Introducción
Un producto
exitoso debe funcionar correctamente y debe ser manufacturable. Para lograr
dicha funcionalidad las propiedades del material, los procesos productivos y la
geometría del producto deben estar íntegramente relacionados con la función de
este y a la vez cada uno ser independiente del otro; a ello se le denomina
interdependencia. Es decir, el material seleccionado debe ser manufacturable
con facilidad y a un costo razonable, además no debe perjudicar la geometría y
debe satisfacer las propiedades deseadas para cumplir la función del producto (Pérez, M., &
Peña, S., 2000).
Para el diseño
de nuevos productos a través de la disciplina del Diseño Industrial resulta
necesaria la aplicación de una metodología proyectual de Diseño, la cual ha
sido utilizada en el Isdi por años, es considerada muy completa y ha tenido
gran aceptación (Peña
Martínez, S., 2008). Esta metodología se divide en diferentes
etapas que permiten llegar a la concepción del producto final. Para ello se
emplean herramientas que posibilitan la exploración de alternativas formales y
funcionales; las mismas facilitan la búsqueda de soluciones innovadoras que
resuelvan el problema planteado al inicio del proyecto. Sin embargo, en el Isdi
no se cuenta con un método idóneo que garantice una selección eficiente del
material de fabricación.
Karana,
Hekkert, & Kandachar (2008) abordan la selección de los materiales desde
sus características cuantitativas y cualitativas. Teniendo en cuenta que las
cualitativas son las que requieren los diseñadores para atribuir significados a
los productos a través del material.
El autor más
destacado que aborda la problemática de selección y manufactura es el Dr. Mike
Ashby (Ashby & Shercliff, 2014) de la Universidad de Cambridge, quien
desarrolló una metodología tomada como referencia en todo el mundo. Dicha
metodología permite visualizar y planear los materiales y procesos de
elaboración más adecuados para confeccionar el producto desde el mismo inicio
del proyecto y a través de todas sus etapas; al ofrecer una taxonomía de
clasificación de materiales y procesos que posibilita conocer todas las
familias y clases de los mismos. Para apoyar este conocimiento se emplean
cartas de propiedades de materiales, las cuales ayudan a seleccionar gráficamente
los más adecuados. Finalmente se ofrece una estrategia para la selección de los
materiales y una para la selección de los procesos. Esto permite que al
finalizar el proyecto se conciba un nuevo producto, en el cual la selección de
sus materiales y procesos de elaboración quedan justificadas según el estudio
realizado de las propiedades del producto. Sin embargo, esta metodología tiene
una gran desventaja: resulta bastante compleja y requiere muchos cálculos, por
lo cual, si bien es adecuada para los ingenieros, para los para estudiantes de
diseño puede ser bastante engorrosa.
Al analizar la
metodología del proceso de Diseño empleada actualmente en el Isdi, a través de
encuestas y entrevistas realizadas a alumnos y profesores, es posible notar que
no existe un procedimiento para la selección del material que se haya
sistematizado a lo largo del tiempo y que tenga en cuenta todos los factores
que conducen a una elección óptima. La selección se hace de manera empírica,
basada generalmente en la comparación con los referentes existentes Se suele
escoger el material por motivos estéticos, sin analizar a profundidad los
procesos productivos que se requieren para elaborar el producto o las
propiedades específicas de cada material, en su lugar se suele describir la
familia de materiales (metal, madera, plástico, etc.) pero sin llegar a
analizar y seleccionar uno específico dentro de estas familias. No se tiene en
cuenta la interdependencia entre las propiedades del material, la geometría del
producto, los procesos productivos y la función del producto. Tampoco resulta
común analizar el costo de los materiales cuando se realiza un proyecto como
parte de la asignatura de Diseño Industrial, a pesar de lo importante que ello
resultará en la vida laboral del estudiante una vez graduado. Además, en la
mayoría de los casos el análisis de tecnología queda muy por debajo del resto
de los factores.
En el
instituto existe una necesidad de conocimiento acerca del proceso de selección
de materiales, sin embargo, suele decirse que los métodos empleados en el resto
del mundo no se ajustan al modo de enseñanza del Isdi o a la metodología
utilizada en él ya que requieren cálculos y análisis muy complejos para los
cuales los estudiantes no están preparados, pues este contenido no forma parte
del plan de estudio de la escuela.
El objetivo de
este trabajo se dirige a romper un poco con ese pensamiento de que la selección
de materiales es una competencia de ingeniería. Por ello se propone
1.Una
metodología que, dentro del proceso de diseño que se lleva a cabo en nuestra
institución, incluya los análisis requeridos en cada etapa para finalizar con
el material idóneo según su forma, proceso tecnológico garante de esta y que, a
su vez, todos tributen a la función del producto.
La hipótesis
que se plantea: es factible, con la sistematización de la metodología
propuesta, seleccionar materiales para productos de diseño que realmente
cumplan con la finalidad de ser procesables mediante determinados métodos de
fabricación, y que su forma se corresponda con la función para la cual están
diseñados, al menor costo y con un bajo impacto ambiental.
DESARROLLO
Metodología.
Materiales y métodos
Para dar
respuesta al objetivo y para una posible validación de la hipótesis se
utilizaron diferentes instrumentos de recolección de datos, así como una
exhaustiva búsqueda bibliográfica, que ayudaron a resolver el problema de la
selección de materiales en el proceso de diseño que se lleva a cabo en el Isdi.
(Toranzo, L.,
Barrueta, N. & Fadraga, D. 2020). A continuación, se
presentan algunos de esos instrumentos.
Encuesta a
estudiantes. Instrumento: cuestionario
Para la
encuesta se seleccionó como población a los estudiantes de 3er. año debido a
que ya superaron la esfera objeto y se están adentrando en la esfera
maquinaria, por lo cual han realizado proyectos donde debieron escoger
materiales para productos y ya tienen, por tanto, formados ciertos criterios y
métodos (algunos más acertados, otros quizás no tanto) para realizar esta
selección. Para calcular el número de estudiantes a los cuales se les aplicaría
la encuesta, de modo que fuera una muestra representativa, se empleó el
programa estadístico DecisionAnalyst STATS. Con ayuda del mismo se
realizó el cálculo de la muestra para una población de 73 estudiantes, se
seleccionó un nivel de confianza de 95 %, dando como resultado una muestra de
30 estudiantes. Todos los miembros de la población estaban en igualdad de
condiciones, por tanto, todos tenían la misma posibilidad de ser escogidos, lo
cual significa que el tipo de muestreo utilizado fue para una muestra
probabilística.
Observación
estructurada de proyectos presentados en el Isdi en el curso 2019-2020.
Objetivo de la observación: analizar
cómo se realiza la selección de materiales en los proyectos presentados,
defendidos y aprobados.
Instrumento:
Lista de control.
La aplicación
de este instrumento ayudó a determinar varios aspectos de los proyectos como:
esfera de actuación en la que se enmarcaron los mismos, variantes utilizadas en
la selección de materiales y etapa del proceso en la que se definió el material
a utilizar, entre otros.
Entrevista a profesores
del Departamento de Diseño Industrial. Instrumento: guía de entrevista. (Toranzo,
L., Barrueta, N. & Fadraga, D. 2020)
Objetivo:
identificar los términos que deben introducirse en las clases de diseño para
que sean compatibles con aquellos empleados por los ingenieros.
Esto responde
al hecho de que existen en la literatura tablas que denominan las formas de
fabricación de las superficies de manera distinta.
Durante la
investigación se encontraron términos, usados por ingenieros principalmente,
que no se corresponden con los empleados en el Isdi durante el proceso de
diseño. Para un mejor entendimiento del estudiante se necesita sustituirlos por
palabras propias de la metodología empleada en el instituto.
Procedimiento
para seleccionar materiales
Sin prejuicios
relativos a materiales ni métodos de fabricación, el diseñador debe formarse
una imagen clara de las características necesarias a cumplir por el producto
para que se ajuste a su función.
Estos
condicionantes generales se estudian en las diferentes tecnologías, aunque es
necesario establecer una invariante para cada tipología de material y
sistematizar el procedimiento.
Las tres
categorías principales son:
1.
Consideraciones
de forma o geometría. (En la literatura se llama indistintamente a esta
categoría forma o geometría).
2.
Propiedades
o características en general.
3.
Aspectos
relacionados con la fabricación.
Es preciso señalar que las
consideraciones acerca de la forma influyen primordialmente en la elección del
método de fabricación. Esto puede parecer obvio; sin embargo, la cuestión es
más complicada de lo que se piensa en primera instancia. El diseñador debe
contestar una serie de interrogantes normales a incluir antes de decidir la
materialidad, y que sí se estudian en la academia, solo que la metodología no
está sistematizada y no se exige siempre igual. Estas interrogantes pueden
enmarcarse en tres categorías.
Categoría uno: conllevan al análisis de las
diferentes consideraciones o condiciones.
· El
tamaño relativo del componente. (Los procesos para generar forma varían con el
tamaño de los productos).
· Forma:
muy complicada, laminar, filar o volumétrica, plana o espacial, si tiene doble
curvatura, si tiene ejes o planos de simetría, secciones transversales
uniformes, si se acepta hacerla en más de una pieza.
· Cantidad
de cotas a definir. (Garantizada esta parte con las asignaturas de Dibujo y
Representación).
· Precisión
de las cotas (tolerancias): saber si son todas estrictas, cuántas y cuáles son
restrictivas. (Importante para piezas que serán unidas a otras para cumplir su
función).
· Cómo
interfiere el componente con otras piezas. (Tipos de uniones y ajustes; se
garantiza este conocimiento en las asignaturas Tecnología I y III).
· Acabados
superficiales requeridos. Precisar si hay superficies que han de ser lisas,
duras, cuáles necesitan acabado y cuáles no. (Competencias de Tecnología III).
· Posibilidad
de que una dimensión se altere, por desgaste o corrosión, y la pieza continúe
actuando aceptablemente. (Aspectos de tribología que se han impartido en
materias optativas).
Categoría dos: aquí la definición de las
propiedades acostumbra a ser una labor mucho más compleja. Entre los aspectos a
considerar se tienen las siguientes condicionantes:
· Propiedades
mecánicas.
1. La resistencia mecánica que se necesita.
(Cálculo de cargas y comparación con admisibles). (No se realiza en los
proyectos).
2. Si es posible un fallo por deformación o
fractura. (Ídem).
3. Habrá que considerar cargas dinámicas;
si fuera el caso: ¿de qué tipo e intensidad? (Ídem).
4. ¿Cabe imaginar cargas cíclicas? En tal
caso, ¿de qué tipo e intensidad? (Ídem).
5. Necesidad de resistencia al desgaste. Si
es el caso ¿de mucha intensidad o de menos o poca y de qué penetración?
6. Márgenes de temperaturas en los que
deben estar presentes estas propiedades.
7.
Flexión admisible o curvatura admisible del material que le permita seguir
funcionando correctamente.
· Propiedades
físicas.
1.
Analizar si hay alguna característica de índole eléctrica.
2.
Analizar si hay alguna característica de índole magnética.
3. Analizar si importan las características
térmicas, la conductividad térmica y si hay
cambio de dimensiones con la temperatura.
4. Analizar si hay alguna característica de
índole óptica.
5. Analizar si importa el peso, y cuánto.
6. Análisis e importancia que se le debe
atribuir al aspecto.
7. Decidir los espesores máximo y mínimo.
Otra zona importante a evaluar
dentro de la categoría 2 es el ambiente en que el producto debe prestar
servicio a lo largo de su vida:
1. Temperaturas mayor, menor y normal de
funcionamiento del componente.
2. Analizar si se dan todas las
características prescritas entre estos límites de temperatura.
3. Análisis del ambiente más riguroso
esperable en cuanto a corrosión o deterioro de las propiedades del material.
4. Vida útil que se espera.
5. Mantenimiento previsible del producto.
6. Etapas del ciclo de vida del producto en
que se desarrolla el concepto de sustentabilidad.
7. Conceptos de estrategias para el
desarrollo sustentable que se aplica en el proyecto.
La última
categoría de condicionantes atañe a los diversos factores que influyen en el
método de fabricación.
Categoría
tres:
1. ¿Existe
compatibilidad entre la forma seleccionada, las propiedades y el proceso que
generará esta forma?
2. De los
procesos por los que puede obtenerse la forma, ¿cuál resulta menos costoso y
posee menor impacto ambiental negativo?
3. ¿Existe
disponibilidad real en nuestra industria para la obtención del producto por el
método de fabricación seleccionado?
4. Se conocen
las propiedades mecánicas, físicas y medioambientales, ¿el material que
responde bien a esas propiedades puede ser manufacturado por los procesos de
los cuales se dispone en la industria?
5. ¿Es
factible hacer cambio de propiedades, material, para garantizar el proceso del
cual se dispone?
6. ¿Sacrificar
el material óptimo por la ausencia del proceso que genera la forma o buscar
alternativas al cambio de forma?
Por problemas
de entrega a tiempo de un proyecto, por un cliente apurado, se suelen obviar
pasos y «precipitar las soluciones». El tiempo que se emplee en determinar
todos los requisitos se verá ampliamente recompensado, ello implica
confeccionar una lista con todos los factores y considerar todas las
condiciones de servicio y uso. Numerosos fracasos son resultado de simples
descuidos de índole técnica o de no haber previsto el proyectista las
situaciones que el producto podría razonablemente sufrir, aparte de la función
específica y limitada para la cual lo diseñó.
Resultados de
la investigación
No existe un
método generalizado: se busca y analiza la información para seleccionar los
materiales de diversas maneras. Lo más común es indagar en internet y de forma
empírica, sin el análisis de las condiciones antes expuestas. Gran parte de los
alumnos se rige por los requisitos de diseño obtenidos del análisis de factores
para hacer la selección. Por otro lado, un 15 % plantean que se guían por la
finalidad del producto, principalmente por su función básica y el contexto
donde será ubicado. La minoría expresa que le preguntan a los profesores o lo
hacen buscando una estética. Lo que más tienen en cuenta al seleccionar los
materiales son sus propiedades físicas, químicas y mecánicas, y por último el
costo, aunque solo el 23,3 % de los estudiantes lo plantea como importante.
Además, un 17% dice analizar los procesos productivos en relación con la forma
para seleccionar el material y un 13 % considera el impacto ambiental, lo cual
reitera la idea de que las condicionantes son ignoradas. Se pudo apreciar una
gran dispersión en las respuestas; ello confirma la necesidad de modelar un
sistema o metodología que unido a las etapas o fases del proyecto cumpla el
análisis de cada condicionante y como resultado se seleccione el material
idóneo.
Como resultado
de la observación estructurada se puede apreciar que en solo el 31,25 % de las
tesis se tiene en cuenta la forma del producto para seleccionar el material, lo
cual no sobrepasa ni siquiera el 50 % de las tesis revisadas. Esto evidencia la
necesidad de identificar las condicionantes que hay que analizar antes de
escoger el material.
En el 68,75 %
de las tesis revisadas se tienen en cuenta los procesos productivos. Sin
embargo, se limitan a hablar de las maquinarias y procesos disponibles según el
taller o empresa donde se confeccionará el producto, pero no se llega a
seleccionar los procesos específicos con los cuales se elaborará la geometría
final del mismo.
En el 75 % de
los trabajos se inicia el análisis de los materiales en la etapa problema. En
algunos casos se escoge el material final en dicha etapa, no obstante, en la
mayoría el material final se elige en la etapa concepto. Esto evidencia que no
hay regularidades cumplibles en dicha metodología. En el otro 25 % de las tesis
analizadas se empieza el análisis en la etapa necesidad y en los pocos trabajos
que llegan a la etapa de desarrollo no se modifica el material escogido con
anterioridad.
Como resultado
de la aplicación de los instrumentos para el diagnóstico de la situación actual
de la selección de materiales en el proceso de diseño del Isdi, se elaboró un
listado de condiciones, divididas en tres categorías, que servirán de punto de
partida para validar la hipótesis planteada.
Se expone el esquema que recoge
las fases y etapas del proceso de diseño y cómo deben ir introduciéndose cada
uno de los análisis de las condicionantes planteadas en el momento correcto,
comenzando por la fase concepto y terminando con la etapa de desarrollo del
producto. (Peña Martínez, 2019)
Este esquema simplificado
corresponde al resultado de la tesis de investigación “Selección de materiales
en el proceso de diseño en el Isdi”, el cual ha sido modificado por los autores
al introducirle las diferentes categorías que ayudan a la selección óptima de
los materiales en cada fase del proceso de diseño.
