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XIII Congreso de Confiabilidad de la AECZaragoza, 23-25 de Noviembre de 2011
Metodología de diseño robusto para el aseguramiento de la calidad en el
desarrollo de productos innovadores
José Mené Roche- jmene@ita.es
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ARAGÓN
1. Introducción
2. Metodología
� Objetivo
� Fases de un proyecto
� Herramientas
� Procedimiento
3. Ejemplo de aplicación
4. Conclusiones
Índice
1. Introducción
Características de un proyecto:
� Complejidad técnica
� Unidades a fabricar
� Departamentos involucrados
� Disponibilidad de tiempo, recursos humanos, presupuesto, …
� Riesgo asumible
Maneras de abordar un proyecto:
� No procedimentada, lógica, natural e intuitiva
� Procedimentada, reglada, sistematizada
1. Introducción
Herramientas / Procedimientos implicados un proyecto:
� Sistemas de calidad
� Gestión de proyectos
� Metodologías de diseño y desarrollo
2. Metodología - Objetivo
Sistematizar el proceso de diseño y desarrollo de producto
innovadores para garantizar el cumplimiento de los requisitos del
proyecto, aumentar la calidad y probabilidad de éxito, evitando fallos y
errores
Metodología de diseño robusto para el aseguramiento de la calidad en el proceso de desarrollo de productos innovadores
Procedimiento
Campo de aplicación ITA
� Proyectos Mecatrónicos I+D+i
• Nuevos productos
• Equipos singulares de ensayo
2. Metodología - Objetivo
2. Metodología – Fases del proyecto
• Definición
• Tareas
• Resultantes
• Herramientas
• Equipo de trabajo
• Observaciones
• QFD I
• Estado de la Técnica• Técnicas de Creatividad• Patentabilidad
• CAD, UML, Seguridad, Ecodiseño• Simulación: Dinámica, MEF, CFD…• DOE, AMFE I, QFD II, ACV
• Software de control, HIL, RCP• Instrumentos de calibración
• DOE, AMFE II, QFDIII
FASES HERRAMIENTAS
2. Metodología – Herramientas
• Goldfire Innovator
• Inventor, I-Deas, Catia• SimMechanics, Simulink• Matlab, NI• Abaqus, Ansys, Fluent
• VISIO, Rational Rose• dSPACE• LabView
• Software de control• Patrones de calibración• Equipos de medida
SOFTWARE
2. Metodología – Herramientas
• Generación de conceptos
• AMFE
• Ecodiseño y ACV
• Seguridad y fiabilidad
• QFD
• DOE
Procedimientos desarrollados:
2. Metodología – Herramientas
• QFD
Qué es: Es un método para convertir los
requerimientos del cliente en objetivos de diseño y
puntos de aseguramiento de la calidad.
Para qué sirve: Asegura el cumplimiento de los
requerimientos “reales” de cliente. Reduce costes
adiciones debido a rediseños posteriores. Obliga a
la evaluación de distintas soluciones de diseño.
Resultantes: Tablas que muestran de manera
gráfica los datos presentes en la toma de decisión.
2. Metodología – Herramientas
• QFDQFD
2. Metodología – Herramientas
• Generación de conceptos
Qué es: Procedimiento para la generación de conceptos de forma
organizada utilizando técnicas de creatividad, complementadas con el
uso de la vigilancia tecnológica y estado de la técnica.
Para qué sirve: Generar nuevos conceptos que cumplan con las
especificaciones del cliente y que no estén patentados.
Resultantes: Conceptos que se puedan desarrollar sin incumplir patentes
y que se puedan patentar.
2. Metodología – Herramientas
• Generación de conceptos
2. Metodología – Herramientas
• AMFE
Qué es: Procedimiento sistemático para asegurar que los productos y
procesos sean fiables y competitivos en el mercado.
Para qué sirve: Para detectar problemas que pueden dar lugar a riesgos
de seguridad, mal funcionamiento del producto y acortar su vida.
Resultantes : Tabla detallada de las funciones del sistema, modos
potenciales de fallo, sus causas, sus efectos y priorización de la acciones
correctoras.
2. Metodología – Herramientas
• AMFE
2. Metodología – Herramientas
• DOE
Qué es: Conjunto de técnicas para planificar, realizar y analizar resultados
de experimentos, obteniendo las conclusiones adecuadas al objetivo.
Para qué sirve:
Comparar alternativas de diseño. Identificar qué variables de diseño tienen
mayor influencia en la función deseada.
Resultantes:
Selección de la mejor alternativa de diseño. Centrar esfuerzos de mejora en
variables más influyentes. Ajuste óptimo de variables de diseño.
2. Metodología – Herramientas
• DOE1º DEFINICIÓN DE
OBJETIVOS
2º SELECCIÓN DE VARIABLES
3º PROCEDIMIENTO DE ENSAYO
4º DISEÑO DEL EXPERIMENTO
5º EJECUCIÓN DE ENSAYOS
6º ANÁLISIS DE RESULTADOS
7º OPTIMIZACIÓN FACTORES
8º CONCLUSIONES
Modelo “caja negra”: -Variables diseño-Respuesta-Factores de ruido
-Factorial completo-Factorial fraccionado-Métodos Taguchi
…
-Construir modelo de respuesta-Analizar si efectos son significativos (ANOVA)
-Calcular niveles de variable que optimizan respuesta-Ensayo confirmatorio
2. Metodología – Herramientas
• Seguridad y fiabilidad
Qué es: Son dos aspectos de la calidad de un producto, estrechamente
unidos, con el fin de que ese producto se pueda fabricar, utilizar y
mantener de una forma fiable y segura.
Para qué sirve: Para obtener un producto que el usuario pueda utilizarlo
cuando lo necesite (sea fiable) y de una forma segura (sin riesgos). Para
cumplir con la normativa y legislación aplicable.
Resultantes: Evaluación de riesgos, Diseño de sistemas de seguridad de
acuerdo a normativa, Predicción de fiabilidad.
2. Metodología – Herramientas
• Seguridad y fiabilidad
Máquinas
Evaluación de riesgosUNE EN ISO 14121
(*)
¿Sistema de mando? SRP/CS
¿Estudio de fiabilidad?
Fin de proceso
Fiabilidad de sistema eléctricos y electrónicos
(*) Se sustituye por la UNE 12100:2010
Sí
No
Sí
No
UNE EN ISO 13849
Esquema general:
Seguridad
Fiabilidad
2. Metodología – Herramientas
• Seguridad y fiabilidad
Evaluación de Riesgos y Diseño SRP/CS
2. Metodología – Herramientas
• Seguridad y fiabilidad
Diseño SRP/CS
2. Metodología – Herramientas
• Seguridad y fiabilidad
Fiabilidad sistemas eléctricos y electrónicos
Ponencia 1, día 23/11/11, “Predicción del cumplimiento de los
requisitos contractuales de fiabilidad de vehículos ferroviarios”
Javier Piedrafita - ITA
2. Metodología – Herramientas
• Seguridad y fiabilidad
Máquinas
Evaluación de riesgosUNE EN ISO 12100
(*)
¿Sistema de mando? SRP/CS
Criterio de selección de norma **
¿Estudio de fiabilidad?
Fin de proceso
Fiabilidad de sistema eléctricos y electrónicos
Fiabilidad de sistema mecánicos (NSWC)
IEC 62061
UNE EN ISO 13849 IEC 61508-3
(**) Criterio de selección de norma
ISO 13849 vs IEC 62061
Tecnologías empleadas
Cualquiera (E, H, M)
E/E/EP
Estructura del sistema
Simple ISO 13849ISO 13849 óIEC 62061
ComplejaMetodología de
la IEC 62061IEC 62061
¿Software?Sí
No
Sí
No
Sí
No
Procedimiento en desarrollo
2. Metodología – Herramientas
• Ecodiseño y ACV
Qué es: Diseñar teniendo en cuenta los aspectos
ambientales asociados a todas las fases del Ciclo
de Vida del producto.
Para qué sirve: Inventariar, analizar y evaluar
todos los impactos ambientales del producto,
previniendo o disminuyendo su aparición desde la
etapa de diseño y desarrollo.
Resultantes : Productos con menor impacto
ambiental en todo su Ciclo de Vida. Declaraciones
Ambientales de Producto.
2. Metodología – Herramientas
• Ecodiseño y ACV
2. Metodología – Procedimiento
Desarrollo y puesta en marcha de la Metodología
Procedimiento de aplicación de la Metodología
2. Metodología – Procedimiento
Bancos de ensayo Tribómetro de Largo Recorrido
3. Ejemplo de aplicación
� Tribómetro de largo recorrido
Objetivo Banco de ensayos de desgaste y fricción de largo re corrido
Destinado Ensayos de materiales
Máquinas existentes Tribómetro pequeño recorrido ≈10 mm. Tribómetro giratorio.
1DEFINICION DE
ESPECIFICACIONES
2GENERACION
DE CONCEPTOS
3DISEÑO
MECATRONICO
4FABRICACION Y
PUESTA EN MARCHA
5PRUEBAS Y VALIDACIÓN
• QFD I
• Estado de la técnica• Brainstorming• Patentabilidad
• CAD, UML• Simulación, MEF• Seguridad y fiabilidad• AMFE I, QFD II
• Instrumentos de calibración• Software de control
• DOE
• Goldfire Innovator
• Inventor • Matlab, Dynamic Inventor• Ansys
• dSPACE• Lab View
• Software de control y supervisión• Patrones de calibración• Equipos de medida
� Tribómetro de largo recorrido
Fases y herramienta de la Metodología
Definición de especificaciones
Identificar las características técnicas y requerimientos
• Recopilación de especificaciones• Doc. especificaciones
Objetivo
Actuaciones
� Tribómetro de largo recorrido
V (m/s)
L nominal, Ln a Vn
a (m/s2)a (m/s2)
L (m)L, arranque L, frenada
PROBETA
CONTRAMETERIAL
Sensores de IR
Termopares de contacto
Vn (m/s)
Características técnicas("Cómos")
Requerimientos del cliente("Qués") 0 1 2 3 4 5
1 5 13,8 90,0 5 5
2 5 12,3 80,0 2 4
3 5 12,3 80,0 4 2
4 5 10,8 70,0 4 4
5 5 9,2 60,0 4 3
6 5 12,3 80,0 2 5
7 5 9,2 60,0 5 5
8 5 10,8 70,0 Productividad (m3/hora) 3 5
9 5 9,2 60,0 5 3
▼▼
Correlación entre caraterísticas┼┼ Correlación muy positiva
┼ Correlación positiva
▲ Relación moderada positiva 2
▬ Correlación negativa
Objetivo minimizar
▲ Objetivo maximizar
Objetivo un valor
▼ Correlación muy negativa
Mejora del objetivo de las caracte rísticas
▼
QFDPROYECTO:
CÓDIGO:
Diseño conceptual de un brazo de gunitado
PRO09_0119
EMPRESA:
FECHA:
M.L.Lorenzana
▲▲ Relación fuerte positiva 5Relación entre exigencias y caracte rísticas
x
x
▼ Relación moderada negativa -2
Relación fuerte negativa -5
Ninguna relación 0
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Análisis de la competencia(0=Peor, 5=Mejor)
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3 4 5Columnas 1 2
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Facilidad de mantenimiento
Eficiencia en el proceso de gunitado
Seguridad del operario
Facilidad de puesta a punto
x
Flexibilidad y maniobrabilidad (capacidad de movimiento)
x
▲▲ ▲ ▲ ▲ x ▲▲Coste ajustado del producto
Peso
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Propia Empresa
Competidor 1
Competidor 2
Competidor 3
Competidor 4
Competidor 5
3 4 54 5 4 5 1 5 5
13 4 4 3 5 2Propia Empresa 5 5 4 2 1 5
140,0206,2 61,5 213,8 249,2 113,8 166,2 Peso relativo 183,1 270,8 255,4 164,6 158,5 152,3 140,0
8,73
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152,3 140,0 206,2 61,5
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2
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1,88
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8,6 10,1 4,6
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11 12,3
3
5 5 55
13,3
5
Peso relativo
Dificu ltad(0=Fácil de Lograr, 10=Extremadamente Difícil)
M áximo valor en la columna
Peso / Im portancia
5 5
164,6 158,5255,4
5 5 5
183,1
5
270,8
Competidor 1 3 4 3 4
• QFD
Herramientas
Identificar los antecedentes existentes en el estado de la técnica de tribómetros y tecnologías a aplicar
Espacenet y Goldfire Innovator
Objetivo
Herramientas
� Tribómetro de largo recorrido
Resultados
Patentes, artículos técnicos
Generación de conceptos – Estado de la técnica
• Estado de la técnica
Actuaciones
Generación de conceptos - Creatividad
� Tribómetro de largo recorrido
Generar conceptos de los siguientes sistemas:• Aplicación de carga• Desplazamiento lineal• Medida de la fricción
Objetivo
• Brainstorming
Herramientas
• Creatividad
Actuaciones
Generación de conceptos - Patentabilidad
� Tribómetro de largo recorrido
Analizar:• Incumplimiento de patentes• Posibilidad de patentar
Objetivo
• Bases de datos
Herramientas• Búsqueda y análisis de patentes
Actuaciones
Generación de conceptos - Diseño Mecatrónico Inicial
Diseño inicial de las propuestas seleccionadasSelección de la propuesta a desarrollar
• Prediseño Mecánico y Eléctrico• Simulación Dinámica• Evaluación de las propuestas
Objetivo
Actuaciones
� Tribómetro de largo recorrido
• INVENTOR• SIMULINK• QFD II
Herramientas
Características técnicas
("Cómos")
Requerimientos del cliente("Qués") 0 1 2 3 4 5
1 5 13,8 90,0 5 5
2 5 12,3 80,0 2 4
3 5 12,3 80,0 4 2
4 5 10,8 70,0 4 4
5 5 9,2 60,0 4 3
6 5 12,3 80,0 2 5
7 5 9,2 60,0 5 5
8 5 10,8 70,0 Productividad (m3/hora) 3 5
9 5 9,2 60,0 5 3
▼▼
Correlación entre carate rís ticas┼┼ Correlación muy positiva
┼ Correlación positiva
▲ Relación moderada positiva 2
▬ Correlación negativa
Objetivo minimizar
▲ Objetivo maximizar
Objetivo un valor
▼ Correlación muy negativa
Mejora de l objetivo de las características
▼
QFDPROYECTO:
CÓDIGO:
Diseño conceptual de un brazo de gunitado
PRO09_0119
EMPRESA:
FECHA:
M.L.Lorenzana
▲▲ Relación fuerte positiva 5Relación entre exigencias y caracte rís ticas
x
x
▼ Relación moderada negativa -2
Relación fuerte negativa -5
Ninguna relación 0
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Análisis de la competencia(0=Peor, 5=Mejor)
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Facilidad de mantenimiento
Ef iciencia en el proceso de gunitado
Seguridad del operario
Facilidad de puesta a punto
x
Flexibilidad y maniobrabilidad (capacidad de movimiento)
x
▲▲ ▲ ▲ ▲ x ▲▲Coste ajustado del producto
Peso
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Propia Empresa
Competidor 1
Competidor 2
Competidor 3
Competidor 4
Competidor 5
3 4 54 5 4 5 1 5 5
13 4 4 3 5 2Propia Empresa 5 5 4 2 1 5
140,0206,2 61,5 213,8 249,2 113,8 166,2 Peso relativo 183,1 270,8 255,4 164,6 158,5 152,3 140,0
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23,7
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24,93
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14,5
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166,2213,8 249,2 113,8
8,6 10,1 4,6
9 8
11 12,3
3
5 5 55
13,3
5
Peso relativo
Dificultad(0=Fácil de Lograr, 10=Extremadamente Dif ícil)
Máximo valor en la columna
Peso / Importancia
5 5
164,6 158,5255,4
5 5 5
183,1
5
270,8
Competidor 1 3 4 3 4
Diseño Mecatrónico
Diseño detallado de la propuesta seleccionada
• Diseño Mecánico y Eléctrico• Simulación Dinámica • Análisis estructural• Diseño del Software de Control• Seguridad y fiabilidad• Planos y esquemas de fabricación
Objetivo
Actuaciones
� Tribómetro de largo recorrido
• INVENTOR• SIMULINK• ANSYS• AMFE I• Seguridad y fiabilidad• Ecodiseño y ACV
Herramientas
Diseño Mecatrónico
• Simulación Dinámica. SIMULINK- Simulación y análisis del funcionamiento- Diseño del Control en Velocidad dirección X- Diseño del Control en Fuerza dirección Z
Actuaciones
� Tribómetro de largo recorrido
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
time(s)
For
ce(N
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command
K=3e6K=2e5
Diseño Mecatrónico
• Diseño Mecánico y Eléctrico• Seguridad y fiabilidad• AMFE II• Impacto ambiental • Expediente técnico. Marcado CE
Actuaciones
� Tribómetro de largo recorrido
Riesgo S1, F2, P2
PLr c
Arquitectura Redundante
MTTFd 15 años
DCavg 75%
CCF 70
PL c
PL ≥ PLr
Diseño Mecatrónico
• Diseño del Software de Control. UML, HIL
Actuaciones
� Tribómetro de largo recorrido
� Tribómetro de largo recorrido
Puesta en marcha
• Fabricación y montaje• Puesta en marcha
Actuaciones
� Tribómetro de largo recorrido
Pruebas y validación
• Calibración• Realización de ensayos• Validación y entrega de máquina
Actuaciones
� La Metodología de Diseño Robusto aporta un alto valor añadido a los proyectos de diseño de producto mecatrónico:
� Anticipa problemas en las primeras fases del proyecto. � Facilita la uniformidad de acción.� Potencia la colaboración multidisciplinar.� Mejora la estructuración de la documentación, facilitando su integración con la Gestión del Conocimiento. � Ayuda al control de las acciones y evaluación del trabajo.� Sistematiza la Innovación. � Minimiza los efectos negativos por relevo de personal y facilita la formación de nuevo personal.
� La Metodología de Diseño Robusto y sus herramientas son versátiles, se pueden aplicar y adaptar a otra tipología de proyectos.
4. Conclusiones
XIII Congreso de Confiabilidad de la AECZaragoza, 23-25 de Noviembre de 2011
Metodología de diseño robusto para el aseguramiento de la calidad en el
desarrollo de productos innovadores
José Mené Roche- jmene@ita.es
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ARAGÓN
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