INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica
Unidad Azcapotzalco
Sección de Estudios de Posgrado e Investigación
Diseño y Construcción de un Marco de Carga
para una Prótesis de Rodilla de Revisión
T E S I NA PARA OBTENER EL DIPLOMA DE
ESPECIALIDAD
EN INGENIERÍA MECÁNICA CON OPCIÓN:
INGENIERÍA DE PROYECTO MECÁNICO PRESENTA:
ALDO YUZEL MELENDEZ ORTEGA
DIRECTOR: Dr. Manuel Faraón Carbajal Romero
DEDICATORIAS
A MIS PADRES Y HERMANOS:
Los seres que me han brindado incondicionalmente su amor, cariño y confianza, compartiendo conmigo cada momento de tristeza, fracaso y éxito, enseñándome a vivir los bellos instantes de esta corta vida, a salir adelante con él trabajo honesto, agradeciéndoles infinitamente lo que soy, siempre los llevo en mi corazón.
A MI FAMILIA:
Las personas más lindas, por haber soportado durante toda su vida mi carácter, compartiendo su amistad y cariño conmigo, apoyándome en esos momentos difíciles de mi vida y expresarles sinceramente que los quiero muchísimo,
AGRADECIMIENTOS
A DIOS:
Por darme día a día la fortaleza para vivir con sentido, compartiendo el conocimiento, la convivencia y la confianza de las personas que me rodean, para vencer los obstáculos y tomar los retos que se presentan a futuro.
A MI DIRECTOR DE TESIS
A MIS PROFESORES DE LA S.E.P.I. AL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
MARCO DE CARGA PARA UNA
PRÓTESIS DE RODILLA DE
vi
TABLA DE CONTENIDO
TABLA DE CONTENIDO ... i
ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS ... v
SIMBOLOGÍA... x RESUMEN ... xii ABSTRACT ... xii OBJETIVO ... xiii JUSTIFICACIÓN ... xiii INTRODUCCIÓN ... xiv INDICE Capítulo 1 Estado del Arte 1.1. Antecedentes Generales...1
1.1.1. Importancia del Diseño Mecanico...1
1.1.2. Clasificación de Materiales...2
1.1.3. Clasificación de Ensayos...7
1.1.4. Criterios Típicos de Diseño...10
1.1.5. Planteamiento del Problema...10
Capítulo 2 Fundamentos Teóricos 2.1. Conceptos de Mecánica...12
2.2. Hipótesis de Resistencia...14
2.3. Métodos para elegir el material……...15
2.3.1. Método tradicional... ...17
2.3.2. Método Grafico...17
2.3.3. Método con la ayuda de bases de datos...18
Capítulo 3 Metodología para el Diseño 3.1. Historia del QFD...20
3.2. Proceso del QFD...20
3.3. Beneficios del QFD...23
vii
3.5. Metodología para el Diseño Conceptual...26
3.6. Clasificación de los Requerimientos del Cliente...26
3.6.1 Definición del Modelo Funcional...27
3.6.2. Generación de Conceptos...27
3.6.3 Tormenta de Ideas...27
3.6.4 La Sinéctica...27
3.7. Evaluación de Conceptos...27
3.7.1. Evaluación con Base en la Factibilidad del Concepto...28
3.7.2. Evaluación con Base en la Disponibilidad Tecnológica...28 3.7.3. Evaluación con Base en los Requerimientos del Cliente...29
3.7.4. Evaluación con Base en Matrices de Decisión...29
3.8. Metodología para el Diseño de Detalle...29
3.8.1. El Modelo Geométrico...30
3.8.2. El modelo de Manufactura...30
3.8.3 Restricciones...30
3.8.4 Metodología para el Diseño en Conjunto...31
3.9.3 Clasificación de los Requerimientos...34
3.9.4. Importancia Relativa de los Requerimientos de Calidad del Marco de Carga Parte Superior...37
3.9.5. Comparativo con Productos de la Competencia del Marco de Carga Parte Superior...38
3.9.6. Plan de Calidad del Marco de Carga Parte Superior...44
3.9.7. Relación de Mejora, Argumento de Venta e Importancia Absoluta del Marco de Carga Parte Superior...45
3.9.8. QFD de la Base para la Aplicación de la Carga...48
3.9.9. Clasificación de los Requerimientos...49
Capítulo 4 Diseño Conceptual y Construcción del Marco de Carga 4.1 Objetivo del diseño...60
4.1.2 Propiedades Mecánicas...61
viii
4.1.4 Generación y Construcción del Diseño del Marco de Carga...67
4.1.5 Ensayo a Compresión...71
4.1.6 Diseño Preliminar...75
4.1.7 Simulación y resultados de análisis del modelo en ANSYS...76
Conclusiones...84
ANEXOS...87
INDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Analogía de la Tecnología en la Historia Humana...2
Figura 1.2 Clasificación de Materiales...2
Figura 1.3.1 Bloques para Motor de Automóvil de Aleación de Acero...4
Figura 1.3.2 Polímeros Circuitos...4
Figura 1.3.3 Polímeros Madera Laminada...4
Figura 1.4 Horno de Cerámico...5
Figura 1.5 Circuitos Electrónicos...5
Figura 1.6.1 Técnicos Compuestos...6
Figura 1.6.2 Técnicos Compuestos...6
Figura 1.7.1 Técnicos Compuestos...7
Figura 1.7.2 Técnicos Compuestos...7
Figura 1.8 Capacidades Mecánicas...7
Figura 1.9 Ensayo de Tornillo para hueso...8
Figura 1.9.1 Ensayo de Placas...8
Figura 1.9.2 Ensayo de Fijación Intramedular...9
Figura 1.9.3 Ensayo de Fijación de Columna...9
Figura 1.9.4 Ensayo de Rodilla...10
Figura 2 Equilibrio Estático...12
Figura 2.1 Diagrama Esfuerzo-Deformación...13
Figura 2.2 Viga sometida a tracción...15
Figura 2.3 Mapa de Materiales...18
ix
Figura 3.2 Conceptos del QFD en países industrializados...21
Figura 3.3 Configuración Básica QFD de la Casa de la Calidad...22
Figura 3.4 Proceso de Calidad QFD para el Desarrollo...23
Figura 3.5 Lluvia de ideas...24
Figura 3.6 Técnicas para la Obtención de Información...25
Figura 3.7 Herramientas del QFD...26
Figura 3.7 Herramientas del QFD...26
Figura 3.8 Pasos para la Evaluación de Conceptos de Diseño...28
Figura 3.9 Estructura de la Metodología para el Diseño de Detalle...30
Figura 3.9.1 Estructura de la Metodología para el Diseño de Conjunto...31
Figura 3.10 Clasificación de Requerimientos...39
Figura 3.11 Clasificación de Requerimientos...53
Figura 4.1 Grafico r/d...61
Figura 4.2 Esfuerzo von-Mises...65
Figura 4.3 Definición de Straing...71
Figura 4.4 Strain Gage metalico...71
Figura 4.5 Tipos de fractura observados en una muestra sometida a cargas de compresión...72
Figura 4.6 Puente de Wheatstone...74
Figura 4.7 Marco de Carga...74
Figura 4.8 Máquina Universal...74
Figura 4.9 Marco de Carga...75
Figura 4.10 Mallado del marco...76
Figura 4.11 Deformación Total...76
Figura 4.12 Esfuerzo Principal...76
Figura 4.13 Mallado del marco 30°...78
Figura 4.14 Deformación Total 30°...78
Figura 4.15 Esfuerzo Principal 30°...78
Figura 4.16 Mallado del marco 45°...79
x
Figura 4.18 Esfuerzo Principal 45°...80
Figura 4.19 Mallado del marco 60°...81
Figura 4.20 Deformación Total 60°...81
Figura 4.21 Esfuerzo Principal 60°...81
INDICE DE TABLAS Y GRAFICAS Tabla 1. Lista de propiedades de los materiales que suelen usarse al seleccionarlos…………...17
Tabla. 3.1. Determinación de los Requerimientos del Marco de Carga Parte Superior………...33
Tabla 3.2 Identificación de Requerimientos de Calidad, Obligatorios y Deseables del Marco de Carga Parte Superior...35
Tabla 3.3 Identificación de Requerimientos de Calidad Deseables del Marco de Carga Parte Superior...36
Tabla 3.4 Matriz de Importancia Relativa en los Requerimientos Deseables del Marco de Carga Parte Superior... ...38
Tabla 3.5 Comparativo de los Requerimientos de Calidad del Marco de Carga Parte Superior……….39
Tabla 3.6 Requerimientos de Calidad y Requerimientos de Ingeniería del Marco de Carga Parte Superior...41
Tabla 3.7 Requerimientos de Calidad y Requerimientos de Ingeniería Parte Superior...44
Tabla 3.8 Identificación de Requerimientos de Calidad, Obligatorios y Deseables del Marco de Carga Parte Superior... ...47
Tabla 3.9 Determinación de los Requerimientos de la Base para la Aplicación de la Carga...48
Tabla 3.10 Identificación de Requerimientos de Calidad, Obligatorios y Deseables de la Base para la Carga...50
Tabla 3.11 Identificación de Requerimientos de Calidad Deseables para la Base de Carga...51
Tabla 3.12 Matriz de Importancia Relativa en los Requerimientos Deseables para la Base de Carga...52
Tabla 3.13 Comparativo de los Requerimientos de Calidad de la Base para la Carga...53
Tabla 3.14 Requerimientos de Calidad y Requerimientos de Ingeniería de la Base de Carga………54
Tabla 3.15 Requerimientos de Calidad y Requerimientos de Ingeniería para la Base de Carga...57
Tabla 3.16 Identificación de Requerimientos de Calida...58
Tabla 3.17 Características Generales de los Materiales Usados...61
Grafica 1 de Esfuerzos del Marco de Carga a 30°………79
Grafica 2 de Esfuerzos del Marco de Carga a 45°………80
Grafica 3 de Esfuerzos del Marco de Carga a 60°………82
xi
RESUMEN
En este trabajo de investigación, se hace incapie en la importancia que tiene el diseño mecánico el cual es importante y fundamental para crear reglas y normas haciendo posible a todos los que intervengan en el diseño, al mismo tiempo y en lugares diferentes interpretar y producir los mismos resultados. Eso es naturalmente es posible, cuando se tiene establecido de forma fija y constante, todas las reglas necesarias, para que el diseño deje un auténtico y propio lenguaje que cumpla con la función de transmitir y ejecutar las ideas y consejos del diseñador, en este proyecto de investigación nos apoyamos del QFD (quality function deployment) que es una herramienta, la cual implanta (al igual que la ingeniería concurrente) sobre la base del trabajo de equipos interfuncionales de mercado, ingeniería de diseño, calidad y producción.
Para lograr esto, se lleva a cabo la investigación de cómo funciona el QFD en la ingeniería, así como la indagación de las principales teorías y técnicas que se emplean para realizar un análisis de esfuerzos. Se realiza la búsqueda sobre el diseño de un Marco de Carga y la aplicación la simulación numérica sobre estas para poder plantear un diseño y hacer una metodología adecuada para realizar la evaluación de la propuesta mediante programas computacionales de diseño como ANSYS ®(WorkBench y APDL) y Solidworks®.
Con la comprensión de los conceptos de Mecánica de Materiales, se lleva a cabo el diseño y construcción de un Marco de Carga considerando las restricciones que requiere satisfacer las demandas del cliente del Marco de Carga.
ABSTRACT
In this research work, the importance of mechanical design is stressed, which has the fundamental need to create rules and norms making it possible for all those involved in the design, at the same time and in different places to interpret and produce the same results. That is of course possible, when you have a fixed and constant form, all the necessary rules, so that the design leaves an authentic and own language that fulfills the function of transmitting and executing the ideas and advice of the designer, in this research project we rely on QFD (quality function deployment) which is a tool, which is implemented (as well as concurrent engineering) based on the work of cross-functional market teams, design engineering, quality and production.
To achieve this, the investigation of how the QFD works in engineering is carried out, as well as the investigation of the main theories and techniques that are used to carry out an analysis of efforts. The research on the design of a Load Testing Framework and the application of the numerical simulation on these are carried out to be able to propose a design and to make a suitable methodology to carry out the evaluation of the proposal through computer design programs such as ANSYS (WorkBench and APDL) and Solidworks.
xii With the understanding of the concepts of Mechanics of Materials, the design and construction of a Load Frame is carried out considering the restrictions that need to satisfy the demands of the customer of the Load Frame.
JUSTIFICACIÓN
La presente investigación aborda el diseño en específico de un marco de carga, con el fin de disminuir directamente el problema del alto costo del dispositivo mecánico y realizar el análisis de la distribución de esfuerzos y deflexiones en el diseño de la parte tibial de la prótesis de revisión, proporcionando de esta manera conocimiento y sentando las bases tecnológicas para el desarrollo de un marco de carga.
El diseño de un marco de carga debe ofrecer la facilidad de ser versátil para permitir ser funcional en otro tipo de pruebas por ejemplo (en el análisis de las propiedades de materiales como la madera). Cuando se realiza este tipo de investigaciones dentro de la ingeniería es importante saber cómo y porque sé está diseñando, y para esto, es necesario apoyarse de una metodología de diseño capaz de ser clara y concisa.
xiii
OBJETIVO GENERAL Y PARTICULARES
Diseñar y construir un marco de carga a compresión para determinar la distribución de los esfuerzos en la parte tibial de un prototipo de prótesis de rodilla de revisión:
Aplicación de la metodología QFD para el Diseño y construcción de un marco de carga para una prótesis de rodilla de revisión que derive en un producto competitivo en el mercado y para disminuir directamente el alto costo del dispositivo.
Diseñar un marco de carga que permita variar el ángulo de aplicación de cargas a compresión con el software Solidworks®.
Determinar si el diseño es viable aplicando teoría de esfuerzos y teoría de falla con ayuda del software Ansys Workbench®.
Manufacturar el prototipo del marco de carga.
Realizar el ensayo con ayuda de galgas extensiometricas para observar el comportamiento del marco de carga cuando se le aplica la carga propuesta y se varía el ángulo de la aplicación de carga para el análisis de la distribución de esfuerzos y deformaciones en cada uno de ellos.
xiv
INTRODUCCIÓN
En este trabajo de “Diseño y construcción de un marco de carga para una prótesis de rodilla de revisión”, se necesitan tener bases en procesos de manufactura, diseño mecánico, también el conocer materiales típicos de ingeniería, los cuales presentan las propiedades mecánicas del comportamiento de un material bajo la aplicación de fuerzas externas , si bien es fundamental para el diseño estándar en ingeniería, se complementa y presenta información más allá del material sometido en algunas condiciones de fuerzas externas y todo este conocimiento aplicarlo conjuntamente con las herramientas básicas de la metodología QFD.
En el primer capítulo, se ofrece el estado del arte considerando aspectos muy importantes dentro del ámbito ingenieril como el desarrollo e importancia que tiene el diseño mecánico que abarca la necesidad fundamental del establecimiento de reglas y normas. Es evidente que en el diseño mecánico de una determinada pieza, posibilite a todos los que intervengan en su construcción, al mismo tiempo y en lugares diferentes, interpretar y producir piezas iguales. Así como conocer los materiales y su descripción para conocer su funcionalidad dentro del área del diseño mecánico.
En el segundo capítulo, se describen los fundamentos para la elección del material más apropiado, así como un repaso de los conceptos necesarios y de mayor importancia en el estudio de la Mecánica de Materiales.
Para el tercer capítulo, la aplicación de la metodología QFD, la identificación del cliente y el establecimiento de los requerimientos son desarrollados paso a paso.
En el Cuarto capítulo, el establecimiento de un modelo funcional, queda planteado de forma idónea y abstracta con ayuda de softwares de diseño como los son ANSYS y Solidworks. La descripción de la transformación del modelo funcional en un modelo concreto a través del planeamiento geométrico, plasmando los planos de diseño, cálculos y especificaciones del Marco de Carga.
El análisis de los resultados obtenidos por la aplicación de la metodología de diseño, están explícitos en la parte de conclusiones.
Capítulo 1
Estado del
Arte
El hombre, los materiales y la ingeniería han evolucionado en el transcurso del tiempo y continúan haciéndolo. El mundo actual es de cambios dinámicos y los materiales no son la excepción. A través de la historia, el progreso ha dependido de las mejoras de los materiales con los
1
1.1. Antecedentes Generales
El trabajo del hombre prehistórico estaba limitado a los materiales disponibles en la naturaleza como la piedra, madera, huesos y pieles. Con el transcurso del tiempo, pasaron de la Edad de Piedra a las nuevas edades de cobre (bronce) y de hierro. Los materiales y la ingeniería.
El hombre, los materiales y la ingeniería han evolucionado en el transcurso del tiempo y continúan haciéndolo. El mundo actual es de cambios dinámicos y los materiales no son la excepción. A través de la historia, el progreso ha dependido de las mejoras de los materiales con los que se trabaja.
Figura 1.1 Analogía del desarrollo de la Tecnología en la Historia Humana
El origen de la mecánica de materiales desde principios del siglo XVII, cuando Galileo llevo a cabo experimentos para estudiar los efectos de las cargas en barras y vigas de diversos materiales. Sin embargo, para alcanzar un entendimiento apropiado de tales efectos fue necesario establecer descripciones experimentales precisas de las propiedades mecánicas de un material. Los métodos para hacer esto fueron mejorando considerablemente a principios del siglo XVIII.
En aquel tiempo el estudio tanto experimental como teórico de esta materia fue emprendido, principalmente en Francia, por personalidades como Saint-Venant, Poisson, Lamé y Navier. Debido a que sus investigaciones se basaron en aplicaciones de la mecánica a los cuerpos materiales, llamaron a este estudio “resistencia de los materiales”. Sin embargo, hoy en día llamamos a lo mismo “mecánica de los cuerpos deformables” o simplemente “mecánica de los materiales”.
2
1.1.1. Importancia del Diseño Mecánico
Conocer los principios básicos del diseño mecánico para poder diseñar, seleccionar o construir elementos de máquinas cumpliendo con las normas internacionales de seguridad y calidad. Estudiar los principios básicos para el diseño de mecanismos y máquinas, seleccionando los elementos mecánicos y aplicar los en la realización de un proyecto de construcción de una máquina pequeña.
El diseño mecánico es el diseño de objetos y sistemas de naturaleza mecánica: máquinas, aparatos, estructuras, dispositivos e instrumentos. En su mayor parte el diseño mecánico hace uso de las matemáticas, la ciencia de los materiales y la ciencia mecánica aplicada. En ingeniería el diseño mecánico es resultado de investigaciones sobre el límite de fluencia de los materiales, valor de esfuerzo aplicado en el que el material comienza a deformarse permanentemente, adquiriendo propiedades diferentes a las que tenía antes de someterlo a una fuerza.
Diseñar es un plan para satisfacer una demanda. La necesidad particular que habrá que satisfacer puede estar completamente bien definida desde el principio.
Fases del diseño: Reconocimiento de la necesidad, definición del problema síntesis, análisis y optimización, evaluación y presentación.
Consideraciones de diseño
Resistencia •Confiabilidad •Propiedades Térmicas •Corrosión •Desgaste •Fricción •Costo •Seguridad •Peso duración •Ruido •Forma •Lubricación •Mantenimiento •Responsabilidad legal
CONSIDERACIONES DE ESFUERZO Y RESISTENCIA
La resistencia mecánica de un elemento es la capacidad que tiene este de reaccionar frente a diferentes acciones externas como pueden ser la tensión, la compresión y el corte.
3
1.1.2. Clasificación de Materiales
Figura 1.2 Clasificación de Materiales Metales
Los materialea metálicos ya sean puros o aleaciones (acero, aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido, titanio, cobre y níquel) tienen como caracteristica resistencia relativamente alta, alta rigidez, ductilidad, resistencia al impacto.Los metales conducen perfectamente el calor y la electricidad y son opacos a la luz visible; la superficie metalica pulida tiene apariencia lustrosa, además los metales son resistentes aunque deformables lo que contribuye a su utilización en aplicaciones estructurales.
Ejemplo
Aleacion de Acero aplicaciones: Llaves mecánicas son endurecidas significativamente mediante tratamientos térmicos.
Hierro Fundido Gris aplicaciones: Bloques para motor de automóvil y algunas de sus Propiedades: moldeable,maquinable,abosrbedor de vibraciones.
M ATERIA LES METALES POLÍMEROS CERÁMICA ELECTRÓNICOS TÉCNICOS COMPUESTOS SEMICONDUCTORES
4
Figura 1.3.1 Bloques para Motor de Automóvil de Aleación de Acero Polímeros
Los polímeros comprenden materiales que van desde los familiares plásticos al caucho. Se trata de compuestos orgánicos basados en el carbono, hidrógeno y otros elementos no metálicos caracterizados por la gran longitud de las estructuras moleculares. Los polímeros poseen densidades bajas y extraordinaria flexibilidad.
Ejemplo
Polímero Epóxico Aplicaciones: encapsulado de circuitos integrados Propiedades: Eléctricamente aislante y resistente a la humedad.
Polímero Fenólicos Aplicaciones: adhesivo para unir capas de madera laminada Propiedades: Fuertes y resistencia a la humedad.
Figura 1.3.2 Polímeros usados Circuitos Figura 1.3.3 Polímeros usados en Madera Laminada
Cerámicos
Los compuestos químicos constituidos por metales y no metales (óxido, nitruros y carburos) pertenecen al grupo de los cerámicos que incluyen minerales de arcilla, cemento y vidrio. Por lo general se trata de materiales que son aislantes eléctricos y térmicos y que a elevada temperatura y en ambientes agresivos son más resistentes que los metales y los polímeros. Desde el punto de vista mecánico las cerámicas son duras y muy frágiles.
Ejemplo
Las propiedades aislantes, junto con la alta resistencia al calor y al desgaste de muchos materiales cerámicos, los vuelve útiles en revestimientos de hornos para tratamientos térmicos y fusión de metales como el acero.
5
Figura 1.4 Horno de Cerámico Electrónicos
Los materiales electrónicos no son importantes por su volumen de producción, pero si por extremadamente por su avanzada tecnología. El material electrónico más importante es el silicio puro, al que se modifica de distintos modos para cambiar sus características eléctricas.
Muchos circuitos electrónicos complejos se pueden miniaturizar en un chip de silicio, los dispositivos microelectrónicos han hecho posibles nuevos productos, como los satélites de comunicaciones, las computadoras avanzadas, las calculadoras de bolsillo, los relojes digitales y los robots.
Figura 1.5 Circuitos Electrónicos
Técnicos Compuestos
Se han diseñado materiales compuestos formados por más de un tipo de material. La fibra de vidrio, que es vidrio en forma filamentosa embebido dentro de un material polimérico. Los materiales compuestos están diseñados para alcanzar la mejor combinación de las características de cada componente. La fibra de vidrio es mecánicamente resistente al vidrio y flexible debido al polímero. La mayoría de los materiales desarrollados últimamente son materiales compuestos.
Ejemplo
Compuesto:Grafito en matriz epóxica, Aplicación:Componente para aeronaves, Propiedades: Relación elevada resistencia-peso.
6 Compuesto: Carburo de Tugsteno-Cobalto, Aplicación: Herramientas de corte de carburo para maquinado, Propiedades: Alta dureza y de buena resistencia al impacto.
Figura 1.6.1 Tecnicos Compuestos Figura 1.6.2 Tecnicos Compuestos
Las actividades industriales fueron los motores para que el trabajo de elevación y de movimiento de cargas tenga un crecimiento sostenido en esta época. Como resultado de ello, se crearon varios tipos de equipos destinados a esta actividad, que puede desarrollarse en los más diversos ambientes y condiciones.
Semiconductores
Los semiconductores tienen propiedades eléctricas intermedias entre los conductores y los aislantes eléctricos. Las características eléctricas de los semiconductores son extremadamente sensibles a la presencia de diminutas concentraciones de átomos de impurezas. Estas concentraciones se deben controlar en regiones espaciales muy pequeñas. Los semiconductores posibilitan la fabricación de los circuitos integrados que han revolucionado en las últimas décadas las industrias electrónicas y de ordenadores. Ejemplo
Semiconductor:Silicio, Aplicaciones: Transistores y circuitos integrados, Propiedades: Comportamiento eléctrico único.
Semiconductor: Arseniuro de Galio, Aplicación: Sistema de fibras ópticas, Propiedades: Convierte señales eléctricas en luz.
7
1.1.3. Clasificación de Ensayos
¿QUÉ HACEMOS FRENTE A UN PRODUCTO?
Capacidades mecánicas
Figura 1.8 Capacidades Mecánicas
Ensayos
Son procedimientos normalizados o no, con los que se cuantifican las diferentes propiedades de los materiales y/o productos.
Normalizados – No normalizados
De Producto – De Materia Prima
Por Especialidad: In vitro, In vivo: biocompatibilidad, bioactividad, carcinogenidad, etc. Propiedades mecánicas: ensayos estáticos, ensayos dinámicos Propiedades químicas y corrosión: determinación de composición química, estudios de corrosión en diferentes medios (biológicos o no).
En el caso del análisis mecánico, permite evaluar situaciones complejas de carga sobre un determinado producto y/o material. No tiene en cuenta el proceso productivo.
Procedimiento. Especifica la metodología del ensayo.
Reporte / Informe Enuncia los aspectos que deben estar mencionados en el informe final. Algunos ejemplos de Ensayos
Tornillos para hueso
Es fundamental el grado de ajuste entre el atornillador y el tornillo ya que podría fallar el acople entre ambos, no permitiendo el correcto roscado del tornillo.
¿COMO SE COLOCA? ¿COMO PODRÍA FALLAR?
MATERIAL-DISEÑO COLOCA ?
¿COMO FUNCIONA? ¿COMO PODRÍA FALLAR?
8 - Un mal diseño de la rosca, genera que el tornillo no se enrosque o que la fuerza para hacerlo sea demasiado alta.
- La falta de rigidez torsional podría llevar durante la colocación a la rotura del tornillo. Clasificación de ensayos.
Figura 1.9 Ensayo de Tornillo para hueso Placas
La falta de rigidez a la flexión (aplicación en los 4 puntos) podría generar la pérdida de posición de la Placas podría generar la pérdida de posición de la placa y esfuerzos indebidos en el tornillo. Además una inadecuada rigidez no proporcionará el esfuerzo necesario para que el hueso se regenere.
Figura 1.9.1 Ensayo de Placas
Dispositivos de Fijación Intramedular (Clavos endomedulares)
Longitud de trabajo: longitud de sección contante que soporta cargas.
9
Figura 1.9.2 Ensayo de Fijación Intramedular
Fijaciones de columna
Proporcionar una inmovilización estable, restaurando la alineación normal de la columna sin causar daño neurológico. Debe asegurar una fusión ósea capaz de soportar las solicitaciones biomecánicas de la columna vertebral.
Conocer la carga/momento necesaria/o para producir movimiento relativo entre los componentes.
Figura 1.9.3 Ensayo de Fijación de Columna Ensayo de Rodilla
Este experimento permite realizar ensayos in vitro del prototipo de prótesis de rodilla de revisión mientras está sometida a cargas. De esta manera se pueden evaluar los efectos en la articulación y los desequilibrios en la estabilidad en el prototipo de prótesis de rodilla de revisión.
10
Figura 1.9.4 Ensayo de Rodilla 1.1.4. Criterios Típicos de Diseño
También existen criterios que deben tomarse en cuenta al diseñar diseño y construcción de un marco de carga para una prótesis de rodilla de revisión, algunos de estos son:
1. Un bajo peso que permite tener un manejo del marco de carga mucho más fácil.
2. Dimensiones mínimas según el tamaño de la pieza de trabajo. 3. El marco de carga permita la aplicación de diferentes cargas. 4. Rigidez para mantener la exactitud del marco de carga.
5. La fuerza máxima requerida; la seguridad y prevención de daños a los productos.
6. El mantenimiento debe ser fácil y rápido.
1.1.5. Planteamiento del Problema
Es necesaria la aportación de más conocimientos en cuestión de metodologías de diseño de un marco de carga, así como de la realización de la prueba de extensiometria en el prototipo de prótesis de rodilla de revisión.
Diseñar un el marco de carga para un prototipo de prótesis de rodilla de revisión, implica que tendrá la capacidad de asegurar la funcionalidad mecánica ya que se ensayara en la máquina universal del Laboratorio de Resistencia de Materiales de la ESIME Azcapotzalco que cuenta con una computadora personal y el software para el diseño y control de los ensayos. Se determinara la fuerza axial (N) que generaría la distribución de los esfuerzos en el Marco de Carga.
El conocimiento previo en las bases sobre diseño, dará la pauta para el desarrollo de este trabajo mediante la descripción de los fundamentos teóricos, es decir, la descripción del diseño de un marco de carga con ayuda del software ANSYS, así como la manufactura del mismo.
11
Capítulo 2
Fundamentos
Teóricos
Un diseñador de materiales siempre está queriendo encontrar el material ideal para su componente. Se pueden mencionar, entre otras
características, que un material ideal cumple con la siguiente lista de requisitos: Inagotable y siempre disponible para su reemplazo – que sea barato para refinar y producir – que sea fuerte, rígido, y
dimensionalmente estable a diferentes temperaturas – que sea liviano – que sea resistente a la corrosión y al desgaste.
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2.1. Conceptos de Mecánica
La mecánica de materiales es una rama de la mecánica que estudia las relaciones entre las cargas externas aplicadas a un cuerpo deformable y la intensidad de las fuerzas internas que actúan dentro del cuerpo.
En el diseño de cualquier estructura o máquina, es necesario primero, usar los principios de la estática para determinar las fuerzas que actúan sobre y dentro de los diversos miembros de la estructura. El tamaño de los perfiles, sus deflexiones y su estabilidad dependen no solo de las cargas internas, sino también del tipo de material de que están hechos.
Equilibrio Estático: Se define como aquella condición en la cual sometido el cuerpo a una serie de fuerzas y momentos exteriores se mantiene en reposo o con un movimiento uniforme:
Figura 2 Equilibrio Estático
Cuerpo elástico: Aquél que cuando desaparecen las fuerzas o momentos exteriores recuperan su forma o tamaño original.
Cuerpo inelástico: Aquél que cuando desaparecen las fuerzas o momentos no retorna perfectamente a su estado inicial.
Comportamiento plástico: Cuando las fuerzas aplicadas son grandes y al cesar estas fuerzas el cuerpo no retorna a su estado inicial y tiene una deformación permanente. Los cuerpos reales pueden sufrir cambios de forma o de volumen (e incluso la ruptura) aunque la resultante de las fuerzas exteriores sea cero.
La deformación de estructuras (estiramientos, acortamientos, flexiones, retorceduras, etc.) debido a la acción de fuerzas implica la aparición de esfuerzos que pueden llevar hasta la ruptura. El análisis de las deformaciones se relaciona con los cambios en la forma de la estructura que generan las cargas aplicadas.
13
Esfuerzo normal.
El esfuerzo es una medida de la fuerza por unidad de área (en la que se aplica) que causa la deformación.
Carga axial es aquella que aparece como resultante de un sistema de cargas, misma que transcurre por el eje centroidal de la sección del elemento cargado, ya sea en tensión o compresión.
1. Límite de elasticidad (E). Es la máxima tensión que se puede producirse sin que haya deformación permanente.
2. Límite de proporcionalidad (P). Es la máxima tensión que se puede producir en la zona donde la tensión es una función lineal. Suele coincidir con el anterior. 3. Límite de fluencia (B), también llamado límite aparente de elasticidad. Es una
medida arbitraria tomada por acuerdo internacional. Surge a partir del punto donde se produce una deformación de 0,2%.
4. Carga de rotura (R) o límite de rotura. Es la carga máxima por unidad de sección que resiste el material antes de romperse.
5. Rotura efectiva (U). Punto donde rompe la probeta.
6. Alargamiento de rotura. Es el alargamiento que sufre el material antes de romperse.
7. Estricción. Es la reducción de la sección que sufre la probeta en la zona de rotura. El alargamiento y la estricción se usan para ver el grado de ductilidad de los materiales.
14
Figura 2.1 Diagrama Esfuerzo-Deformación 2.2. Hipótesis de Resistencia
Primera hipótesis: elasticidad perfecta. Elasticidad es la propiedad del material tal que le permite recuperar su forma y dimensiones originales una vez quitada la carga. La elasticidad perfecta implica el cumplimiento de la Ley de Hooke, que establece una proporcionalidad entre las tensiones y las deformaciones, siendo E el Módulo de Elasticidad o Módulo de Young la constante de proporcionalidad.
ζ = E ⋅ ε
Ec. 1.1
Un material elástico no cumple necesariamente la ley de Hooke. No obstante, todo material que cumple dicha ley es elástico.
Una pieza de longitud Lo sometida a una fuerza tractiva, se alargará una cantidad δ que se denomina deformación. Se define como deformación unitaria la deformación por unidad de longitud:
ε = δ/L
0Ec. 1.2
Experimentalmente se demuestra que cuando un material se tracciona, existe no solo una deformación axial sino también una contracción lateral. Poisson demostró que dichas deformaciones eran proporcionales en el rango de elasticidad perfecta, siendo υ la constante de proporcionalidad que se denomina Módulo de Poisson. En el caso de los metales su valor es 0.3υ = −axial/lateral
La elasticidad perfecta para tensiones de cortadura implica que existe una proporcionalidad entre las tensiones η y la deformación angular γ:
η = G⋅ γ
Ec. 1.3
Donde
G
( ) . G se define como el Módulo de Elasticidad a Cortadura.
Segunda hipótesis: homogeneidad. Todas las piezas tienen las mismas propiedades en toda su extensión
Tercera hipótesis: isotropía. Todas las piezas tienen las mismas propiedades en todas las direcciones
15 Se presenta cuando sobre un elemento actúan dos fuerzas iguales pero de sentido contrario y que tienden a alargar el material. Para tener únicamente tracción, el esfuerzo de situarse en el centro de gravedad de la sección. Las tensiones se estudian en el sentido del corte. Si cortamos una sección perpendicular al esfuerzo a una distancia x y lo separamos del resto, el esfuerzo P nos dará tensiones ζ. Suponemos que las tensiones son uniformes, es decir, iguales en todos los puntos de la sección:
Figura 2.2 Viga sometida a tracción
Por convenio se considera que la tracción es positiva. Las deformaciones se deducen a partir de las siguientes expresiones:
ζ = E⋅ ε
Luego,
Ec. 1.4
Compresión
Se presenta cuando sobre una pieza actúan dos fuerzas iguales pero de sentido contrario y que tienden a acortar el material. Suponemos las mismas hipótesis e idéntico desarrollo que en compresión, salvo por el convenio de signos, que asigna valor negativo a la compresión.
( )
16
2.3. Métodos para elegir el material
La gran mayoría de avances tecnológicos logrados en la sociedad moderna, se han apoyado en el descubrimiento y desarrollo de materiales de ingeniería y proceso de fabricación usados en su obtención. Una adecuada selección de materiales y procesos, garantiza a los diseñadores de partes mecánicas su correcto funcionamiento de los componentes diseñados.
Desde el punto de vista práctico, la posibilidad de usar varios métodos y poderlos confrontar, garantiza una mayor eficiencia en la selección correcta del material en un fin específico.
En general, el refinamiento se hace de acuerdo con las propiedades exigidas por el componente a diseñar y sustentado con criterios como: disponibilidad, facilidad de obtención, vida de servicio, factores ambientales y costos, entre otros. De esta forma, se llega a la selección de un único del problema, se examina con mayor detenimiento cuál de los diferentes aceros se pueden usar con mayor confianza (si son aceros de bajo, medio o alto carbono o si son aceros de baja o alta aleación). La selección preliminar se puede hacer con base en los datos de del problema, se examina con mayor detenimiento cuál de los diferentes aceros se pueden usar con mayor confianza (si son aceros de bajo, medio o alto carbono o si son aceros de baja o alta aleación). La selección preliminar se puede hacer con base en los datos tipo de material, el cual debe resultar en el más apropiado para el fin pretendido.
Un diseñador de materiales siempre está queriendo encontrar el material ideal para su componente. Se pueden mencionar, entre otras características, que un material ideal cumple con la siguiente lista de requisitos: Inagotable y siempre disponible para su reemplazo – que sea barato para refinar y producir – que sea fuerte, rígido, y dimensionalmente estable a diferentes temperaturas – que sea liviano – que sea resistente a la corrosión y al desgaste – que no tenga efectos sobre el medio ambiente o las personas – que sea biodegradable – que tenga numeroso usos. Estos requisitos hacen que el ingeniero tenga dificultad en seleccionar el material ideal. Es por esto, que se usan métodos más o menos exactos, que permiten hacer una aproximación del material más idóneo para alguna aplicación.
En general, los métodos para selección de materiales se basan en una serie de parámetros entre físicos, mecánicos, térmicos, eléctricos y de fabricación que determinan la utilidad técnica de un material. Algunos de estos parámetros son mostrados en la siguiente tabla:
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Tabla 1. Lista de propiedades de los materiales que suelen usarse al seleccionarlos
Propiedades insensibles a la microestructura Propiedades sensibles a la microestructura Densidad, Módulo de elasticidad E, Conductividad térmica
Coeficiente de expansión térmica lineal, Punto de fusión, Tf Temperatura de transición vítrea, Tv para polímeros Corrosión uniforme, mm/año Costo por
unidad de masa.
Resistencia, (a la fluencia, a la tracción, última, etc.), Ductilidad Tenacidad a la fractura, Kic Fatiga y propiedades cíclicas,
fatiga por corrosión, Termofluencia Impacto, Dureza.
Otras propiedades
Facilidad de colado
Facilidad para tratar térmicamente Conformabilidad
Maquinabilidad Soldabilidad
2.3.1. Método tradicional
El ingeniero de materiales escoge el material que cree más adecuado, con base en la experiencia de partes que tiene un funcionamiento similar y que han mostrado buenos resultados. Este método es también conocido como materiales de ingeniería de partes similares. El método mantiene buena aceptación debido a lo siguiente: El ingeniero se siente seguro con un material usado y ensayado – Las características de proceso del acero son bien conocidas – La disponibilidad del acero está asegurada – Generalmente en un gran porcentaje de partes se usan aceros baratos, sin tratamiento térmico, evitando pérdida de tiempo en ensayos y procesos. Sin embargo, el uso de este método, en ocasiones conduce a serios problemas, ya que no se hace un estudio real del ambiente de trabajo del componente o equipo, el cual puede ser decisivo a la hora de escoger el material.
2.3.2. Método Grafico
Este método se apoya en graficas (conocidas como Mapas de Materiales), en las que se relacionan por pares ciertas propiedades de los materiales. El método fue diseñado exclusivamente para ser utilizado durante la etapa conceptual de la selección de materiales. En estos mapas se puede hacer una aproximación del material más adecuado (perteneciente a una determinada familia de materiales), con base en la relación de las propiedades más importantes que debe poseer el componente.
18 Como es de esperar, rara vez el comportamiento de un componente depende sólo de una propiedad. De igual manera, los mapas de materiales, también denominados diagramas de Ashby, muestran que las propiedades de las diferentes clases de materiales pueden variar en amplios intervalos (dependiendo del estado de estos), formando grupos que se ubican en áreas cerradas, zonas o campos en tales diagramas. Eso significa, que una misma familia de materiales puede tener una apreciable variación en sus propiedades, generando un campo o zona en los mapas. En estos mapas se relacionan entre otras, propiedades como resistencia, módulo de elasticidad, densidad, tenacidad, conductividad térmica, costes, etc.
Figura 2.3 Mapa de Materiales 2.3.3. Método con la ayuda de bases de datos
Existe una amplia gama de bases de datos sobre materiales, que han sido construidas para comercialización libre o son distribuidas por vendedores de materiales. Estas bases de datos son el resultado de investigaciones en ensayos de materiales. Las bases de datos se dividen básicamente en dos categorías, numéricas y literarias o de referencias bibliográficas. Dentro de las más importantes bases de datos están el banco de datos de la ASTM, la SAE, la ASM, la AISI, la NASA, etc.
19
Capítulo 3
Metodología
para el
Diseño
El QFD aporta un gran número de beneficios a las organizaciones que intentan incrementar su competitividad mejorando continuamente calidad, calidez y productividad. QFD aporta un gran número de beneficios a las organizaciones que intentan incrementar su competitividad mejorando continuamente calidad, calidez y productividad.
20
3.1. Historia del QFD
Un importante problema que enfrenta el proceso tradicional de desarrollo de productos es que los clientes hablan un lenguaje muy distinto al de los ingenieros. Ante este problema, una de las herramientas que permite incluir las necesidades del cliente en las especificaciones de diseño de un producto y su sistema de producción es el despliegue de la función de calidad o quality function deployment (QFD), la cual se logra implantar (al igual que la ingeniería concurrente) sobre la base del trabajo de equipos interfuncionales de mercado, ingeniería de diseño, calidad y producción
Su creador fue el japonés Yoji Akao quien diseño la herramienta en 1966.
3.2. Proceso del QFD
• Es un proceso que asegura que los deseos y las necesidades de los clientes sean traducidas en características técnicas.
Las características detectadas son manejadas mediante la función del diseño, mismo que debe ser manejado por un equipo multidisciplinario. Se basa en un diseño matricial que cruza los deseos de los clientes contra las características del diseño de los productos. QUE SE OBTIENE CON ESTA HERRAMIENTA:
• Conflictos entre la evaluación técnica y la evaluación del cliente. • Ventajas competitivas del producto.
• Áreas de oportunidad y mejora del producto.
• La herramienta implica una autoevaluación del producto, su diseño y su desempeño así como lo percibe el cliente contrastado contra lo que ofrece actualmente la competencia. • A continuación se desarrollará la metodología paso por paso explicando en cada etapa las características y conceptos correspondientes.
21
Figura 3.1 Secuencia que es Orientada por el QFD
Ventajas: la herramienta escucha la voz del consumidor y transmite ese mensaje a la empresa aterrizando en requerimientos y especificaciones.
Esta herramienta responde a una línea de acción y pensamiento oriental que tiene los siguientes rasgos:
Figura 3.2 Conceptos del QFD en países industrializados
E.U.A
Especificar los requerimientos
internos (Todo es importante).
Diseñar y fabricar según
especificaciones (Trabajar
alrededor de tolerancias).
Reaccionar a los problemas del
consumidor.
JAPÓN Desplegar la “voz del consumidor” (Decidir que es
importante).
Diseñar y fabricar con metas (Reducir la variación o
dispersión).
Optimizar el diseño del producto y del proceso.
22
Figura 3.3 Configuración Básica QFD de la Casa de la Calidad
Paso 1. En la matriz 1, se obtiene toda la información sobre los requerimientos del cliente, esta se usa para comparar las características técnicas del producto que se obtienen en la matriz 2, de estas, se originan las demás matrices.
Paso 2. Para la matriz 2 la determinación de los requerimientos y expectativas de cliente, define algunos datos técnicos sobre el producto en desarrollo.
Paso 3. En la matriz 3 se obtiene una ponderación de estos requerimientos del cliente, basándose en aquellos básicos y los requerimientos que el cliente desearía obtener en su producto a través de su importancia relativa.
Paso 4. En la matriz 4 se desarrolla un estudio comparativo usando como base las características de los requerimientos del cliente.
Interrelaciones 2. Requerimientos Técnicos -Características -Medidas de Rendimientos 4. Ponderación del Mercado -Prioridades del Cliente
-Evaluación de la competencia 3. Relaciones
¿Qué significan los requerimientos del cliente para el fabricante?
5. Prioridades de los Requerimientos Técnicos -Benchmarking Técnico
-Valores Objetivo 1. Voz del Cliente
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Paso 5. En la matriz 5, los requerimientos y expectativas del cliente se traducen mediante datos técnicos en términos de ingeniería que son mensurables y claros.
Paso 6. Para la matriz 6 se definen los objetivos de diseño una vez hecha la traducción en datos técnicos.
Paso 7. Esta matriz 7 realiza un plan de calidad del producto, la relación de mejora entre la importancia del cliente y la relativa, el argumento de venta obtenido y lo objetivos de mejora en niveles de satisfacción que se pretende integrar al cliente
Cada paso es desarrollado por una matriz que compone la configuración básica de la casa de la calidad, con la adición del séptimo paso, donde existe un estudio basado en un plan de calidad.
Figura 3.4 Proceso de Calidad QFD para el Desarrollo
3.3. Beneficios del QFD
El QFD aporta un gran número de beneficios a las organizaciones que intentan incrementar su competitividad mejorando continuamente calidad, calidez y productividad. El proceso tiene las bondades de estar orientado al cliente, eficiente en tiempo, enfocado al trabajo en equipo, dirigido hacia la documentación y proyectado a un plan de venta.
Orientado al Cliente: Una organización que está orientada al cliente es una organización
24 traduciéndose en requerimientos específicos para el desempeño de la organización y compararse cuidadosamente estudiando su competencia.
Eficiente en tiempo: Se reduce el tiempo de desarrollo, concentrando los requerimientos
del cliente específicos y claramente identificados, eliminando características nulas para el cliente.
Enfocado hacia el trabajo en equipo: Pensado hacia el trabajo en equipo, la toma de
decisiones están basadas en metodologías que aterrizan en lluvia de ideas y análisis a fondo en un ambiente de calidez.
Dirigido a la documentación: Todo proceso está plenamente documentado, reuniendo los
datos acerca de los procesos y resultados, donde constantemente cambia al ser actualizada la información que se descarta y queda obsoleta, principalmente cuando ocurre un trastorno en el desarrollo.
Figura 3.5 Lluvia de ideas
La información del cliente es muy importante, ya que al ser datos de entrada, también resulta ser dato de retroalimentación inmediata, permitiendo hacer ajustes sobre el proceso, ayudando a garantizar la calidad en el próximo lote con el mínimo de errores en el proceso.
La información del cliente puede clasificarse en varias categorías:
Información solicitada. Información no solicitada. Información aleatoria. Información estructurada. Información cualitativa. Información cuantitativa.
25
Figura 3.6 Técnicas para la Obtención de Información
Otras herramientas utilizadas por el QFD, además de las mencionadas anteriormente, son los diagramas de afinidad, el dígrafo de interrelaciones, el diagrama de árbol y el diagrama de matriz. Todas estas herramientas pueden ser aplicadas durante el desarrollo del QFD.
3.4. Diagramas utilizados en el QFD Diagrama de Afinidad
El diagrama de afinidad tiene la característica de promover el pensamiento creativo y la calidez en grupo, utilizado para derribar barreras creadas por fallas no contempladas, estructurando el proceso creativo organizando las ideas y permitiendo su discusión e interaccionadas con las mejoras de cada uno de los participantes del equipo de trabajo, apoyándose en respuestas planteadas en tarjetas, para después ser analizadas, eliminando el concepto de crítica.
Diagrama de Interrelaciones o Dígrafo
El diagrama de afinidad registra el proceso creativo, y al hacerlo identifica los aspectos e ideas con la meta específica del problema. El dígrafo de interrelaciones es utilizado para poner lógica al proceso de identificar las relaciones entre las diversas ideas anotadas en el diagrama de afinidad, apoyándose también en tarjetas.
Diagrama de Árbol
El diagrama de afinidad y el dígrafo de interrelaciones identifican los puntos o problemas y cuál es su interacción entre ellas. El diagrama de árbol muestra las tareas que necesitan ser terminadas para resolver el problema tomando en cuenta la identificación clara del problema por resolver para llegar a una sesión de tormenta de ideas.
26
Diagrama de Matriz
El diagrama de matriz se utiliza frecuentemente como herramienta principal del QFD, ya que identifica y despliega gráficamente las conexiones entre responsabilidades, tareas, funciones, etc., desarrollando un listado de elementos y permitiendo la codificación de sus intersecciones, permitiendo utilizar símbolos, números, letras, etc.
3.5. Metodología para el Diseño Conceptual
La fase del diseño conceptual requiere de creatividad dentro del proceso de diseño, y la originalidad del producto depende de las decisiones que se tomen, ya que tiene un impacto significativo en el costo de producción y el grado en que el producto satisface los requerimientos del cliente, depende en gran medida del concepto a partir del cual está desarrollado, con cierta medida de creatividad invertida durante su concepción. Esta fase se basa en la estrategia de la “forma sigue a la función”, se identifican las funciones que debe realizar el producto que responde a las expectativas del cliente, para después convertirlos en un modelo funcional. Después se generan conceptos de diseño, donde las ideas surgen para dar solución al problema y evaluar con la finalidad de obtener aquél que cumple con el objetivo.
Figura 3.7 Herramientas del QFD
3.6. Clasificación de los Requerimientos del Cliente
El objetivo de clarificar los requerimientos del cliente es establecer el enlace entre el proceso de diseño QFD y el diseño conceptual. Esto significa la revisión de resultados en la aplicación del QFD, y la comprensión de las metas de diseño planteadas, permitiendo establecer en el proyecto la función global de servicio e identificar los límites del sistema.
Función global de servicio: Implica una actividad que es capaz de realizar el elemento en conjunto.
27 Límites del sistema: límites entre aquellos que se van a diseñar y el entorno
que lo rodea y restringe.
3.6.1 Definición del Modelo Funcional
En la definición del modelo se determinan qué funciones son necesarias para satisfacer los requerimientos del cliente, jerarquizarlas, determinar la relación que se debe tener entre ellas, y describirlo gráficamente, siguiendo un análisis funcional descendente. Este análisis es un método gráfico de las funciones en un sistema, y está basado en una sucesión coherente de diagramas procediendo desde lo general hasta lo particular en cada uno de los niveles obtenidos.
3.6.2.Generación de Conceptos
La principal estrategia es la generación de conceptos en la mayor cantidad posible, utilizando técnicas como “tormenta de ideas” o la sinéctica.
3.6.3 Tormenta de Ideas
Consta de dos tiempos, el primero es la deliberación con el único objetivo de obtener una serie de ideas encaminadas a resolver un problema, el segundo trata de determinar el valor de las ideas y realizarles mejoras, combinado con ciertas reglas:
1. El juicio crítico es excluido reservándose para otro momento. 2. Las ideas deben fluir sin importar lo absurda que parezca. 3. Generar la mayor cantidad de ideas.
4. Combinar y mejorar las ideas generadas.
3.6.4 La Sinéctica
Del griego “unir”, la técnica trata de la combinación de elementos heterogéneos con razonamiento lógico tradicional, para llegar a desarrollar la habilidad de detectar paralelismos o conexiones entre tópicos aparentemente similares, basándose en la analogía personal, la analogía directa, la analogía simbólica y la analogía fantástica.
3.7. Evaluación de Conceptos
Esta es la parte final del diseño conceptual, el objetivo es seleccionar el mejor concepto de diseño entre la gran mayoría de los que se generaron, con la menor cantidad de inversión en recursos y llegar a convertirlo en un producto definido, sometiéndose a las técnicas de evaluación como factibilidad, disponibilidad tecnológica, filtro pasa/no-pasa y matriz de decisión.
28
Figura 3.8 Pasos para la Evaluación de Conceptos de Diseño
3.7.1. Evaluación con Base en la Factibilidad del Concepto
De manera general, los primeros juicios se hacen basándose en la experiencia y el conocimiento acumulado durante la vida profesional, esto permite considerar las siguientes relaciones:
No es factible: Debido a que el concepto es muy diferente, y que no ayuda nada en
resolver el problema.
Es factible a condición: Se considera que el concepto podría funcionar a condición
que surja alguna acción que lo adapte al problema.
3.7.2. Evaluación con Base en la Disponibilidad Tecnológica
Esta técnica implica si la tecnología a utilizar está desarrollada y madura, disponible y al alcance para su aplicación; algunas ocasiones los proyectos de diseño tienen límites debido a este punto y normalmente obliga a invertir esfuerzos y recursos para incorporarlas.
Puede suceder que la tecnología esté desarrollada y madura, hay que tomar en cuenta si está disponible, debido a los derechos que posee la empresa de la competencia, ya que puede estar reservada para instituciones de seguridad nacional; también puede ocurrir que la tecnología esté desarrollada y disponible, pero que esté al alcance es otro punto a
29 considerar debido a razones económicas o políticas que involucran términos legales para quienes desarrollan un producto.
3.7.3. Evaluación con Base en los Requerimientos del Cliente
La evaluación está dada por la confrontación directa con los requerimientos del cliente y se verifica si cumple o no con tales requisitos, permitiendo más adelante hacer modificaciones para que cumpla con ellos.
3.7.4. Evaluación con Base en Matrices de Decisión
Esta técnica compara los conceptos con otros en la capacidad para cumplir los requerimientos del cliente, los resultados proporcionan las bases para identificar las mejores acciones y permite contar con una referencia para la toma de decisiones en cuatro sencillos pasos.
1. Establecimiento de los criterios de comparación 2. Selección de las ideas a comparar
3. Definición de conceptos como objetivos y después calificarlo 4. Cálculo de la calificación total
3.8. Metodología para el Diseño de Detalle
El objetivo consiste en convertir el concepto idealizado, un croquis, un bosquejo, etc. Con un conjunto de símbolos expresados en formas de lenguaje como el semántico, analítico, gráfico y físico, es decir, en especificaciones, cálculos, dibujos, modelos y prototipos en un objeto físico.
En esta fase la abstracción del modelo funcional, debe convertirse en un modelo concreto, expresado en formas, dimensiones, acabados, especificaciones, etc.
30
Figura 3.9 Estructura de la Metodología para el Diseño de Detalle
.
3.8.1. El Modelo Geométrico
El modelo geométrico consiste en la concepción del conjunto, a los subconjuntos y a los componentes aislados. Su elaboración es definir formas y dimensiones de los componentes y del conjunto, partiendo de lo general a lo particular, es decir, comienza con el diseño de conjunto, y concluye con la descripción de la técnica, precisa de cada componente.
3.8.2. El modelo de Manufactura
El modelo de manufactura es el conjunto de documentos técnicos que expresan las características del producto diseñado a través de especificaciones que permite la fabricación del producto, desde la definición de formas de cada componente que se requiera fabricar, hasta las dimensiones con límites de tolerancia, los materiales que se emplean, la rugosidad de superficies, los eventuales tratamientos y recubrimientos superficiales, las condiciones de manejo y almacenamiento, las condiciones de inspección y pruebas funcionales, etc., toda la información necesaria para un producto de calidad.
3.8.3 Restricciones
La teoría de acotación incluye los conocimientos para asignar el tamaño, la forma y la textura de las superficies de los objetos técnicos producidos mediante los procesos industriales. La forma y los dibujos de detalle deben ser suficientemente claros y completos sin ambigüedades, así como la acotación de longitudes debe tomarse en cuenta todas las restricciones en sus diferentes orígenes.
Restricciones por cargas externas: Pueden ser mecánicas, térmicas, eléctricas
o químicas.
Restricciones espaciales: Con otras piezas, sistemas completos o con seres
31 Restricciones funcionales: Asociadas principalmente con el ensamble.
Restricciones por manufactura: Importancia entre límites de tamaño, exactitud,
forma, textura y normalización.
Restricciones por normalización: Consideraciones por piezas intercambiables,
registros, etc.
Restricciones legales: normalmente aplicados a todo tipo de diseño.
3.8.4 Metodología para el Diseño en Conjunto
Esto solo es una recapitulación sobre lo ya analizado con anterioridad.
Figura 3.9.1 Estructura de la Metodología para el Diseño de Conjunto
1. Se consideran los componentes que forman parte del sistema mecánico. 2. Definición de procesos de fabricación y materiales en el producto para el
proceso de diseño.
3. Tomar en cuenta todas las restricciones y limitantes. 4. Funcionalidad con el menor número de piezas. 5. Consideración de componentes sometidas a cargas.
6. Revisión entre el trabajo de diseño y las metas establecidas.
Las consideraciones anteriores, son los fundamentos y argumentos básicos necesarios para su aplicación en el desarrollo del “Diseño y construcción de un marco de carga
32
para una prótesis de rodilla de revisión”, en los puntos siguientes se desenvuelven de manera explícita de acuerdo con lo descrito.
3.9. Metodología QFD (Aplicación sobre el diseño)
En este capítulo se presentan las características del Diseño y construcción de un marco de carga para una prótesis de rodilla de revisión, a través de la aplicación del QFD (Despliegue de Funciones de Calidad). Este marca los requerimientos necesarios, estableciendo las características de diseño mediante la interpretación de la voz del cliente y permitiendo la definición de metas y objetivos de diseño.
3.9.1 Identificación del Cliente
La metodología QFD permite identificar al cliente y/o clientes potenciales interesados en el Diseño y construcción de un marco de carga para una prótesis de rodilla de revisión.
3.9.2 Determinación de los Requerimientos y Expectativas del Cliente
El diseño está basado en los requerimientos para realizar una prueba de extensiometria y poder observar las deflexiones provocadas por una carga en una prótesis de rodilla de revisión que complementara la Maestría “REDISEÑO DE UNA PRÓTESIS DE REVISIÓN DE RODILLA “que se realiza en el área de Posgrado del Instituto Politécnico Nacional (SEPI-IPN).
-características que debe cumplir el diseño del producto-
“Diseñar y construir un marco de carga a compresión para determinar las deformaciones en la parte tibial de un prototipo de prótesis de rodilla de revisión”.
La información es recopilada y clasificada según su importancia, siendo utilizada durante el desarrollo.
33
Tabla. 3.1. Determinación de los Requerimientos del Marco de Carga Parte Superior
A El marco de carga sea lo más ligero posible. B Permita la aplicación de diferentes cargas. C Sea fácil de reparar.
D Garantizar un posicionamiento perpendicular a la carga. E Sea de bajo costo.
F El mantenimiento sea fácil en cada uno de sus componentes.
G El marco de carga debe asegurarse bajo condiciones de aceleración máxima en un tiempo corto del proceso.
H Sea un equipo seguro.
I La fabricación y el ensamble sean fáciles. J Resistente a golpes.
K Sea rígido para mantener la exactitud. L Tenga estabilidad.
M Sea resistente a la corrosión.
N Se mantenga libre de impurezas ambientales de trabajo. O Sea fácil de instalar.
P Sus accesorios y repuestos sean económicos.
Q Tenga tiempo mínimo de fabricación, ensamble y prueba. R Tenga una vida útil mayor a 50 ciclos.
S Tenga un rango de temperatura a operar de –10 a 50 C. T La mayoría de las piezas sean reciclables.
U Sus dimensiones abarquen el área donde se aplicara la carga.
En la tabla se especifican todos aquellos requisitos y expectativas del cliente sobre lo que espera obtener en el producto en cuestión, por lo que agrupar según el tipo, definirá aún más los requerimientos que son obligatorios durante el diseño y ponderar a los que son deseables.
34
3.9.3 Clasificación de los Requerimientos
DESEMPEÑO FUNCIONAL
A. El marco de carga sea lo más ligero posible
B. Permita la aplicación de diferentes cargas.
D. Haya un posicionamiento perpendicular a la carga.
G. El marco de carga debe asegurarse bajo condiciones de aceleración máxima en un tiempo corto del proceso.
H. Sea un equipo seguro.
J. Resistente a golpes
K. Sea rígido para mantener la exactitud.
L. Tenga estabilidad.
M. Sea resistente a la corrosión.
N. Se mantenga libre de impurezas ambientales de trabajo.
R. Vida útil mínima mayor a 5000 ciclos.
S. Tenga un rango de temperatura a operar de –10 a 50 C.
T. La mayoría de las piezas sean reciclables.
LÍMITE DE ESPACIO
U. Sus dimensiones abarquen el área donde se aplicara la carga.
O. Sea fácil de instalar.
CONSERVACIÓN
C. Sea fácil de reparar.
F. El mantenimiento sea fácil en cada uno de sus componentes.
TIEMPO
Q. Sea el tiempo mínimo de fabricación, ensamble y prueba.
COSTO
E. Sea de costo económico.
P. Sus accesorios y repuestos sean económicos.
MANUFACTURA
I.La fabricación y el ensamble sean fáciles.
La clasificación permite identificar los requerimientos deseables, esto con la finalidad de determinar su importancia relativa y tomarlos en cuenta durante el diseño, esperando como resultado, mayor satisfacción en el cliente.
