Compendio de Principios Fundamentales en Diseño e Ingeniería de Productos

Cinemática

La cinemática es la rama de la mecánica que estudia el movimiento de los cuerpos sin considerar las causas que lo producen. A continuación, se presentan algunas relaciones fundamentales:

• Velocidad lineal y angular:
  • v1 = v2
  • ω1 * r1 = ω2 * r2
• Potencia (P):
  • P1 = P2
  • P = F * v (Potencia = Fuerza * Velocidad lineal)
• Relación entre fuerza, velocidad y potencia:
  • F1 * v1 = F2 * v2
  • F1 * ω1 * r1 = F2 * ω2 * r2
• Momento o Par (M):
  • M1 * ω1 = M2 * ω2
  • M = F * D (Momento = Fuerza * Distancia)
• Relación entre velocidad lineal y angular:
  • v = ω * r (Velocidad lineal = Velocidad angular * Radio)
• Conceptos de transmisión:
  • i = ω2 / ω1 (Relación de transmisión)
  • Motriz: Elemento que impulsa (generalmente a la izquierda en diagramas de transmisión).
  • Conducida: Elemento que recibe el movimiento (generalmente a la derecha en diagramas de transmisión).

Ventas y Costes

La comprensión de los costes y la fijación de precios son cruciales en el diseño y la ingeniería de productos.

• Precio de Venta (PV) o Valor Final:
  • PV = Costes + Beneficio de la empresa
• Valor Inicial:
  • Representa solo los costes de producción.
• Precio de Venta al Público (PVP):
  • PVP = PV + Impuestos (21%)
• Costes Totales:
  • Costes = Costes de materia prima + Costes de fabricación
• Rentabilidad o Margen (%):
  • Margen (%) = ((PV – Costes) / PV) * 100
• Coste Unitario para la Empresa:
  • Coste unitario = PV - Margen sobre el PV (según Merlo)
• Cálculo del Coste Unitario a partir del PVP:
  • Coste unitario = PVP / 1.21

Ensayo de Tracción

El ensayo de tracción es un método fundamental para determinar las propiedades mecánicas de los materiales.

Fórmulas Clave

• Resistencia a la Rotura (σr):
  • σr = Fmax / A (Fuerza máxima / Área de la sección transversal)
• Límite Elástico (σe):
  • σe = Felástica / A (Fuerza elástica / Área de la sección transversal)
• Alargamiento Porcentual (ε):
  • ε = ((Lf - Lo) / Lo) * 100 (Longitud final - Longitud inicial / Longitud inicial) * 100
• Densidad (ρ):
  • ρ = m / vol (Masa / Volumen)
• Fuerza (F):
  • F = m * g (Masa * Aceleración de la gravedad)
• Módulo de Young o Módulo Elástico (E):
  • E = σr / ε (Resistencia a la rotura / Alargamiento)

Definición de Términos

• σr (Or): Esfuerzo unitario o límite de rotura (expresado en N/mm²).
• σe (Oe): Límite elástico (expresado en Pascales, Pa).
• ε (3): Alargamiento porcentual (expresado en %).
• A: Área o sección de la muestra (expresado en mm²).
• E: Módulo elástico o Módulo de Young.

Protección de la Propiedad Industrial e Intelectual

La protección de los derechos sobre creaciones y marcas es esencial en el ámbito del diseño y la ingeniería.

• Derechos de Autor: Protegidos por 50 años.
• Diseños Industriales: Protegidos por 25 años.
• Marcas: Protegidas por 10 años (renovables).
• Patentes: Protegidas por 20 años.
• Modelos de Utilidad (MU): Protegidos por 10 años.

Diferencias clave:

• Patentes: Protegen productos o procedimientos nuevos que implican una actividad inventiva y son susceptibles de aplicación industrial.
• Modelos de Utilidad: Pueden proteger innovaciones o mejoras a productos ya existentes, que les confieren una ventaja práctica.

Estática

La estática es la rama de la mecánica que estudia las condiciones de equilibrio de los cuerpos sometidos a fuerzas.

• Condiciones de Equilibrio:
  • ΣF = 0 (La suma de todas las fuerzas es cero).
  • Esto implica: ΣFX = 0 (Suma de fuerzas en el eje X es cero) y ΣFY = 0 (Suma de fuerzas en el eje Y es cero).
• Ejemplos de Equilibrio de Fuerzas:
  • ΣFX = F1 + F2 = 0 → F2 = -F1 (Fuerzas opuestas y de igual magnitud).
  • ΣFY = N + P = 0 → P = -N (Peso y fuerza normal opuestas y de igual magnitud).

Cuando las fuerzas son concurrentes:

Las fuerzas actúan sobre el mismo punto o sus líneas de acción se cruzan en un punto.

• d = d’ (Distancias iguales)
• F = F’ (Fuerzas iguales)

Cuando las fuerzas no son concurrentes:

Las fuerzas no actúan sobre el mismo punto y sus líneas de acción no se cruzan.

• d ≠ d’ (Distancias diferentes)
• F ≠ F’ (Fuerzas diferentes)
• ΣM = 0 (La suma de todos los momentos o pares es cero).
• ΣM = F’ · d’ - F · d = 0

Leyes Fundamentales de la Estática

• Ley de la Palanca:
  • F * d = R * d' (Fuerza * Brazo de fuerza = Resistencia * Brazo de resistencia)
  • F * d - R * d' = 0
• Ley del Torno:
  • F * d = R * r (Fuerza * Brazo de fuerza = Resistencia * Radio del torno)
  • F * d - R * r = 0

Ensayos de Materiales Específicos

• Brinell: Mide la dureza de un material.
• Charpy: Mide la resistencia al choque o tenacidad de un material.
• Wohler: Mide la resistencia a la fatiga de un material.

Elementos de la Portada de una Patente

La portada de una patente contiene información clave sobre la invención y su protección.

• Solicitante (71): Persona u organización titular de los derechos de protección de la patente.
• Inventor (72): Creador de la invención.
• Oficina (19): Organismo de la Propiedad Intelectual (PI) responsable de la protección.
• Fecha de Solicitud (22): Fecha de inicio de la protección legal de la invención.
• Fecha de Publicación (43): Fecha en la que la invención se hace pública, permitiendo su consulta.
• Fecha de Prioridad (30): Fechas previas relacionadas con la protección actual, que pueden otorgar un derecho preferente.
• CIP (51): Código Internacional de Patentes que indica el ámbito técnico de la invención.

Fase de Decisión y Definición en el Diseño de Productos

Esta fase es crucial para establecer las bases del proyecto de diseño.

Variables Clave

• Origen del Proyecto:
  • Encargo: Desarrollo de un producto nuevo a petición de un cliente.
  • Rediseño: Mejora o actualización de un producto existente.
  • Nueva Oferta: Creación de un producto para ampliar la gama o entrar en un nuevo mercado.
• Volumen de Fabricación:
  • Series de pocas unidades: Producción artesanal o de nicho.
  • Series medianas: Producción de 500 a 5.000 unidades al año.
  • Series grandes: Producción masiva (miles o millones de unidades al año).
• Grado de Innovación:
  • Original: Producto completamente nuevo.
  • Adaptación: Modificación de un producto existente para un nuevo uso o mercado.
  • Variante: Pequeñas modificaciones estéticas o funcionales de un producto.
• Relación con el Mercado:
  • Mercado Nuevo: Se aborda una necesidad no cubierta.
  • Mercado de Ampliación: El producto se lanza en un mercado en fase de expansión.
  • Mercado Maduro: La necesidad ya está cubierta y el producto compite con ofertas existentes.
• Estrategia Competitiva:
  • Calidad y Prestaciones: Enfoque en la excelencia del producto.
  • Funcionalidad y Coste: Equilibrio entre utilidad y precio.
  • Innovación: Diferenciación a través de nuevas ideas y tecnologías.
  • Fiabilidad: Énfasis en la durabilidad y el buen funcionamiento.
  • Flexibilidad: Producto adaptable a las demandas específicas del cliente.
  • Servicio: Valor añadido a través de un servicio postventa de alta calidad.

Especificaciones del Producto

Las especificaciones definen los requisitos técnicos y funcionales del producto.

• Aspectos a considerar:
  • Función: Qué debe hacer el producto.
  • Medidas: Dimensiones y tolerancias.
  • Movimiento: Tipos de movimiento y rangos.
  • Fuerza: Cargas y resistencias.
  • Energía: Consumo y fuentes.
  • Materiales: Tipos y propiedades requeridas.
  • Señal y Control: Interacción y automatización.
  • Distribución: Logística y embalaje.
  • Vida Útil y Mantenimiento: Durabilidad y facilidad de reparación.
• Checklist de Especificación:
  • Concepto: Descripción de la función, medidas, etc.
  • Fecha: De elaboración o revisión.
  • Propuesta: Departamento que la ha realizado (ej. I+D).
  • Tipo: Si es un Requerimiento (R) o un Deseo (D).
  • Descripción Breve: Resumen conciso de la especificación.

Dimensiones de Gama de Productos

La estrategia de gama define cómo se estructuran los productos de una empresa.

• Tipología: Productos con arquitecturas y funciones diferentes, pero que actúan de forma coordinada en un mismo mercado (ej. línea de electrodomésticos).
• Escalonamiento: Misma tipología de productos en distintos tamaños o capacidades (ej. diferentes tallas de ropa o capacidades de almacenamiento).
• Opciones: Productos que presentan prestaciones adicionales o personalizaciones sobre un modelo base.

ECV 3: Diseño y Desarrollo de Productos

El proceso de diseño y desarrollo se divide en varias etapas clave.

Diseño Conceptual

El objetivo es ofrecer múltiples soluciones que cumplan con las especificaciones de requisitos. Se estudia la estructura funcional del producto.

• Caja Negra: En este enfoque, el sistema se diseña sin conocer sus procesos internos, centrándose únicamente en las entradas y salidas. Solo importa qué hace el sistema, no cómo lo hace.

Materialización

El objetivo es convertir la idea conceptual en un producto tangible. Es necesario validar el diseño o disposición (layout) mediante herramientas de Ingeniería Asistida por Computadora (CAE) y ensayos de prototipo.

Detalle

La misión de esta fase es prever y dimensionar cada elemento que interviene en el producto. Es crucial para garantizar la viabilidad y la calidad del producto final, ya que permite anticipar y resolver posibles problemas de fabricación.

Evaluación de Soluciones

Se analizan las soluciones propuestas bajo diferentes criterios.

• Modularidad: Capacidad de un producto de dividirse en unidades independientes que pueden combinarse fácilmente. Esto ofrece mayor flexibilidad en la producción y personalización.
• Complejidad: Se refiere al número de componentes de un producto. El objetivo de ingeniería es eliminar cualquier componente que no sea imprescindible. Menos complejidad optimiza el proceso de manufactura y reduce costes.

Procesos de Conformado

Los procesos de conformado modifican la forma de los materiales.

Por Temperatura

• Moldeo o Forja: Dar forma a un material caliente mediante presión o impacto.
• Extrusión: Pasar material a través de una matriz para darle una forma de sección transversal constante.
• Soplado: Inflar un material termoplástico caliente dentro de un molde para crear formas huecas.
• Inyección: Inyectar material fundido a alta presión en un molde para obtener una pieza con la forma deseada.

Por Deformación Plástica

• Embutición: Dar forma a una lámina metálica mediante presión para crear una pieza hueca.
• Laminación: Pasar material entre dos rodillos para reducir su espesor o darle una forma específica.
• Moldeo al Vacío: Calentar una lámina termoplástica y aplicar vacío para que se adapte a la forma de un molde.
• Compresión: Comprimir material en un molde caliente para darle forma.

Por Arranque de Viruta (Mecanizado)

• Corte: Separar material mediante herramientas de corte.
• Pulido: Alisar y dar brillo a una superficie mediante abrasión.
• Taladro: Crear orificios cilíndricos en un material.

Procesos de Unión

Los procesos de unión permiten ensamblar diferentes componentes.

Uniones Permanentes

Aquellas que no pueden separarse sin dañar las piezas o la unión.

• Fija: Ej. Remachado.
• Soldada: Unión mediante fusión de materiales.
• Adhesiva: Unión mediante el uso de adhesivos (ej. super pegamento).

Uniones No Permanentes

Aquellas que pueden separarse sin dañar las piezas.

• Desmontable: Ej. Uniones roscadas (tornillos y tuercas).
• Elástica: Unión que permite cierto movimiento o absorción de energía, ej. mediante muelles o resortes.
• Articulada/Rodamiento: Permite el movimiento relativo entre piezas, ej. rodamientos (como en un monopatín).

Clasificación de Materiales

Los materiales se clasifican según su composición y propiedades.

• Metales:
  • Férricos: Basados en hierro (ej. acero, fundición).
  • No Férricos: Otros metales (ej. aluminio, cobre, titanio).
• Polímeros:
  • Termoplásticos: Pueden ser fundidos y remoldeados repetidamente (ej. PET, PVC).
  • Elastómeros: Materiales elásticos que pueden deformarse y volver a su forma original (ej. caucho).
  • Termoestables: Se endurecen permanentemente al calentarse y no pueden ser remoldeados (ej. resinas epoxi).
• Cerámicos:
  • Arcillas: Materiales cerámicos tradicionales (ej. ladrillos, loza).
  • Refractarios: Resistentes a altas temperaturas.
  • Cristales: Materiales amorfos con estructura vítrea (ej. vidrio).
• Maderas:
  • Contrachapados: Láminas de madera pegadas con las vetas cruzadas.
  • Aglomerados: Partículas de madera unidas con resina.
  • Enlistonados: Tableros formados por listones de madera unidos.
• Fibras Textiles:
  • Naturales: De origen animal o vegetal (ej. algodón, lana).
  • Artificiales: Derivadas de materiales naturales modificados (ej. viscosa).
  • Sintéticas: Fabricadas a partir de polímeros sintéticos (ej. poliéster, nylon).