Metodología de fabricación y diseño de máquinas

344-Ampliación de Diseño de Máquinas
METODOLOGÍA
Índice
• El proceso de diseño
• Especificaciones
• Diseño conceptual
• Diseño de materialización
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METODOLOGÍA
El proceso de diseño
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Se han dado gran variedad de definiciones
Norma alemana VDI-222 (1986)
El proceso de diseño es una composición de 2 modelos:
• Modelo de las fases: etapas del proceso
• Ciclo básico de diseño: actividades en cada etapa
Etapa 1
Ciclo básico
de diseño
Etapa 2
Ciclo básico
de diseño
Etapa n
Ciclo básico
de diseño
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METODOLOGÍA
El proceso de diseño
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Modelo de las fases
1
Definición del objetivo
2
Determinación de funciones y estructuras funcionales
3
Búsqueda y combinación de principios de solución
4
División en módulos
5
Diseño preliminar
6
Diseño de detalle
7
Preparación de instrucciones para la producción y operación
Diseño conceptual
Diseño de materialización
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METODOLOGÍA
El proceso de diseño
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Ciclo básico de diseño
Análisis del problema
Formulación del problema
Síntesis de soluciones
Análisis de soluciones
Decisión
METODOLOGÍA
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Especificaciones
Es la primera fase del proceso de diseño.
Se definen las especificaciones de diseño del producto
(en ingles PDS)
Aspectos a considerar:
•Relación con el mercado
(nuevo o ya existente)
•Grado de innovación en el producto
(nuevos principios de solución o sólo ligeras modificaciones)
•Grado de innovación en los procesos
(nuevas formas de gestión o fabricación)
•Carácter del producto
(producto llave en mano o gran serie)
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METODOLOGÍA
Especificaciones
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Metodología:
• Listas de referencia: listas exhaustivas con conceptos susceptibles de
especificación para evitar olvidos
• Estudios de mercado
• Análisis de productos de la competencia
• Brainstorming (tormenta de ideas)
• Consideración de aspectos legales
Tipos de especificaciones:
Requerimientos (han de cumplirse necesariamente)
Deseos (deben intentarse cumplir)
Presentación de especificaciones:
Usar tablas resumen indicando: concepto especificado, fecha, persona
que propone, tipo, descripción (clara y breve)
Las especificaciones no deben hacer referencia a soluciones o formas
constructivas, sólo deben indicar objetivos
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METODOLOGÍA
Especificaciones
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METODOLOGÍA
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Especificaciones
Fuente: Carles Riba. Enginyeria Concurrent. UPC.
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METODOLOGÍA
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Especificaciones
Fuente: Carles Riba. Enginyeria Concurrent. UPC.
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METODOLOGÍA
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Diseño conceptual
En esta fase se establece la estructura de funciones que debe
incluir el producto y se seleccionan los principios de solución para
llevarlas a cabo
Esta fase es muy importante: su coste es bajo pero en ella se
determina aproximadamente el 70 % del coste final del producto
Estructura funcional
Función 1
Energía
Material
Señal
Energía
Función
1.1
Función
1.2
Función
1.3
Material
Señal
METODOLOGÍA
Diseño conceptual
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Metodología:
• Búsqueda de principios de solución por métodos:
Convencionales:
bibliografía, patentes, analogías con sistemas naturales,
competencia
Intuitivos o sintéticos:
brainstorming
Discursivos:
estudio sistemático de procesos físicos, búsqueda
sistemática con ayuda de esquemas de clasificación,
generación de variantes por inversión
•Selección de los principios de solución idóneos para cada funión:
Análisis de valor
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METODOLOGÍA
Diseño conceptual
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344-Ampliación de Diseño de Máquinas
METODOLOGÍA
Diseño conceptual
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METODOLOGÍA
Diseño conceptual
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344-Ampliación de Diseño de Máquinas
METODOLOGÍA
Diseño conceptual
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344-Ampliación de Diseño de Máquinas
METODOLOGÍA
Diseño conceptual
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Fases:
Definición de módulos
Diseño preliminar
Diseño de detalle
Problemática:
•Hay que realizar muchas tareas simultáneas (distribución tareas)
•Hay que repetir pasos y volver hacia atrás (realimentación)
•Las modificaciones en un área afectan a las otras
Las técnicas de ingeniería concurrente se centran en las gestión de
la información y relaciones para un buen desarrollo de esta fase en el
menor tiempo posible
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METODOLOGÍA
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Diseño de materialización
Definición de módulos:
•Motivos: constructivos o funcionales
Fabricante
Ventajas
Usuario
• Desarrollo en paralelo
• Facilidad montaje
• Fiabilidad, mantenimiento
• Uso de un mismo módulo en varios productos
• Tiempo de suministro menor
• Rapidez de reparación
• Posibilidad de modificar el producto
• Producto más fiable
Fabricante
• Módulos para varios productos no se puede optimizar
• Menor flexibilidad para adaptarse al cliente
• Mayor dificultad para variaciones del producto
Usuario
• Dificultad para obtener deseos específicos
• Pesos y volúmenes mayores
• Mayor coste de mantenimiento
Inconvenientes
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Diseño preliminar
• Software de síntesis y prediseño
• Ejemplos:
-
Síntesis y análisis de mecanismos
-
Software de layout arquitectónico e
industrial (minimiz. recorridos)
-
Layout de circuitos impresos
(PCB design)
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
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Diseño de detalle
Esta fase involucra la consideración de un gran número de aspectos que
intervienen en el dimensionado de las piezas:
• cumplimiento de la función
• eliminación de interferencias en el movimiento
• tensiones y deformaciones aceptables
• estabilidad adecuada
• anulación de problemas de resonancia
• factibilidad de montaje
• seguridad de uso
• mantenimiento
• coste, ...
Técnicas aplicables:
• Modelos geométricos (CAD)
• Modelos de ingeniería (CAE)
• Prototipos físicos (a tamaño real o a escala)
• Listas de referencia
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Listas de referencia
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Diseño de detalle. Sistemas CAD-CAE
Análisis másicos
y geométricos
Análisis de mecanismos
Análisis de
optimización
Análisis por elementos
finitos (FEM)
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Análisis másicos y geométricos
• Cálculo de distancias, ángulos, superficies, volúmenes
• Cálculo de masas
• Cálculo de momentos de inercia
• Cálculo de centros de masas y ejes principales de inercia
• Simulación de montajes
• Estimación de interferencias volumétricas
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
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Análisis de mecanismos
Se analiza el movimiento de un mecanismo compuesto por varios cuerpos
rígidos:
- análisis cinemático (posición, velocidad, aceleración)
- análisis dinámico (fuerzas, reacciones )
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Análisis por elementos finitos
• Análisis mecánicos : tensiones y deformaciones
- Estáticos
- Dinámicos
- Modales
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Análisis por elementos finitos
• Análisis térmicos: temperaturas
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Análisis por elementos finitos
• Análisis mecánicos de procesos de fabricación
- Doblado
- Embutición, extrusión
- Forja
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Análisis por elementos finitos
• Análisis de inyección de plásticos
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Análisis por elementos finitos
Otros análisis:
• Análisis del flujo de fluidos (CFD): velocidad
• Análisis del campo magnético: intensidad del campo
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Análisis de optimización
Incluyen un análisis de otro tipo que permite evaluar una solución
tentativa e irla aproximando a una solución mejor. Algunas
aplicaciones:
- Optimización de forma
- Optimización de colocación
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Análisis de optimización
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Tipos de modelos en análisis mecánico
Fuerzas estáticas
Movim.
cinemático
Deformación
elástica
Fuerzas
dinámicas
METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Tipos de modelos en análisis mecánico
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Tipos de modelos en análisis mecánico
1. Modelo estático
Fuerzas estáticas
1
Movim.
cinemático
Deformación
elástica
Fuerzas
dinámicas
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Tipos de modelos en análisis mecánico
2. Modelo elastoestático
Fuerzas estáticas
2
Movim.
cinemático
Deformación
elástica
Fuerzas
dinámicas
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Tipos de modelos en análisis mecánico
3. Modelo cinemático
Fuerzas estáticas
3
Movim.
cinemático
Deformación
elástica
Fuerzas
dinámicas
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Tipos de modelos en análisis mecánico
4. Modelo cinetoestático
Fuerzas estáticas
4
Movim.
cinemático
Deformación
elástica
Fuerzas
dinámicas
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Tipos de modelos en análisis mecánico
5. Modelo cinetodinámico
Fuerzas estáticas
Movim.
cinemático
Deformación
elástica
5
Fuerzas
dinámicas
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Tipos de modelos en análisis mecánico
6. Modelo elastodinámico
Fuerzas estáticas
Movim.
cinemático
Deformación
elástica
6
Fuerzas
dinámicas
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Tipos de modelos en análisis mecánico
7. Modelo
cinetoelastoestático
Fuerzas estáticas
7
Deformación
elástica
Fuerzas
dinámicas
Movim.
cinemático
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Tipos de modelos en análisis mecánico
8. Modelo
cinetoelastodinámico
Fuerzas estáticas
Movim.
cinemático
Deformación
elástica
8
Fuerzas
dinámicas
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Sistemas CAE comerciales
Pro/Mechanica
•Structure
•Modo FEM
Análisis por
elementos finitos
www.ptc.com
Mechanism
ProEngineer
CAD
Análisis de
mecanismos
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Sistemas CAE comerciales
www.mscsoftware.com
•MSC-Patran
•MSC-Nastran
•MSC-Marc
Análisis por
elementos finitos
• MSC-Adams
• Working model
Análisis de
mecanismos
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Sistemas CAE comerciales
Ansys
www.ansys.com
Ansys
Mechanical
Fluent
Análisis por
elementos finitos
Análisis de la
dinámica de
fluidos (CFD)
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Sistemas CAE comerciales
Dassault Systèmes
Abaqus
www.3ds.com
www.simulia.com
Análisis por
elementos finitos
CosmosWorks
Análisis por elementos finitos
CosmosMotion
CAD
Análisis de mecanismos
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Sistemas CAE comerciales
Siemens-Unigraphics- NX
www.ugs.com
•NX MasterFEM
•Femap
NX-CAD
Solid-Edge
CAD
Análisis por
elementos
finitos
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METODOLOGÍA
Diseño de materialización
344-Ampliación de Diseño de Máquinas
Sistemas CAE comerciales
Simulación de
inyección de
plásticos