Perspectivas de ingeniería mecánica, parte 2: velocidad, costo y función

Sep 04, 2023

Adam Smith, ingeniero mecánico sénior | 27 de agosto de 2022

Este es el segundo artículo de una serie de 6 partes titulada "Perspectivas de ingeniería mecánica para el diseño de productos comerciales integrados y eficientes". Cuando pensamos en el diseño de productos, es común que nos centremos inmediatamente en desarrollar lo que vemos y experimentamos en un producto. Si bien el diseño de UX y UI es fundamental para el éxito del producto, las funciones de ingeniería mecánica menos visibles pueden ser el caballo de batalla que impulsa la innovación hacia una comercialización exitosa. Adam Smith, ingeniero mecánico sénior de Product Creation Studio, tiene décadas de experiencia en el diseño y la planificación de docenas de productos para su comercialización. En esta serie, Smith comparte ideas y consejos sobre cómo la ingeniería mecánica respalda la transformación de ideas de productos en realidad al trabajar en sintonía con todas las disciplinas a lo largo del desarrollo.

Las construcciones de prototipos son una parte importante del desarrollo de un producto para su comercialización. Desafortunadamente, el cronograma, el costo y la capacidad de fabricación pueden limitar o incluso prohibir la construcción temprana y la construcción frecuente.

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Esperar un diseño más maduro antes de utilizar métodos de fabricación de producción puede generar iteraciones de diseño costosas que afectan el presupuesto y el cronograma. Combinar el conocimiento de los métodos de fabricación rápida disponibles con ajustes creativos de "diseño para la creación de prototipos" puede permitirle construir antes y con mayor frecuencia. Con la llegada de herramientas de fabricación internas de mayor calidad, menor costo y más fáciles de usar, hacer el prototipo usted mismo puede ser el método más eficiente.

Este artículo comparte ejemplos y consejos para ayudarlo a pensar de manera creativa sobre cómo fabricar su diseño utilizando métodos de prototipo mientras obtiene información crucial necesaria para examinar su diseño para la fabricación de producción.

Dividir su ensamblaje en subensamblajes lógicos para facilitar la construcción de prototipos puede ayudar a sortear las limitaciones de fabricación, lo que da como resultado resultados de prueba más claros.

Las herramientas manuales, por ejemplo, suelen tener una interfaz de usuario proximal con efectores de extremo distal y un mecanismo de transmisión en el medio. Construir el extremo distal por sí solo utilizando piezas metálicas impresas en 3D en titanio o acero inoxidable puede permitir el análisis del mecanismo en días en lugar de semanas.

La evaluación enfocada de cada mecanismo discreto puede ser más fácil de entender e iterar, optimizando esos subensamblajes para sus propias funciones antes de unirlos al ensamblaje complicado más grande.

La construcción de modelos a pequeña escala de ensamblajes extremadamente grandes, como rascacielos y puentes, ha existido durante mucho tiempo. Al diseñar ensamblajes extremadamente pequeños, puede crear prototipos a gran escala utilizando materiales que imiten las propiedades de sus diminutas piezas a escala de producción.

Las piezas pequeñas de acero inoxidable y titanio se pueden escalar de 10x a 12x e imprimir en 3D en plástico PLA o ABS y comportarse de manera muy similar a las piezas de metal de producción real. Esto permite un diseño iterativo extremadamente rápido, lo que reduce la cantidad de iteraciones reales de prototipos construidos a escala.

Los ajustes de escala menores también pueden ser bastante efectivos. Ajustar los diámetros del eje y los diámetros de los tubos en su diseño a los materiales listos para usar más cercanos disponibles (McMaster-Carr) hace posible ensamblar pruebas de conceptos de mecanismos desde el principio sin esperar las extrusiones de producción. Ser un poco indulgente con las especificaciones exactas desde el principio puede acelerar significativamente el tiempo de creación de prototipos.

Sujetadores personalizados de acero inoxidable 304 diseñados para capturar tela.

Es difícil superar la velocidad y la flexibilidad de los modelos de espuma afeitada a mano para maquetas de interfaz de usuario de dispositivos portátiles, pero las piezas de plástico impresas en 3D pueden ser una gran solución para una construcción rápida de iteraciones/ajustes menores de un modelo a otro.

La mayoría de nosotros entendemos el valor de la impresión 3D, y muchos de nosotros conocemos impresoras 3D de escritorio internas de bajo costo y fáciles de usar (Prusa, Ultimaker, Raize, etc.) que construyen piezas de plástico increíblemente útiles, plantillas, y plantillas, pero hay un puñado de tecnologías adicionales disponibles para el escritorio del ingeniero que mejoran la visualización del diseño y la ingeniería y reducen el tiempo de comercialización.

Las cortadoras láser de escritorio (Glowforge, Flux, OMTech) y las cortadoras por chorro de agua (Wazer) pueden ser extremadamente valiosas para los primeros prototipos de mecanismos, especialmente si el ingeniero está versado en el diseño de ensamblajes de formas planas (ranuras entrelazadas o lengüeta y ranura).

Mediante el uso de láminas acrílicas y unión solvente, se pueden construir y evaluar mecanismos complejos en horas en lugar de días.

Otro mercado emergente para diseñadores e ingenieros es el fresado de escritorio. Hay un puñado de fresadoras de escritorio de precisión (PocketNC, Bantam, HAAS) que permiten el fresado rápido de plásticos y metales (incluidos el titanio y el acero inoxidable) directamente en su escritorio.

Fresado de acero inoxidable 304 con una fresa de extremo de carburo de 1/8 pulg.

Usando las capacidades de fresado de 5 ejes de Pocket NC V2-10 y V2-50, pude construir seis iteraciones de un dispositivo médico en un par de semanas en lugar de cuatro meses. Si hubiera subcontratado las piezas (seis días), esperado a que llegaran (dos días), evaluado el funcionamiento (aproximadamente una hora), realizado los ajustes necesarios (10 minutos) y solicitado piezas actualizadas (un día más), cada iteración tardaría dos semanas.

Usando un molino de escritorio interno, pude reducir las iteraciones a menos de dos días. Es probable que descubra que tener las herramientas disponibles de inmediato lo impulsa a usarlas más. Hacer un prototipo rápido para ayudar a otros a visualizar la intención de su diseño, o para probar un concepto mecánico, se convierte en la norma en lugar de la excepción.

Aunque el objetivo final es un producto exitoso, el camino no es exactamente directo. A veces es necesario dar un paso atrás y construir para la evaluación de funciones particulares, en lugar de sumergirse en el diseño completo de una vez.

Siendo flexible y creativo en el camino, puede ser más eficiente en el desarrollo de la "mejor" solución para su primer producto.

Para conocer otras entregas de esta serie, consulte Perspectivas de la ingeniería mecánica, Parte 1: Costos de materiales, función y durabilidad y Perspectivas de la ingeniería mecánica, Parte 3: Cantidad, calidad y tiempo de comercialización.

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