Proceso de diseño de ingeniería

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El proceso de diseño de ingeniería , también conocido como método de ingeniería , es una serie común de pasos que utilizan los ingenieros para crear productos y procesos funcionales. El proceso es altamente iterativo (a menudo, es necesario repetir partes del proceso muchas veces antes de poder introducir otra), aunque las partes que se iteran y la cantidad de dichos ciclos en un proyecto determinado pueden variar.

Es un proceso de toma de decisiones (a menudo iterativo) en el que se aplican las ciencias de la ingeniería, las ciencias básicas y las matemáticas para convertir recursos de manera óptima para cumplir un objetivo establecido. Entre los elementos fundamentales del proceso de diseño se encuentran el establecimiento de objetivos y criterios, la síntesis, el análisis, la construcción, las pruebas y la evaluación. ^[1]

Es importante entender que existen varios marcos/articulaciones del proceso de diseño de ingeniería. La terminología empleada puede tener distintos grados de superposición, lo que afecta qué pasos se establecen explícitamente o se consideran de "alto nivel" frente a los subordinados en un modelo determinado. Esto, por supuesto, se aplica tanto a los pasos/secuencias de ejemplo particulares que se dan aquí.

Un ejemplo de encuadre del proceso de diseño de ingeniería delinea las siguientes etapas: investigación, conceptualización, evaluación de viabilidad, establecimiento de requisitos de diseño, diseño preliminar, diseño detallado, planificación de la producción y diseño de herramientas, y producción . ^[2] Otros, observando que "diferentes autores (tanto en la literatura de investigación como en los libros de texto) definen diferentes fases del proceso de diseño con diferentes actividades que ocurren dentro de ellas", han sugerido modelos más simplificados/generalizados, como la definición del problema, el diseño conceptual , el diseño preliminar, el diseño detallado y la comunicación del diseño . ^[3] Otro resumen del proceso, de la literatura de diseño de ingeniería europea, incluye la aclaración de la tarea, el diseño conceptual, el diseño de la realización, el diseño detallado . ^[4] (NOTA: En estos ejemplos, otros aspectos clave, como la evaluación del concepto y la creación de prototipos, son subconjuntos y/o extensiones de uno o más de los pasos enumerados).

Las distintas etapas del proceso de diseño (e incluso las anteriores) pueden implicar una cantidad significativa de tiempo dedicado a la búsqueda de información y a la investigación . ^[5] Se debe tener en cuenta la literatura aplicable existente, los problemas y los éxitos asociados con las soluciones existentes, los costos y las necesidades del mercado. ^[5]

La fuente de información debe ser relevante. La ingeniería inversa puede ser una técnica eficaz si existen otras soluciones disponibles en el mercado. ^[5] Otras fuentes de información incluyen Internet, bibliotecas locales , documentos gubernamentales disponibles, organizaciones personales, revistas especializadas , catálogos de proveedores y expertos individuales disponibles. ^[5]

El establecimiento de los requisitos de diseño y la realización del análisis de requisitos , a veces denominado definición del problema (o considerado una actividad relacionada), es uno de los elementos más importantes del proceso de diseño ^[6] en ciertas industrias, y esta tarea a menudo se realiza al mismo tiempo que un análisis de viabilidad. Los requisitos de diseño controlan el diseño del producto o proceso que se está desarrollando, a lo largo del proceso de diseño de ingeniería. Estos incluyen cosas básicas como las funciones, los atributos y las especificaciones , determinadas después de evaluar las necesidades del usuario. Algunos requisitos de diseño incluyen parámetros de hardware y software, capacidad de mantenimiento , disponibilidad y capacidad de prueba . ^[2]

En algunos casos, se lleva a cabo un estudio de viabilidad , tras el cual se desarrollan cronogramas, planes de recursos y estimaciones para la siguiente fase. El estudio de viabilidad es una evaluación y análisis del potencial de un proyecto propuesto para respaldar el proceso de toma de decisiones . Describe y analiza alternativas o métodos para lograr el resultado deseado. El estudio de viabilidad ayuda a limitar el alcance del proyecto para identificar el mejor escenario. Se genera un informe de viabilidad después del cual se realiza una revisión posterior a la viabilidad.

El objetivo de una evaluación de viabilidad es determinar si el proyecto del ingeniero puede pasar a la fase de diseño. Esto se basa en dos criterios: el proyecto debe basarse en una idea alcanzable y debe cumplir con las limitaciones de costos . Es importante que en esta parte del estudio de viabilidad participen ingenieros con experiencia y buen criterio. ^[2]

Un estudio de concepto ( conceptualización , diseño conceptual ) es a menudo una fase de la planificación de un proyecto que incluye la producción de ideas y la consideración de los pros y los contras de la implementación de esas ideas. Esta etapa de un proyecto se realiza para minimizar la probabilidad de error, gestionar los costos, evaluar los riesgos y evaluar el éxito potencial del proyecto previsto. En cualquier caso, una vez que se define un problema o cuestión de ingeniería, se deben identificar posibles soluciones. Estas soluciones se pueden encontrar mediante el uso de la ideación , el proceso mental mediante el cual se generan las ideas. De hecho, este paso a menudo se denomina ideación o "generación de conceptos". Las siguientes son técnicas ampliamente utilizadas: ^[2]

• Palabra desencadenante: se enuncia una palabra o frase asociada con el tema en cuestión, y se evocan palabras y frases subsiguientes.
• Análisis morfológico : las características de diseño independientes se enumeran en un diagrama y se proponen diferentes soluciones de ingeniería para cada solución. Normalmente, el diagrama morfológico va acompañado de un boceto preliminar y un informe breve.
• Sinéctica : el ingeniero se imagina a sí mismo como el elemento y se pregunta: "¿Qué haría yo si fuera el sistema?" Este método de pensamiento poco convencional puede encontrar una solución al problema en cuestión. Los aspectos vitales del paso de conceptualización son la síntesis. La síntesis es el proceso de tomar los elementos del concepto y organizarlos de la manera adecuada. El proceso creativo de síntesis está presente en cada diseño.
• Lluvia de ideas : este método popular implica pensar en diferentes ideas, generalmente como parte de un grupo pequeño, y adoptar estas ideas de alguna forma como solución al problema.

Las distintas ideas generadas deben luego pasar por una etapa de evaluación de concepto , que utiliza diversas herramientas para comparar y contrastar las fortalezas y debilidades relativas de las posibles alternativas.

El diseño preliminar, o diseño de alto nivel (también llamado FEED o diseño básico), a menudo cubre una brecha entre la concepción del diseño y el diseño detallado, particularmente en casos donde el nivel de conceptualización alcanzado durante la ideación no es suficiente para una evaluación completa. Por lo tanto, en esta tarea, se define la configuración general del sistema, y ​​los esquemas , diagramas y diseños del proyecto pueden proporcionar una configuración temprana del proyecto. (Esto varía notablemente según el campo, la industria y el producto). Durante el diseño detallado y la optimización, los parámetros de la pieza que se está creando cambiarán, pero el diseño preliminar se centra en crear el marco general sobre el cual construir el proyecto. ^[2]

S. Blanchard y J. Fabrycky lo describen así: “Los 'qué' que dan inicio al diseño conceptual producen 'cómo' a partir del esfuerzo de evaluación del diseño conceptual aplicado a conceptos de diseño conceptual factibles. A continuación, los 'cómo' se incorporan al diseño preliminar a través de los requisitos asignados. Allí se convierten en 'qué' e impulsan el diseño preliminar para abordar los 'cómo' en este nivel inferior”.

Después de la fase de diseño detallado (FEED), se encuentra la fase de ingeniería detallada, que también puede incluir la adquisición de materiales. Esta fase profundiza en cada aspecto del proyecto o producto mediante una descripción completa mediante modelos sólidos , dibujos y especificaciones .

Los programas de diseño asistido por ordenador (CAD) han hecho que la fase de diseño detallado sea más eficiente. Por ejemplo, un programa CAD puede proporcionar optimización para reducir el volumen sin afectar la calidad de una pieza. También puede calcular la tensión y el desplazamiento utilizando el método de elementos finitos para determinar las tensiones en toda la pieza. ^[7]

La planificación de la producción y el diseño de herramientas consisten en planificar cómo producir en masa el producto y qué herramientas se deben utilizar en el proceso de fabricación . Las tareas que se deben completar en este paso incluyen la selección de materiales, la selección de los procesos de producción, la determinación de la secuencia de operaciones y la selección de herramientas como plantillas, accesorios, herramientas de corte de metal y de conformado de metal o plástico. Esta tarea también implica iteraciones adicionales de pruebas de prototipos para garantizar que la versión producida en masa cumpla con los estándares de pruebas de calificación . ^[2]

La ingeniería es la formulación de un problema que se puede resolver mediante el diseño. La ciencia es la formulación de una pregunta que se puede resolver mediante la investigación. El proceso de diseño de ingeniería tiene cierta similitud con el método científico . ^[8] Ambos procesos comienzan con el conocimiento existente y gradualmente se vuelven más específicos en la búsqueda de conocimiento (en el caso de la ciencia "pura" o básica) o una solución (en el caso de la ciencia "aplicada", como la ingeniería). La diferencia clave entre el proceso de ingeniería y el proceso científico es que el proceso de ingeniería se centra en el diseño , la creatividad y la innovación, mientras que el proceso científico enfatiza la explicación, la predicción y el descubrimiento (observación) .

En las universidades se enseñan y desarrollan métodos que incluyen:

• Diseño de ingeniería, ^[9] Facultad de Ingeniería de la Universidad de Bristol
• Escuela de Ingeniería de Diseño Dyson , Imperial College London
• TU Delft, Ingeniería de Diseño Industrial.
• Universidad de Waterloo, Ingeniería de Diseño de Sistemas

• Ciencia aplicada
• Diseño automatizado por computadora
• Ingeniero de diseño
• Análisis de ingeniería
• Optimización de ingeniería
• Desarrollo de nuevos productos
• Proceso de ingeniería de sistemas
• Modelo sustituta
• Ingeniería tradicional

• "Criterios para la acreditación de programas de ingeniería, Comisión de acreditación de ingeniería" (PDF) . ABET.
• Ullman, David G. (2009) El proceso de diseño mecánico, Mc Graw Hill, 4.ª edición, ISBN 978-0072975741 
• Eggert, Rudolph J. (2010) Diseño de ingeniería, segunda edición, High Peak Press, Meridian, Idaho, ISBN 978-0131433588