EL PROCESO DE DISEÑO DE INGENIERÍA
by Seyyed Khandani, Ph.D.
Seyyed Khandani tiene un doctorado. en Ingeniería Mecánica del MIT y actualmente es un
profesor de ingeniería en Diablo Valley College en Pleasant Hill, California.
Documento traducido
Traducido por Ing. Jovanny Duque
PREFACIO
Este documento está diseñado como una introducción de cómo se diseñan los productos de ingeniería. Está destinado a ser utilizado en un curso introductorio de diseño en ingeniería con el objetivo de proporcionar alguna experiencia práctica para las personas interesadas en explorar disciplinas de la ingeniería.
Este documento se prepara en base a la experiencia del autor* mientras completaba una beca de verano en Solectron Corporation en Milpitas, California. Esta beca fue coordinada por la Industry Initiatives for Science and Math Education (IISME) en 2005.
Me gustaría agradecer especialmente al Sr. Hoshang Vaid, como mi mentor principal, en Solectron Corporation, cuyo apoyo y orientación continuos han hecho que mi experiencia de beca sea muy productiva y educativa. Además, me gustaría extender mi agradecimiento a los otros miembros del departamento de Diseño e Ingeniería de Solectron Corporation por hacer que mi experiencia sea agradable.
ANTECEDENTES
Si te tomas un momento para observar tu entorno, verás ejemplos de creatividad tecnológica. Los objetos físicos que ves ya sean teléfonos, automóviles, bicicletas o electrodomésticos, todos surgieron a través de la aplicación creativa de la tecnología. Estos inventos cotidianos no aparecieron milagrosamente, sino que se originaron en las mentes de los seres humanos y tardaron en desarrollarse. La ingeniería es el proceso creativo de convertir ideas abstractas en representaciones físicas (productos o sistemas). Lo que distingue a los ingenieros de los pintores, poetas o escultores es que los ingenieros aplican sus energías creativas para producir productos o sistemas que satisfagan las necesidades humanas. Este acto creativo se llama diseño.
DISEÑO DE INGENIERÍA
La mayoría de los diseños de ingeniería se pueden clasificar como invenciones: dispositivos o sistemas que se crean por el esfuerzo humano y no existían antes o son mejoras sobre los dispositivos o sistemas existentes. Las invenciones, o diseños, no aparecen repentinamente de la nada. Son el resultado de reunir tecnologías para satisfacer las necesidades humanas o resolver problemas. A veces, un diseño es el resultado de alguien que intenta hacer una tarea de manera más rápida o eficiente. La actividad de diseño ocurre durante un período de tiempo y requiere una metodología paso a paso.
Describimos a los ingenieros principalmente como solucionadores de problemas. Lo que distingue al diseño de otros tipos de resolución de problemas es la naturaleza tanto del problema como de la solución. Los problemas de diseño son de naturaleza abierta, lo que significa que tienen más de una solución correcta. El resultado o la solución a un problema de diseño es un sistema que posee propiedades especificadas.
Los problemas de diseño suelen estar más vagamente definidos que los problemas de análisis. Supongamos que se le pide que determine la altura máxima de una bola de nieve dada una velocidad inicial y una altura de liberación. Este es un problema de análisis porque tiene una sola respuesta. Si cambia la declaración del problema para que diga: "Diseñe un dispositivo para lanzar una bola de nieve de 1 libra a una altura de al menos 160 pies", este problema de análisis se convierte en un problema de diseño. La solución al problema de diseño es un sistema que tiene propiedades especificadas (capaz de lanzar una bola de nieve a 160 pies), mientras que la solución al problema de análisis consistió en las propiedades de un sistema dado (la altura de la bola de nieve).
Por lo tanto, la solución a un problema de diseño es abierta, ya que hay muchos posibles dispositivos que pueden lanzar una bola de nieve a una altura determinada. El problema original era una de única solución: la altura máxima de la bola de nieve, determinada a partir de las condiciones iniciales especificadas.
Resolver problemas de diseño es a menudo un proceso iterativo: a medida que evoluciona la solución de un problema de diseño, te encuentras continuamente refinando el diseño. Al implementar la solución a un problema de diseño, puede descubrir que la solución que ha desarrollado no es segura, demasiado costosa o no funcionará. A continuación, "vuelve a la mesa de dibujo" y modifica la solución hasta que cumpla con sus requisitos. Por ejemplo, el avión de los hermanos Wright no voló perfectamente la primera vez. Comenzaron un programa para construir un avión realizando primero pruebas con cometas y luego planeadores. Antes de intentar el vuelo motorizado, resolvieron el problema esencial de controlar el movimiento de un avión al subir, descender y girar. No construyeron un avión motorizado hasta después de hacer más de 700 vuelos exitosos de planeadores. Por lo tanto, la actividad de diseño es de naturaleza cíclica o iterativa, mientras que el problema de análisis es principalmente secuencial.
La solución a un problema de diseño no aparece repentinamente en el vacío. Una buena solución requiere una metodología o proceso. Probablemente hay tantos procesos de diseño como ingenieros. Por lo tanto, esta lección no presenta un enfoque rígido de "libro de cocina" para el diseño, sino que presenta una aplicación general de la metodología de resolución de problemas de cinco pasos asociada con el proceso de diseño. El proceso descrito aquí es general, y puede adaptarlo al problema particular que está tratando de resolver.
EL PROCESO DE DISEÑO
El proceso básico de cinco pasos generalmente utilizado en la resolución de problemas también funciona para problemas de diseño. Dado que los problemas de diseño generalmente se definen de manera más vaga y tienen una multitud de respuestas correctas, el proceso puede requerir retrocesos e iteraciones. La solución de un problema de diseño es un proceso contingente y la solución está sujeta a complicaciones y cambios imprevistos a medida que se desarrolla. Hasta que los hermanos Wright realmente construyeron y probaron sus primeros planeadores, no sabían los problemas y dificultades que enfrentarían para controlar un avión motorizado.
Los cinco pasos utilizados para resolver problemas de diseño son:
1. Definir el problema
2. Recopilar información pertinente
3. Generar múltiples soluciones
4. Analizar y seleccionar una solución
5. Probar e implementar la solución
El primer paso en el proceso de diseño es la definición del problema. Esta definición generalmente contiene una lista de los requisitos del producto o del cliente y, especialmente, información sobre las funciones y características del producto, entre otras cosas. En el siguiente paso, se obtiene información relevante para el diseño del producto y sus especificaciones funcionales. Se debe realizar una encuesta sobre la disponibilidad de productos similares en el mercado en esta etapa. Una vez que los detalles del diseño están claramente identificados, el equipo de diseño con aportes de los equipos de prueba, fabricación y marketing genera múltiples alternativas para lograr los objetivos y los requisitos del diseño. Teniendo en cuenta el costo, la seguridad y otros criterios de selección, se seleccionan las alternativas más prometedoras para su posterior análisis.
El diseño detallado y el paso de análisis permiten un estudio completo de las soluciones y dan como resultado la identificación del diseño final que mejor se adapte a los requisitos del producto. Después de este paso, se construye un prototipo del diseño y se realizan pruebas funcionales para verificar y posiblemente modificar el diseño.
Al resolver un problema de diseño, puede encontrar en cualquier punto del proceso que necesita volver a un paso anterior. La solución que eligió puede resultar inviable por varias razones y puede requerir redefinir el problema, recopilar más información o generar diferentes soluciones. Este proceso iterativo continuo se representa en la siguiente figura.
Este documento pretende aclarar algunos de los detalles involucrados en la implementación del proceso de diseño. Por lo tanto, a continuación se enumera una descripción de los detalles involucrados en cada paso del proceso de diseño. Aunque las descripciones de las actividades dentro de cada paso pueden dar la impresión de que los pasos son secuenciales e independientes entre sí, la naturaleza iterativa de la aplicación del proceso debe tenerse en cuenta en todo el documento.
1. DEFINIR EL PROBLEMA
Debe comenzar la solución a un problema de diseño con una definición clara e inequívoca del problema. A diferencia de un problema de análisis, un problema de diseño a menudo comienza como una idea vaga y abstracta en la mente del diseñador. Crear una definición clara de un problema de diseño es más difícil que definir un problema de análisis. La definición de un problema de diseño puede evolucionar a través de una serie de sistemas o procesos a medida que desarrolla una comprensión más completa del problema.
Identificar y establecer la necesidad
La actividad de diseño de ingeniería siempre ocurre en respuesta a una necesidad humana. Antes de poder desarrollar una declaración de definición de problema para un problema de diseño, debe reconocer la necesidad de un nuevo producto, sistema o máquina. Thomas Newcomen vio la necesidad de una máquina para bombear el agua del fondo de las minas de carbón en Inglaterra. Reconocer esta necesidad humana le proporcionó el estímulo para diseñar la primera máquina de vapor en 1712.
Antes de que los ingenieros puedan definir claramente un problema de diseño, deben ver y comprender esta necesidad.
Aunque los ingenieros generalmente están involucrados en la definición del problema, es posible que no sean los que inicialmente reconozcan la necesidad. En la industria privada, las fuerzas del mercado generalmente establecen la necesidad de un nuevo diseño. La supervivencia de una empresa depende de la producción de un producto que la gente comprará y puede ser fabricado y vendido con un beneficio. En última instancia, los consumidores establecen una necesidad, porque comprarán y usarán un producto que perciben como satisfactorio a una necesidad de comodidad, salud, recreación, transporte, refugio, etc. Del mismo modo, los ciudadanos de un gobierno deciden si necesitan agua potable, carreteras y autopistas, bibliotecas, escuelas, protección contra incendios, etc.
La necesidad percibida, sin embargo, puede no ser la necesidad real. Antes de profundizar en los detalles de la producción de una solución, debe asegurarse de tener suficiente información para generar una definición de problema clara e inequívoca que aborde la necesidad real.
El ejemplo siguiente ilustra la importancia de comprender la necesidad antes de intentar una solución.
Ejemplo: Inflado de bolsas de aire de automóviles: cómo no resolver un problema
Una empresa que fabrica bolsas de aire para automóviles tiene un problema con una tasa inaceptablemente alta de falla en el inflado de la bolsa. Durante las pruebas, el 10 por ciento de las bolsas no se inflan completamente. A un ingeniero se le asigna el trabajo de resolver el problema. Al principio el ingeniero define el problema como un fallo en los materiales y construcción del dispositivo de inflado. El ingeniero comienza a resolver este problema produciendo un dispositivo de inflado más robusto. Después de un esfuerzo considerable, el ingeniero descubre que mejorar el dispositivo de inflado no cambia la tasa de falla en las bolsas. Eventualmente, este ingeniero vuelve a examinar la definición inicial del problema. La compañía investiga más a fondo el problema del inflado de las bolsas de aire y descubre que un alto grado de variabilidad en la estanqueidad de los pliegues es responsable de que algunas bolsas no se inflen. En ese momento, las bolsas fueron dobladas y empacadas por personas en una línea de montaje. Con una comprensión más completa de la necesidad, el ingeniero redefinió el problema como uno de aumentar la consistencia en la estanqueidad de los pliegues en las bolsas. La solución final a este problema es una máquina que pliega automáticamente las bolsas.
A menudo la necesidad aparente no es la necesidad real. Una tendencia común es comenzar a generar una solución a un problema aparente sin entender el problema. Este enfoque es exactamente la forma incorrecta de comenzar a resolver un problema como este. Estarías generando soluciones a un problema que nunca ha sido definido.
Las personas tienen una tendencia natural a atacar la solución actual a un problema en lugar del problema en sí. Atacar una solución actual puede eliminar las deficiencias, pero no producirá una solución creativa e innovadora. Por ejemplo, el ingeniero de la compañía de bolsas de aire solo podría haber analizado el método actual para plegar bolsas de aire que usan humanos en una línea de ensamblaje. El ingeniero podría haber resuelto el problema con una estanqueidad inconsistente modificando el procedimiento de la línea de montaje. Sin embargo, la solución final al problema demostró ser más rentable y confiable, además de producir una consistencia superior en la estanqueidad de los pliegues.
Desarrollar una declaración del problema
El primer paso en el proceso de resolución de problemas, por lo tanto, es formular el problema en términos claros e inequívocos. Definir el problema no es lo mismo que reconocer una necesidad. La declaración de definición del problema resulta de identificar primero una necesidad. El ingeniero de la compañía de airbags respondió a la necesidad de reducir el número de fallas de inflado del airbag. Sin embargo, cometió un error al no formular una definición clara del problema antes de generar una solución. Una vez que se ha establecido una necesidad, los ingenieros definen esa necesidad en términos de una declaración de problema de diseño de ingeniería. Para llegar a una definición clara,
Ellos recopilan datos, ejecutan experimentos y realizan cálculos que permitan expresar esa necesidad como parte de un proceso de resolución de problemas de ingeniería.
Considere, por ejemplo, la declaración "Diseñe una mejor trampa para ratones". Esta afirmación no es una definición de problema adecuada para un problema de diseño de ingeniería. Expresa una vaga insatisfacción con las trampas para ratones existentes y, por lo tanto, establece una necesidad. Un ingeniero tomaría esta declaración de necesidad y realizaría más investigaciones para identificar lo que faltaba en los diseños de mousetrap existentes. Después de una investigación adicional, el ingeniero puede descubrir que las trampas para ratones existentes son inadecuadas porque no brindan protección contra el mortal Hantavirus transportado por ratones. Por lo tanto, una mejor trampa para ratones puede ser aquella que sea sanitaria y no exponga a los seres humanos al Hantavirus. A partir de esta necesidad, la definición del problema se modifica para que diga: "Diseñar una trampa para ratones que permita la eliminación sanitaria del ratón atrapado, minimizando la exposición humana al Hantavirus".