Diseño para la manufacturabilidad y desarrollo integral de productos

Las Plantas de Manufactura de alto desempeño usan diferentes metodologías de acuerdo a su tamaño, estrategia, país, industria y otros factores que describen su situación o contexto. Por lo tanto deben escoger prácticas que se acomoden a la estrategia del negocio y la estrategia de manufactura, mismas que deben ser constantes en el tiempo. No obstante, en una industria, donde tanto los clientes como los competidores cambian constantemente, esto representa un problema. El apoyo de los sistemas de información trae el conocimiento del proceso de manufactura a las fases de diseño. De esta forma se pueden prever los retos con antelación los retos que enfrentaría la manufactura de un producto incluso antes de desarrollar su proceso de fabricación. El diseño para la Manufacturabilidad comprende las técnicas de diseño para producción de productos de alta calidad al menor costo posible. Con estas herramientas los Ingenieros hoy en día pueden diseñar con base en la funcionalidad, durabilidad e incluso apariencia al mismo tiempo que aseguran las formas más eficientes de fabricación. El diseño para la Manufacturabilidad tiene en sí tres subdibisiones: Diseño para el ensamble, diseño para el proceso y diseño para la calidad.

1. Introducción

Tradicionalmente los productos han sido diseñados de tal forma que no podían ser manufacturados en una forma eficiente. Sus diseños típicamente se han liberados para su producción y solo eran manufacturables y lograban funcionar cuando eran hechos en el taller donde fueron modelados los prototipos y estos eran ensamblados por técnicos altamente calificados. El desarrollo efectivo del producto debe ir más allá de los pasos tradicionales de adquisición e implementación de tecnologías de diseño como una solución. Se debe enfocar en practicas administrativas que consideren las necesidades del cliente, incluyendo estos requerimientos en el diseño del producto, y asegurando que tanto la fábrica y los proveedores de la misma tengan la capacidad de producirlo efectivamente.

Los productos son inicialmente conceptualizados para proveer una capacidad en particular y cumplir objetivos de desempeño y ciertas especificaciones. Dadas estas especificaciones, un producto puede ser diseñado en diferentes formas. El objetivo del diseñador debe ser optimizar el diseño del producto con su sistema de producción. Un sistema de producción de una compañía comprende a sus proveedores, los sistemas de manejo de materiales, sus procesos de manufactura, sus capacidades de la fuerza laboral y los sistemas de distribución de los productos.

Generalmente, el diseñador trabaja dentro del contexto de un sistema de producción existente que solo puede ser mínimamente modificado. Sin embargo en algunos casos, los sistemas de producción serán diseñados o rediseñados en conjunto con el diseño del producto. Cuando los ingenieros de diseño e ingenieros de manufactura trabajan en conjunto para diseñar y racionalizar tanto el producto como los procesos de soporte para producción, a este proceso se le conoce como producción integral. Las consideraciones del diseñador hacia el diseño para la manufacturabilidad, sus costos, confiabilidad y facilidad de mantenimiento, representan el punto de arranque para el desarrollo integrado del producto.

El objetivo primario del diseñador es diseñar un producto que funcione dentro de las restricciones económicas y de programación dadas. Sin embargo, las investigaciones muestran que las decisiones hechas durante el periodo de diseño determinan el 70% del costo del producto mientras que las decisiones tomadas durante la producción solo cuentan para el 20%. Por otra parte, las decisiones hechas en el primer 5% del diseño del producto pueden determinar la gran mayoría del costo del producto, su calidad y sus características de manufacturabilidad. Esto indica el gran efecto que el diseño para la manufacturabilidad (DFM) puede tener en la rentabilidad y el éxito de una compañía.

Sin embargo, la aplicación del DFM debe considerar las cuestiones economicas del diseño en general. Debe balancear los esfuerzos y costos asociados con el desarrollo y el refinamiento del diseño con el efecto de costo y calidad que puede ser logrado. En otras palabras, el mayor es el esfuerzo para optimizar el diseño de un producto se justifica con una valor más alto o con mayores volúmenes de producción.

La efectividad del diseño es mejorada y su integración es facilitada cuando:

a.- Pocas partes activas son utilizadas a través de la estandarización, simplificación y tecnología grupal de recuperación de información relacionada productos y procesos existentes o preferidos.

b.- La producibilidad es mejorada a través de la incorporación de prácticas de DFM.

c.- Las alternativas de diseño son evaluadas y herramientas de diseño son utilizadas para desarrollar un diseño más maduro y producible antes de ser liberado para producción.

d.- El producto y el proceso incluyen una estructura para balancear la calidad del producto con los esfuerzos de diseño y la robustez del producto.

El interés del análisis del diseño es el análisis de la manufacturabilidad. En el contexto del crecimiento mundial de la competencia, es de crucial importancia para optimizar el tiempo de lanzamiento de los productos manufacturados al mercado. El análisis oportuno de la manufacturabilidad es una herramienta importante para lograr este objetivo.

La manufacturabilidad de un diseño es la probabilidad de que pueda ser producido acorde con un conjunto disponible de maquinaria, herramientas y procesos. La optimización de la manufacturabilidad considerada en hasta es punto no incluye la generación de planes de procesos detallados o estimación de costos. De hecho, es una fase inmediatamente anterior al proceso de planeación. Esta aproximación es una novedosa forma de optimizar la calidad del diseño antes de ser enviado al sistema de planeación de los procesos, evitando el desperdicio de recursos involucrados en la planeación de procesos de diseños que no son manufacturables.

2. SIMPLIFICACIÓN Y ESTANDARIZACIÓN

Como un diseño se desarrolla desde el concepto hasta un nivel detallado del producto, se requiere englobar requerimiento físicos y funcionales que se definen de acuerdo a como una parte debe acomodarse y comportarse. Dentro de las restricciones de esta enfoque, el diseñador debe diseñar o seleccionar una parta para su uso. Un diseñador puede tener varias alternativas para diseñar una parte que cumpla con los requerimientos de este enfoque.

Mientras que el diseño de una parte hecha a la medida o la selección de una nueva parte puede ser la forma más óptima de cumplir con los requerimientos desde el punto de vista del diseñador, puede que no sea el mejor enfoque para la compañía. El costo del producto y la calidad pueden ser negativamente afectadas por la proliferación de artículos especializados que requieran capacidades específicas de manufactura.

Minimizando el número de partes activas por medio de la estandarización no solo simplifica el diseño del producto sino también da como resultados eficiencias operacionales e inventarios más bajos. Una política formal de la estandarización de partes y el énfasis en el uso de listas de partes aprobadas (APL) para ciertos artículos básicos.

Los sistemas Group Technology (GT) y Component Supplier Management (CSM) pueden facilitar la estandarización por medio de la recuperación de partes similares para ser consideradas para su uso dentro de las bases de un nuevo diseño. Por medio de una estructura de clasificación para almacenar y recuperar información de diseños, un ingeniero puede evitar tener que hacer pasos redundantes de diseño y la función del mismo puede evolucionar hacia el uso de estándares. Los sistemas CSM mantienen información acerca de las partes aprobadas y de sus proveedores y así suministrar una acceso fácil y de referencias cruzadas.

El ingeniero determinaría las características de la parte necesaria para un producto e identificar partes similares que pueden ser disponibles y localizables. Una de estas partes puede funcionar de igual forma o puede que haya alguna especificación no crítica en alguna parte que pueda cumplir con ambas necesidades. Si los diseños existentes no son satisfactorios, los datos del diseño pueden ser utilizados para facilitar el diseño de una nueva parte, particularmente con herramientas para el Diseño Asistido por Computadora. Este enfoque puede ser extendido para identificar el herramental y aditamentos que podrían ser usados, evitando re-diseños adicionales.

Además de la estandarización, la simplificación del diseño del producto también ofrece oportunidades significantes para reducir costos y mejorar calidad. Los diseñadores necesitan evaluar si hay una forma más fácil de lograr la función de la parte. Las herramientas para el Diseño para la Manufacturabilidad (DFM) y sus principios proveen un enfoque estructurado para buscar diseños simplificados. La complejidad del producto puede ser reducida por medio del uso de bloques de construcción modular para el ensamble de productos. Por medio de módulos de productos estándares, una amplia variedad de productos pueden ser ensamblados de un limitado número de módulos, consecuentemente simplificando el diseño y el proceso de manufactura.

Simplificando y estandarizando diseños, estableciendo mecanismos de localización de diseños e incorporando procesos preferidos de manufactura dentro de la lista de partes preferidas, las eficiencias del diseño y producción son acentuadas.

3. DIRECTRICES EN EL DISEÑO DEL PRODUCTO

Se han establecido directrices generales para el diseño para lograr mejor calidad, costos más bajos, aplicación de mejoras en la automatización y en el mantenimiento. Como ejemplos de estas directrices para el Diseño para la Manufacturabilidad tenemos:

• Diseño del ensamble a prueba de errores con lo se evita las ambiguedades en el proceso.

• Verificabilidad del diseño del producto y sus componentes para proveer una prueba natural o de inspección del artículo.

• Evitar tolerancias muy ajustadas que vayan más allá de las capacidades naturales del proceso de manufactura y diseñar en el rango medio de la tolerancia de las partes.

• Diseñar la robustez en el producto para compensar la incertidumbre en la manufactura del producto, su prueba y su uso.

• Diseñar considerando la orientación de las partes y su manejo para minimizar los esfuerzos que no agregan valor, para evitar la ambiguedad en la orientación y mezcla de partes, facilitando así su automatización.

• Diseñar considerando la faciliadad del ensamble por medio de la utilización de patrones simples de movimiento minimizando los pasos de sujeción.

• Utilizar partes y materiales comunes para facilitar las actividades de diseño para minimizar la cantidad de inventario en el sistema y estandarizar el manejo y las operaciones de ensamble.

• Diseñar productos modulares para facilitar su ensamble con utilización de bloques de componentes y sub ensamble.

• Diseñar considerando la facilidad de darle servicio al producto.

Adicionalmente a esta directrices, los diseñadores necesitan entender más acerca de los sistemas de producción de sus compañías, por ejemplo sus capacidades y limitaciones. Esto con el objeto de establecer reglas eficientes y específicas de diseño que fomentarán la optimización del diseño del producto dentro del sistema de producción de la compañía. Por ejemplo, ellos necesitan entender las limitaciones de las tolerancias de ciertos procesos de manufactura.

4. EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO

Con el enfoque tradicional, el diseñador desarrollaría un concepto inicial y lo traduciría en un diseño de producto, haciendo modificaciones menores que sean requeridas para cumplir con la especificación. DFM requiere que el diseñador comience el proceso considerando varias alternativas de conceptos de diseño en el proceso inicial. A estas alturas, se ha invertido poco en las alternativas de diseño y se puede ganar mucho si nos enfocamos en que se lleve a cabo un proceso más efectivo de diseño. La única forma de asegurarnos de que nos estamos moviendo hacia un diseño óptimo es considerando más de una alternativa de diseño. Usando algunas de las reglas de diseño previas como marco de referencia, el diseñador necesita creatívamente desarrollar alternativas de diseño. Posteriormente las alternativas son evaluados dentro de los objetivos del DFM.

En un ambiente típico de Diseño Asistido por Computadora (CAD), los progresos del diseño se logran en el ciclo de análisis de rediseño. El análisis realizado en este ciclo puede ser por ejemplo un análisis funcional o un análisis de estrés. Aunque el poder siempre creciente de la computación disponible para el diseño permite la incorporación de más conocimientos dentro del ciclo de rediseño, este siempre permanece controlado por el diseñador. La computadora realiza pruebas complejas al diseño y le provee al diseñador resultados de alto nivel. El diseñador usa estos resultados y su experiencia para modificarlo antes de volverlo a someter a la computadora. Una progresión natural es reemplazar, donde sea posible, la debilidad humana en este ciclo, entendiendose como debilidad la velocidad y disponibilidad, más que en términos de adaptabilidad o calidad del diseño.

Las herramientas de automatización del diseño puedan asistir en desarrollo económico de múltiples alternativas de diseño, así como en su evaluación. Estas herramientas de diseño incluyen el Diseño Asistido por Computadora (CAD), la Ingeniería Asistida por Computadora (CAE), modelado de sólidos, análisis de elementos finitos, tecnología de grupo (GT) y Planeación de Procesos Asistido por Computadora (CAPP). Las herramientas CAD/CAE ayudan al diseñador a costear efectivamente el desarrollo y análisis de alternativas de diseño. CAD/CAE y los sistemas expertos pueden utilizar las directrices de manufactura para desarrollar diseños producibles. El modelado de sólidos ayuda al diseñador a visualizar las partes, entender sus relaciones con otros componentes como su orientación y las distancias de separación entre ellas durante el ensamble y apoyan la detección de errores y dificultades de ensamble. El análisis de elementos finitos y otras herramientas de diseño pueden ser usadas para evaluar la habilidad del diseño en el cumplimiento de requerimientos funcionales, previo a su manufactura así como evaluar la robustez del producto y sus partes. La Planeación de Procesos Asistida por Computadora puede ser usada durante el desarrollo del producto para ayudar al diseñador a evaluar la manufacturabilidad del diseño. Sin las herramientas CAPP, el nivel de evaluación de la manufactura no sería usualmente realizada sino hasta después de que el diseño fuera liberado para su producción. Sin embargo, el uso de estas herramientas para la productividad de diseños deben ser administradas ya que se puede crear una tentación hacia el diseñador para ejercitar demasiada creatividad y diseñar a la ligera una parte en vez de optar por los procesos recomendados de estandarización.

Adicionalmente a estas herramientas de productividad para el diseño, existen otras que ayudan al análisis de DFM y sugieren algunas oportunidades de mejora complementarias. Estas van básicamente enfocadas a analizar la simetría del diseño, facilidad de manejo de partes, suministro y orientación y el número total de partes. También pueden analizar operaciones de ensamble, evaluación de diseños con respecto a prácticas y requerimientos de tolerancias.

Una vez que el diseñador adquiere un conocimiento básico de DFM, tambien debe aprender a como trabajar más de cerca con los ingenieros de manufactura y otras personas que le puedan retroalimentar con algunas sugerencias de DFM para la corrección de ciertos problemas. En resumen, este enfoque de diseño y las herramientas de soporte deben ayudar a:

• Identificar las alternativas de diseño y su desarrollo con sus respectivas consideraciones económicas.

• Evaluar estas alternativas con respecto a los objetivos de DFM

• Establecer estándares de diseño basados en principios de DFM que puedan ser rápidamente recuperables para nuevos productos

• Utilizar revisiones de diseño que incluyan la participación de la manufactura en el proceso de diseño para evolucionar las directrices de producibilidad.

5. CONCLUSIONES

El Diseño para la Manufacturabilidad y el Desarrollo Integral de Productos pueden requerir esfuerzos adicionales en las fases iniciales del proceso de diseño. Sin embargo, la integración del producto y los procesos de diseño por medio de prácticas de negocios, filosofías administrativas y herramientas de tecnología darán como resultado un producto más manufacturable y que cumpla de una mejor forma con las necesidades del cliente, así como una transicióm más rápida y directa hacia la manufactura y costo de ciclo de vidas más bajo.

Dentro una competencia mundial cada vez más creciente, el diseño de producto y servicio al cliente puede ser la forma fundamental para distinguir las capacidades de una compañía. Debido a la actual importancia del diseño del producto, los conceptos de Diseño para la Manufacturabilidad y el Desarrollo Integral de Productos serán críticos para el éxito de las compañías. Será la clave para lograr y sostener una ventaja competitiva a través del desarrollo de productos de alta calidad, alta funcionalidad y alta efectividad en su proceso de manufactura por medio de la sinergia integral del producto y su proceso de diseño.

Hoy en día la utilización de herramientas de apoyo para el Diseño para la Manufacturabilidad no se limita a grandes corporativos o compañías de alta tecnología. El uso general de las computadoras permite que estas herramientas sean cada vez más usadas en cualquier diseño y producción de cualquier tipo de producto y en cualquier industria.

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Centeno Olguín José. (2002, marzo 21). Diseño para la manufacturabilidad y desarrollo integral de productos. Recuperado de https://www.gestiopolis.com/diseno-para-la-manufacturabilidad-y-desarrollo-integral-de-productos/
Centeno Olguín, José. "Diseño para la manufacturabilidad y desarrollo integral de productos". GestioPolis. 21 marzo 2002. Web. <https://www.gestiopolis.com/diseno-para-la-manufacturabilidad-y-desarrollo-integral-de-productos/>.
Centeno Olguín, José. "Diseño para la manufacturabilidad y desarrollo integral de productos". GestioPolis. marzo 21, 2002. Consultado el 13 de Diciembre de 2017. https://www.gestiopolis.com/diseno-para-la-manufacturabilidad-y-desarrollo-integral-de-productos/.
Centeno Olguín, José. Diseño para la manufacturabilidad y desarrollo integral de productos [en línea]. <https://www.gestiopolis.com/diseno-para-la-manufacturabilidad-y-desarrollo-integral-de-productos/> [Citado el 13 de Diciembre de 2017].
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