aplicaciones en la fase de diseño conceptual de triz (19)

8CONGRESOIBEROAMERICANODEINGENIERAMECNICACusco,23al25deOctubrede2007

ALCANCESYAPLICACIONESENLAFASEDEDISEOCONCEPTUALDETRIZ,TEORADERESOLUCINACELERADADEPROBLEMASDELMBITOMECNICOENCHILE.

Dr.Ing.PedroSariegoPastn;Ing.FelixPizarroMartinezDepartamentodeMecnica.UniversidadTcnicaFedericoSantaMariaAvenidaEspaa1680Valparaso-ChilePedro.sariego@usm.cl;Feliz.pizarro@usm.cl

RESUMEN

EltrabajopresentaunapanormicageneraldelosmtodosdediseoysusimplicanciasconlainventivaylainnovacinenelmbitodelaIngenieraMecnicaydestacaalaTeoradeResolucinAceleradaparalaInventiva,denominadaTRIZ,comounametodologadediseoadecuadaparapotenciarlosnivelesdeinventiva,especialmenteenlafasedediseoconceptualdelaingenieramecnica.Eltrabajopresentaunasntesisdeprincipalesherramientas,incluyendoloscuarentaPrincipiosdeInventivaylaMatrizdeContradiccionesdeTRIZ,comoasmismolosconceptosdeSustanciaCampoyCiclodeVida.SeilustranademsalgunosresultadosdedesarrollodelmtodoenChileanivelacadmico,basadasespecialmenteenexperienciasenelDepartamentodeMecnicadelaUTFSM,dondeseobservaqueTRIZ,porserunmtodosistmicoqueseintegrarpidamentealamentalidaddelosalumnosdeingeniera;comotambinlasexperienciasdeaplicacionesindustrialalafecha,talescomo;diseode:mesadebipedestacin,dispositivoutilizadopreferentementeporusuariosdiscapacitados;ylaaplicacinenalgunosdiseodemquinasparalaindustria.SedestacaelhechoqueTRIZesunadelasprincipalesherramientasdediseoeingenierautilizadasanivelmundialenlaactualidad.I.INTRODUCCION

Sediceconraznquelainnovacintecnolgicasehaconvertidoenunademandaindispensableparaeldesarrolloeconmicoysocialdelospasesyparalasupervivenciayxitodelasempresaseinstituciones.,esasqueasempresaseinclusolosgobiernosdelospasesindustrializadoshanimpulsadoaldiseocomounaactividadestratgicadentroyfueradesusorganizaciones,alpuntodequesehaconvertidoenunaherramientaclaveparacrearventajascompetitivassostenibleseneltiempo.Esto,porqueeldiseoeselcentrodelprocesodetomadedecisioneseneldesarrollodeproductos,ellugaryelmomentoprecisoparahacerrealidadlasapetenciasdelosusuarios,dondesetienelamayorlibertadparacrearlonuevo,redisearloviejo,actualizarloqueestenuso,dondemejorseensayayaplicanlosnuevosmateriales,lasnuevastecnologas,losnuevasvisionesyconceptossobrelosproductos[8].

Enesemarco,yentendiendoqueparaqueexistainnovacindebehaberunmodelodegestinquecomercialiceunproductoquealguienhayainventado,creado,descubierto,generalmentemedianteprocesosdenominadosinventiva.Lociertoesqueesjustamentelainventivalaque,enpasescomoChileyentodoelmbitolatinoamericano,tiendeaestarenelmbitodelatcnica,bastanteatrsrespectodelospasesindustrializados.Unaseriecomplejadefactoresconspiranparadarcomoresultadolasituacindescrita,perosinlugaradudasunadelasprincipalesfalenciaseslafaltausoeinclusodeconocimientodemetodologasquepotencianlainventiva.

Existeporciertounacantidadenormedemtodosdediseoeinventiva,seproponeenestetrabajoalaTeoradeResolucindeProblemasdeInventiva(TRIZ),queesunametodologaprcticayseveasmismacomounacienciaendesarrollo.SetratadeunametodologaquenacienRusiaenlosaos50,deampliousoenlaempresasdedesarrollodeproductoenelmundoindustrializadoenlaactualidad,empresasinteresadasenpotenciarsusnivelesdeinventiva,paramantenery/oacrecentarsusnivelesdeinnovacinyporconsiguientesusventajascompetitivasaescalamundial.TRIZhademostrandoserefectivaauxiliandoenlasolucindeproblemasyparadesarrollarlasestrategiasdetecnologasfuturasentodaslasramasdelaindustriaydelaciencia,suconocimientoenlosmbitosdelaingenieramecnicaesnaturalydeacuerdoalaexperienciaendesarrollospropiosunagranayudaalmomentodeldiseoconceptual.

II.ENFOQUESDELAINVENTIVAYLAINNOVACIONENELDISEOMEDIANTETRIZ.

Existenunaseriedeenfoquesdediseodeproducto,lasdiferenciasmsgrandessedanentrelasvisiones,formas,conceptos,mtodosyherramientasquesegenerandesdeelmbitoDiseoIndustrialversuslosquesedesarrollandesdeloscamposdelaIngenieradeDiseo.Enelmbitodelaingenieraqueseestudiaennuestrasescuelasdeingeniera,sereconoceaChristopherJones(1981),comoelpionerodelestudiodelosmtodosdediseoydeproyecto,quiensealaraqueelciclodediseocomprendetresetapas,asaber:anlisis,sntesisyevaluacin,mismasquerenombracomodivergencia,transformacinyconvergenciaparaasociarlasalalabordediseo.

Alafecha,seconocenenlaactualidadaportestericosaldiseodediversosautores,quehallevadoaagruparalosmtodosdediseoentresgrandesgrupos,asaber:MtodosSistemticos,quederivandelaTeoradeSistemas,cuyosgrandesautoressonAltshuller,Beiltzentreotros.MtodosIntegradores,nacidosdelaexperienciadelmercado,cuyogranreferenteesPughyMtodosAxiomticos,queseoriginaneneldesarrollodelastecnologasinformticasenelmbitodelamanufactura,eldiseoylaingenieraengeneral,teniendoaShucomounodesusgrandesautores.Bajoestosgrupostericoshansidoagrupadasunconjuntoampliodemtodosdediseo,loscualessonutilizadosindistintamenteendistintoslugaresdelmundo.

TRIZ,seinsertaenelmarcodeTeorasSistemticasydacuentadeungrupodemetodologascreadasporAltshullertalescomolamatrizdecontradicciones(las39caracteristicastcnicasyfsicasylos40principiosdeinventiva),lasustanciacampos,lascurvasdeprogreso;ysuscontinuadoresquecrearonmtodocomoARIZ(algoritmosderesolucindeinventivadeproblemas);sistemasestructuralesyotros,dealtoimpactoenlainventivayenlainnovacindeproductosyprocesos.

Ahorabien,todoslosmodelosdediseo,lasmetodologaseinclusolasfilosofasdediseovenenste,loquehanvenidohadefinircomounaactividad,dominiosdeinteraccinentreelusuarioyelobjeto.Lagrancuestineselcorazndelprocesodediseo,estoeselprocesodecreacin,deinventiva,decreacindeunacosanueva,quesedenominadiseoconceptual.

Colectadedatos

Problemainicial

Formulacindelproblema

Identificarlacontradiccin

Modelosdeevolucin

Condicionesespecificas

Implementarlasolucin

Resolverlacontradiccin

Figura1.ParmetrosconceptualesdeTRIZ[5].

Laproblemticasepotenciacuandoseexaminanherramientasy/omtodosdeapoyoaldiseo,unanlisisdetalladoindicaquedetodoslosmbitosdeldiseo,especialmenteelrelacionadoconlamecnicaysusderivaciones,eseldiseoconceptualelmshurfanodeapoyodeherramientas,metodologasyhastatecnologas.EstohastaquesurgieraconfuerzalaalternativadelMtodoTRIZ.Estaesbsicamenteunametodologaestructuradaparalainnovacin,queexaminalosproblemasdeinventivaenformametdica,explorandoespaciosdesolucionesparagenerarideascreativas.Lafigura1ilustralafuerzametdicadeTRIZ,indicandoqueelproblemainicialpasaporunaseriedeetapashastaqueesposibleformularelproblemacorrectamente,identificarlacontradiccinquehaderesolversecorrectamentepararesolvereimplantarlasolucin.ElmtodofuedesarrolladoenlaantiguaURSSporGenrichAltshuller,constituyporaosunametodologamsdentrodeluniversodemtodosdediseo,desconocidopordcadasenoccidente.TRIZ,queesacrnicodelrusoyquevieneasignificarelTeoradeResolucinInventivadeProblemas.ElcolapsodelaURSSpermitiquesetuvieraconocimientoenoccidenteydesdeesapocahasidounmtodosumamentedifundidoenlospasesindustrializadosquetienenenlainnovacinelejedesudesarrolloeconmico,mientrasqueenlospasescomoChile,centradoenlaproduccinderecursosnaturales,esprcticamentedesconocido.TRIZesunmtodobasadoenlacienciayenelconocimientoqueseconcentraenresolvercontradiccionesensistemascomportamientosquemuestracontradiccionespasadasosimilares.Susetapassonbsicamenteladeestablecerlasfasesdedefinicindelproblema,laformulacin,lacategorizacindelproblema,eldesarrollodeconceptosdesolucin,lapriorizacineimplementacindesoluciones.

BuscadorescientficoscomoScurusindicancercade5000referencias,conuncrecimientoexpotencialmesames,lamayoradeellassonreferenciassobreaplicacionesdelametodologaendiversoscamposdelsaberysusderivacionesenelmbitoindustrial.ElnmerodepginaswebdeTRIZenelmundo,almomentoderedactarestedocumentosuperabaelmilloncuatrocientasmilreferencias.

SegnTRIZ,elprocesocreativoquellevaalainnovacindesistemastecnolgicos,noesalgocaprichoso,alazary/omisterioso,quedependedelapercepcinydelapsicologadecadapersona.Enrealidadtodolocontrario,setrataentodomomentodedeunprocesoperfectamenteestructuradoybasadoenunmetodologafcildeaprender,demaneraquelaspersonasseenfrentenconxitoaproblemasdeinnovacintecnolgicayseannotablementeinventivas,produzcaninventos,demaneraprogramadayexitosa.Deahsuxitoeneconomasquenecesitandelainnovacinparasudesarrollo.TRIZindicaquelagranmayoradelosproblemasdeinventivayahansidoresueltosyquelassolucionesaportadas,sepuedenclasificaryordenardeformaenqueesposibleteneraccesoaellasdemanerafcilyrpida.

Entrminosgenerales,lateoraconsisteendescubrirlasprincipalescontradiccionesenunproblemadeinnovacintecnolgicaolanecesidaddegeneraruninvento,estascontradiccionessedividenbsicamenteen:ContradiccionesTcnicas,quesonlasqueinvolucranadoselementosdeun1.Segmentacin11.Precaucinprevia21.Pasarrpidamente31.Materialesporosos

2.Extraccin12.Equipotencialidad22.Convertirlonegativoenpositivo32.Cambiosdecolor

3.CalidadLocal13.Inversin23.Retroalimentacin33.Homogeneidad

4.Asimetra14.EsfericidadCurvatura24.Mediador34.Restauracinyregeneracindepartes

5.Combinar15.Dinmica25.Autoservicio35.Cambiosdeparmetros

6.Universalidad16.Accionesparciales26.Copiar36.TransicionesdeFase

7.Anidacin17.Otradimensin27.Objetosbaratosudecortavida37.ExpansinTrmica

8.Contrapeso18.VibracionesMecnicas28.Sustitucindesistemasmecnicos38.OxidantesFuertes

9.Reaccinpreliminar19.AccinPeridica29.Neumticaehidrulicas39.Atmsferasinertes

10.Accinpreliminar20.Continuidaddelaaccintil30.Membranasdelgadas40.Materialescompuestos

1.Pesodeunobjetoenmovimiento11.Tensin,presin21.Potencia31.Efectossecundariosdainos

2.Pesodeunobjetosinmovimiento12.Forma22.Desperdiciodeenerga32.Manufacturabilidad

3.Longituddeunobjetoenmovimiento13.Estabilidaddeunobjeto23.Desperdiciodesustancia33.Convenienciadeuso

4.Longituddeunobjetosinmovimiento14.Resistencia24.Perdidadeinformacin34.Reparabilidad

5.readeunobjetoenmovimiento15.Durabilidaddeunobjetoenmovimiento25.Desperdiciodetiempo35.Adaptabilidad

6.readeunobjetosinmovimiento16.Durabilidaddesinobjetosinmovimiento26.cantidaddesustancia36.Complejidaddeunmecanismo

7.Volumendeunobjetoenmovimiento17.Temperatura27.Confiabilidad37.Complejidaddecontrol

8.Volumendeunobjetosinmovimiento18.Brillo28.Precisindemedi-ciones38.Niveldeautoma-tizacin

sistematecnolgico.ContradiccionesFsicasquecorrespondenaunasolapartedelsistematecnolgico.ComoconsideracinespecialsedebesealarqueTRIZseaplicamejoraproblemascuyodiseoorendimientosondelargaduracinyqueaparentandemostrarcontradicciones.TRIZserecomiendaparapersonaslgicasyanalticas,yesmuyefectivoenayudaraingenierosapensarmscreativamente.TRIZrequieredeconocimientodefsica,entrenamientoconsiderableyprcticaparaproporcionarlaeficienciaadecuada.Delanlisisdeungrannmeropatentes,Altshullerdesarrolllosdenominados40principiosdeinvencin,queseespecificanenlasiguientetabla.

Tabla1.Los40PrincipiosdeInvencindeAltshuller[5].Estoscuarentaprincipiossoncontrastadoscon39parmetrosocaractersticasdecualquiersistematecnolgicoatravsdeloquesedenominaMatrizdeContradicciones.

9.Velocidad19.Energadeunobjetoenmovimiento29.Precisindemanu-facturas39.Productividad

10.Fuerza20.Energadeunobjetosinmovimiento30.Factoresperjudicialesactuandoenunobjeto

Tabla2.Las39caractersticasoparmetrosdecualquiersistematecnolgico[5].III.MATRIZDECONTRADICCIONES

LaMatrizdeContradiccionesesellugardondesecontrastanlascaractersticasoparmetrosdelsistematecnolgicoquesedebenmejorar,frentealosparmetrosdediseoquesedeterioran.Enlainterseccindeestosseestablecenlosprincipalesprincipiosdeinventivainvolucrados.

ElusodelamatrizdeAltshullercomprende5pasos:

AnteundeterminadoproblemadediseosehadeconvertirelproblemaencomentosehadeidentificarloselementosdelmismocondosparmetrosocaractersticasPosteriormentesehadeIdentificarlacorrespondenciaentrelosdosparmetrosocaractersticasdediseocitadasconalgunodelos39parmetrosgeneralizadosdeAltshullerSehandebuscarlosprincipiosdeinventivaquepermitanresolverelconflictodediseousandolamatriz.ExistenherramientasdesarrolladasenExcelenquelosparmetrosgeneralestienennmerosasociadosconellos,sehadebuscarelcorrespondientecorteentrelasfilasycolumnasqueposeenesosnmerosasociados.Losnmerosqueaparecenenlaceldacorrespondiente,correspondenaprincipiosdeinventivaSedebeanalizarcadaunodelosprincipiosdeinventivaresultantesyestablecersiestnencorrespondenciaconlanaturalezadelproblema.

Sehadeadaptarlos

123456tratarde

principiosdeinventiva

correspondientesaposiblessolucionesdelproblemadediseoAmododeejemplo,seilustralamatrizparalasseisprimerascaractersticas,enlasinterseccionesseilustranlosprincipiosdeinventivaalosquesehacereferencia.

1

15.8.29.34

29.17.38.34

2

10.1.29.35

35.30.13.2

15.8.329.34

15.17.4

4

35.28.40.29

17.7.10.40

2.17.529.4

14.15.18.4

6

30.2.14.18

26.7.9.39

Figura3.PartedelaMatrizdeContradiccionesdeAltshuller.Seindicaelnmerodelosparmetrosgeneralesquesecontrastanporpares.Elnmeroderecuadrospresentalosprincipiosdeinventivainvolucrados[5].

Estosignificaquesehadeconsiderarlosprincipiosindicadosyporconsiguienteelproblemapuedetratardelasolucindealgunosdelostemsqueseindicanparacadacaso.

IV.ANLISISDEPROBLEMAAPLICANDOMATRIZDECONTRADICCIONESDETRIZ([1]y[4]).

Amododeejemplo,deloscasosanalizadosenChileutilizandolamatrizdecontradicciones,seilustraelresultadodelainnovacinenunalimentadordecorreaparamineralgruesoubicadobajoelchancadorprimario,queseilustraenlasiguientefigura,conunacapacidadde6000ton/hr,parauntopsizedemineralde10.

IDEALIDAD:Elsistemaidealseraquelquenodemandemayorescostosoperacionalesporconceptodeconsumodeenergaymanutencin,manteniendolosnivelesdedisponibilidadactuales.

EFECTOS:ElautordeTrizobservqueagranpartedelassolucionessimplementeaplicabanlasventajasdeunefectoconocido.Estosefectospuedenserfsicos,qumicosygeomtricosyparalaobtencindeideasseemplealateoraencuestin.

ParmetroaMejorarParmetroquesedeteriora

14.Resistencia15.Durabilidaddeunobjetoenmovimiento23.Desperdiciodesustancia25.Desperdiciodetiempo39.Productividad1.Pesodeunobjetoenmovimiento

9.Velocidad

Figura4:Geometradelalimentadordecorreabajoelchancadorprimario.

CONTRADICCIONES

ContradiccionestcnicasLoprimeroquesehahechohasidoanalizarlos39parmetrosdeingenieraparadeterminarculespuedenllegaraafectaralincrementodevelocidaddelapala.Trasdichoanlisis,elnmeroinicialdeparmetrossehareducidoa5queseincluyenenlatabla5.Ensegundolugarsehanidentificadolasposiblescontradiccionesquepuedenocurrirentrelos39parmetros.Paraello,sehatenidoencuentaquelamejoradeunparmetroempeoraotro.

Tabla3:Parmetrosgeneralizadosdeingeniera.Unavezdeterminadaslascontradiccionesexistentes,lamatrizdecontradiccionesselecciona(apartirdelos40principiosinventivosdeAltshuller)seseleccionanaquellosparmetrosquesonmsinteresantespararomperlacontradiccin,indicadosenlamatrizdelasiguientetabla..

Tabla4:Elresultadodelamatrizdecontradicciones

Pararomperestacontradiccinsepodranemplearlosprincipiosinventivosseordenanporordendeimportancia,deloqueseobtienelosdemayorrelevanciaasociadosconelproblema,asaber:

35.Transformacindelosestadosfsicosyqumicosdeunobjetoa.Cambiarunestadodeagregacindeunobjeto,concentracindedensidad,gradodeflexibilidad,temperatura.5.Combinandoa.Combineenunespacioobjetoshomogneosuobjetosdestinadosaoperarcontiguamenteb.Combineentiempooperacioneshomogneasocontiguas

ContradiccionesfsicasLacontradiccinfsicaqueseempleaenestecasoesladeseparacinenelespacio,cuyoaplicacinesladequitar,partedelmaterialqueesdainooestaenriesgoparahacerlatanpequeahastadesaparecer

IdeasobtenidasLaideaobtenidaapartirdelanlisisdelascontradiccionestcnicasyfsicasapuntaadisminuirlatensinenlacintamedianteladisminucindelmaterialqueseencuentrasobrelacintadelalimentadordecorrea(cambiarunestadodeagregacin+combineenunespacioobjetoshomogneos),yqueinducefuerzasdearrastresignificativas.Paracumplircontalobjetivosetrabajaconlamodificacin(tamaodeladescarga),delcajndealimentacinalequipoparabajarlatensindecortedelmineralqueseencuentraensuinterioryasuvezbajarlatensinenlacintaaldisminuirlosesfuerzoscortantesantesmencionados.Enlasfiguras5y6seapreciaelanlisisdetensionespracticadoenelcajndealimentacinantesydespusdeimplementarlamodificacinparamejorarlavidadelacinta,quefueevaluadaentrminosdepotenciainstalada,tensionesenlacintayporconsiguiente,vidatilactualyfuturadelamisma.

Figura5:GeometraoriginalydistribucindetensionesdeVonMisesparalageometraoriginal

Figura6:ModificacingeomtricapropuestayDistribucindeesfuerzosdeVonMisesparalamodificacinpropuestaporTRIZ

Lasecuenciadefigurasilustraclaramentelamejoraenelequipoaniveldeconcentracionesdeesfuerzos,loquemuestradepaso,lapotenciadelasolucin.

V.CONCLUSIONES

Lasprincipalesconclusionesdeestetrabajosonlassiguientes:.Lainnovacinyespecialmentelainventivaesunacapacidadquetodoserhumanoenelmbitodelatcnicapuedepotenciaratravsdeherramientasmetodolgicasapropiadas.LametodologaTRIZesunaherramientapotenteparaapoyarestatareadeaprendizajeaceleradoparalainnovacin,especialmenteenelmbitodeldesarrollodeproductoinvolucradaconlaIngenieraMecnica.TRIZesunaherramientasistemticaparadisearqueentregaunasestrategiasefectivasderesolucindeproblemas,eliminalasbarrerasentredominiosdeinventivaeneldiseoconceptual.Generaunenfoque

equilibradotremendamentepotenteparaeldiseoconceptual,cosaquesepudoprobarenelejemploilustrado.Esdeltodonecesariopromoverladifusindeestametodologaenlasescuelasdeingenieradenuestrospases,especialmentedeingenieramecnica,paraapoyareldesarrollodenuestrasnaciones.

REFERENCIAS.

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[[3]W.Maloney.,Oportunidadesperdidas:InnovacinycrecimientoenbasearecursosenAmricaLatina,ForodeEconomadeMinerales,VolIII,pginas25-68,EdicionesUniversidadCatlicadeChile,SantiagodeChile,2005

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