las piezas independientes.
• La gestión de las tolerancias geométricas va desde el montaje hasta la
fabricación de la pieza.
• Un elemento clave en el proceso de montaje son las herramientas:
✓ Tolerancias de herramientas
✓ Accesibilidad y dimensiones para el uso de herramientas durante el
proceso de montaje.
•Ergonomía

Las divergencias del proceso se definen en
términos de:
▪ Tolerancias de espesor
▪ Ángulos entre las diferentes áreas de la
pieza (C spar)
▪ Espesor en áreas de radio.
▪ Gaps
▪ Desalineación de fibras
▪ Tolerancias sobre la colocación de
refuerzos / largueros
▪ Springbacks
▪ Flujo y grosor de las líneas adhesivas
▪ Dirección de fibras
▪ Capacidades en formas finales de
cortes de cinta ...........
DIVERGENCIAS DEL PROCESO REAL

Un buen conocimiento de las capacidades reales del proceso dan lugar a:
• Diseño detallado de la pieza
• Análisis detallado de las funcionalidades del producto
El desconocimiento o traspasar de la capacidad real del proceso conduce a:
• Diseño incorrecto no listo para producción
• Aumento de la no calidad
CONOCIMIENTO DEL PROCESO

ANÁLISIS DE CAUSA RAÍZ (RCA)
➢ Proceso no estable: identificar y eliminar causas
especiales.
• Identificar cuándo sucede
• Identificar las causas raíz
• Eliminar las causas fundamentales
➢ Proceso estable pero no capaz: identificar y
eliminar o reducir causas comunes (sistémicas)
• Reducir la variación de causa común
• Identificar la cantidad de variación
• Establecer si es excesivo
• Identificar las causas raíz
El análisis de la causa raíz debe realizarse paso a paso:

ANÁLISIS DE CAUSA RAÍZ (RCA)

MEDICIONES
• La herramienta marcará la diferencia
• Alineación de la capacidad tecnológica del
sistema de medición al parámetro medido.

MEDICIONES
La precisión del instrumento es la diferencia entre el valor promedio observado de las
mediciones y el valor maestro. El valor maestro es un estándar de referencia
rastreable aceptado (por ejemplo, NIST).

MEDICIONES
• La repetibilidad es la variación entre
mediciones sucesivas de una misma
pieza, misma característica, por la misma
persona utilizando el mismo
instrumento.
• La reproducibilidad es la diferencia
en el promedio de las mediciones
realizadas por diferentes personas
utilizando el mismo o diferente
instrumento al medir la misma
característica.
La repetibilidad y la reproducibilidad se pueden expresar como un porcentaje de la tolerancia de dibujo
utilizada. Idealmente, no deberíamos utilizar más del 10% de la tolerancia disponible con errores de medición

MEDICIONES: DISTRIBUCIONES ESTADÍSTICAS
Realidad: Histograma Predicción: Distribución

DISTRIBUCIONES ESTADÍSTICAS
+/- 3σ(σ = Standard Deviation) = 99.74%

DISTRIBUCIONES ESTADÍSTICAS

Para cada una de las características que definen el proceso se debe conocer:
• El valor nominal es un objetivo para las especificaciones de diseño.
• La tolerancia es una tolerancia por encima o por debajo del valor nominal
ÍNDICE DE CAPACIDAD DE PROCESO

La relación de capacidad del proceso, Cp, es el ancho de tolerancia dividido
por 6 desviaciones estándar (variabilidad del proceso):
El índice de capacidad del proceso, CpK, es un índice que mide el potencial
de un proceso para generar productos defectuosos en relación con las
especificaciones superiores o inferiores.

El coste total del producto depende de las tolerancias
• Las tolerancias no son solo un problema de fabricación, son un problema de
diseño clave.
• La convergencia entre la tolerancia del diseño y la capacidad del proceso de
fabricación es un objetivo clave en el diseño de materiales compuestos

Diseño para fabricación
Diseño para fabricación o DFM (Design for Manufacturing)
• Para ser competitivo, el producto debe diseñarse en un tiempo
mínimo, con recursos y costes mínimos.

El defecto o problema de calidad en el producto es causado por tres
factores: mal diseño, mal material y proceso de fabricación incorrecto.
• Historia: diseño fatal en una aeroestructura ...
De Havilland Comet
DFM (DESIGN FOR MANUFACTURING)

Los aviones comerciales a reacción se desarrollaron durante la década de 1950. El De
Havilland Comet británico, fue el primer avión de pasajeros en entrar en servicio
programado en 1952.
Los Comets tenían una velocidad de crucero de 450 mi / h y un techo de 42,000 pies,
por lo que proporcionaron mejoras significativas en velocidad y comodidad en
comparación con los aviones propulsados por hélice.
Pero en 1953, 3 Comets se habían estrellado mientras volaban, el primero bajo una
tormenta, pero los otro 2 en condiciones climáticas nominales. Quedó claro que algo
andaba mal con el Comet. Después de poner a tierra la aeronave y realizar una
investigación histórica de los accidentes, se encontró que la causa de las catástrofes fue
estructural debida específicamente a… fatiga metálica.
El vuelo inaugural del prototipo tuvo lugar
en Hatfield el 27 de julio de 1949, y el
Comet fue al menos tres años por delante
de toda la competencia, volando
significativamente más rápido y más alto
que cualquier otro avión de pasajeros.

Además del uso de propulsión a reacción, el Comet fue pionero en
muchas otras innovaciones, entre ellas el uso de una gran cabina de
pasajeros presurizada.
• Dado que la altitud de crucero del Comet era del orden de 35000
pies, la diferencia de presión de la cabina en servicio normal era de 8¼
psi, que era aproximadamente un 50% más alta que la del uso general.
• De Havilland diseñó la cabina de pasajeros para soportar presiones
superiores a las exigidas por las normas de aeronavegabilidad y realizó
pruebas de carga repetidas en una sección de prueba de la parte
delantera de la cabina.
• Sin embargo, la muestra de prueba se sometió a una carga límite
antes del inicio de la prueba de fatiga.

El 10 de enero de 1954, Yoke Peter se
desintegró a una altitud de
aproximadamente 30.000 pies y se
estrelló en el mar Mediterráneo frente a
la isla de Elba, con la pérdida de todos los
pasajeros y la tripulación.
• En el momento del accidente, la
aeronave había volado 3680 horas y había
realizado 1286 vuelos presurizados.
• A pesar de las dificultades los restos
hundidos de Yoke Peter fueron rescatados
del mar y cuidadosamente
reensamblados en un hangar del Royal
Aircraft Establishment en Farnborough.
Un examen de los restos mostró que los accidentes fueron causados por la falla de la
cabina de pasajeros presurizada provocada por la fatiga, lo que provocó la descompresión
explosiva y la desintegración de la aeronave.

La flota de Comet se retiró del servicio y se realizaron varias modificaciones
esencialmente "ciegas" en la aeronave.
• Solo 16 días después de la reanudación del servicio, el Comet G-ALYP se estrelló en
el mar de Nápoles; la aeronave había volado 2703 horas, con 903 vuelos presurizados.
• Se retiró el Certificado de Aeronavegabilidad del Comet y Gran Bretaña perdió su
liderazgo en la era de los reactores.
Diagrama que
muestra la
cantidad de restos
de G-ALYP
recuperados

¿Que pasó? Las grietas comenzaron en las regiones muy estresadas cerca de las ventanas
cuadradas de la cabina, que se terminaron con radios de esquina inadecuados.
Vista desde el interior de la falla en
la escotilla de escape delantera
Grieta en la esquina de la
ventana de la cabina

La carga en la estructura estaba causando que se desarrollaran grietas por fatiga en el
fuselaje que crecieron hasta una longitud suficiente para resultar en una fractura rápida.
El material básico del revestimiento del fuselaje fue DTD.546 (Aluminio Clad 2014A-T6) de
0,028 pulgadas (0,71 mm) de espesor en áreas de mínimo espesor.

Los Comets finalmente volvieron a estar en servicio, pero se enfrentaron una fuerte
competencia de Boeing y Douglas, que había desarrollado transportes a reacción más
avanzados, el 707 y el DC-8, respectivamente.
En 1958, el Boeing 707 recibió la certificación FAA. Incorporaba mejoras estructurales
basadas sobre la experiencia del Comet y también incorporó el diseño a prueba de fallos
y filosofía de tolerancia al daño en todo el fuselaje. Se utilizaron aleaciones de aluminio
resistentes al agrietamiento para prevenir fallos por fatiga incluso después de millones
de ciclos de carga.

Estrategias para mejorar la calidad en un producto aeronáutico:
✓ Minimizar el recuento de piezas
✓ Eliminar sujetadores roscados
✓ Minimizar variaciones
✓ Facilidad de servicio y mantenimiento
✓ Minimizar las instrucciones de montaje
✓ Proporcionar una fácil inserción y alineación
✓ Considerar la facilidad de manejo
✓ Diseño para la multifuncionalidad
✓ Diseño para facilitar la fabricación
✓ Preferir el diseño modular

Se sabe que el coste del ensamblaje
representa del 40 al 50% de los
costes totales del producto en una
amplia variedad de productos
industriales.
La diferencia entre DFA y DFM es
que DFA se ocupa únicamente de la
operación de montaje, mientras
que DFM se ocupa de todo el
proceso de fabricación.
La decisión sobre el método de
ensamblaje se basa en costes,
número total de piezas en el
producto, tasa de producción, etc.
DFA (DESIGN FOR ASSEMBLY)

• Número reducido de piezas
• Reducción de las operaciones de
ensamblaje y la complejidad de
las piezas
• Reducción del tiempo y coste de
montaje
• Coste de producto reducido
• Reducción del tiempo de
desarrollo de productos
• Inversión de capital reducida
• Menos versiones de diseño
• Ahorro de peso
• Mejor control de inventario
• Mejor calidad
VENTAJAS

• Partes desalineadas
• Piezas dañadas
• Defectos relacionados con
sujetadores
• Partes faltantes
• Piezas intercambiadas
• Interferencias de piezas como
piezas sueltas o apretadas
DEFECTOS RELACIONADOS CON EL MONTAJE

• Olvidar realizar acciones prescritas, lo que resulta en piezas faltantes
• Realizar acciones prohibidas, como lubricación incorrecta, tornillo incorrecto,
material incorrecto o selección incorrecta de piezas
• Mala interpretación del paso de fabricación.
• Errores causados durante la instalación de accesorios, herramientas y pieza de
trabajo
• Mal funcionamiento o errores de ajuste
• Trabajar en una pieza incorrecta
• Operaciones de procesamiento faltantes
DEFECTOS RELACIONADOS CON EL MONTAJE ERRORES HUMANOS

DFA (DESIGN FOR ASSEMBLY) : Ejemplos de buenos diseños para montaje

FIN DEL TEMA 1

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