ciencia y tecnología como herramientas para el...

Ciencia y Tecnología

como Herramientas para

el Desarrollo de

Producto.

Martyn R. Shorten, Ph.D.

BioMechanica, LLC

Portland, Oregon, USA

Ciencia, Tecnología, Desarrollo de Producto

• Conocimiento

• El proceso de adquirir

conocimiento

(Investigación)

Ciencia:

• Creación y uso de

Invenciones

Procesos

Métodos

• Resultado de un

Proceso

• Solución a un

Problema

Tecnología: Producto:

Ideas

Conceptos

Materiales

Componentes

Sistemas de

Producción

+ =

• Conocimiento

• El proceso de adquirir

conocimiento

(Investigación)

Ciencia:

• Creación y uso de:

Invenciones

Procesos

Métodos

• Resultado de un

Proceso

• Solución a un Problema

Tecnología: Producto:

Ciencia, Tecnología, Desarrollo de Producto

Ciencia

Biomecánica:

• Fuerza y movimiento

• Segmentos del cuerpo

• Huesos, articulaciones,

músculos

• Heridas, desempeño

Ciencia

Fisiología:

• Efectos del ejercicio

• Salud y condición

• Salud de los huesos

• Termoregulación

Ciencia

Ciencia de los Materiales:

• Química & Física

• Polímeros

• Materiales naturales

Ciencia

Psicología:

• Respuestas del consumidor

• Percepciones del consumidor

• Necesidades del consumidor

Ciencia

Como trabaja el cuerpo

Como trabajan los materiales

Que piensan los consumidores

Que quieren los consumidores

Biomecánica

Fisiología

Ciencia de los materiales

Psicología

Tecnología

Ingeniería de Producto:

• Conceptos de diseño

• Nuevos materiales

• Componentes y sistemas

• Métodos de producción

Tecnología

Tecnología de Información:

• Diseño y desarrollo

• Logistica

• Administración

• Comunicación

¿De donde vienen las innovaciones en el calzado?

Nuevos materiales

NIKE Shox

• Concepto desarrollado

por 1985

• Materiales durables para

el salto con propiedades

requeridas no

disponibles.

• El producto

eventualmente salió al

mercado en 2001

después de haberse

desarrollado un material

adecuado en la industria

automotriz.

¿De donde vienen las innovaciones en el calzado?

Nueva tecnología

adidas 1

• Primer intento en 1986

• Limitado por el peso de la

bateria su tamaño y vida.

• Limitado por tamaño del

componente y el costo.

• Fue una realidad finalmente en

el 2005 por la tecnología MEMS

(Micro-sistemas electrico-

mecánicos) y una pequeña pero

alta capacidad.

¿De donde vienen las innovaciones en el calzado?

Nuevos procesos de manufactura.

Pearl iZumi

• El concepto de “acabado sin

costuras” (Seamless upper)

requiere un nuevo patrón de

creación y nuevos métodos

de construcción del corte.

¿De donde vienen las innovaciones en el calzado?

Ciencia & Ingeniería

• Define necesidades

funcionales

• Ideas para conceptos de

producto.

• Prueba de producto

• Comercialización o beneficios

¿De donde vienen las innovaciones en el calzado?

El Laboratorio de Biomecánica.

Biomecánica humana

• Movimiento

• Fuerza

• Respuestas fisiológicas.

Biomecánica

“La aplicación de principios

físicos y mecánicos a los

sistemas biológicos.”

Movimiento

Marcadores reflectivos

sujetados al cuerpo son

rastreados por un arreglo

de 12 cámaras de alta

velocidad para registrar el

movimiento en 3

dimensiones del cuerpo y

de las secciones del

zapato.

El Laboratorio de Biomecánica.

El Laboratorio de Biomecánica.

Movimiento

Marcadores reflectivos

sujetados al cuerpo son

rastreados por un arreglo de

12 cámaras de alta velocidad

para registrar el movimiento

en 3 dimensiones del cuerpo

y de las secciones del zapato.

Movimiento

Marcadores reflectivos sujetados

al cuerpo son rastreados por un

arreglo de 12 cámaras de alta

velocidad para registrar el

movimiento en 3 dimensiones del

cuerpo y de las secciones del

zapato.

Los datos se aplican a modelos

biomecánicos.

Ejemplo:

Un experto en la técnica del “camino

del punto interceptor” (Jeet Kwan Do)

realizando un “Golpe de una pulgada”

El Laboratorio de Biomecánica.

Fuerza

Sensores de presión en el calzado

(sobre el piso) y placas de fuerza

(en el piso) se usan para medir las

fuerzas y su distribución actuando

en el cuerpo.

El Laboratorio de Biomecánica.

Ejemplo:

Distribución de presiones en el

zapato durante un golpe en Golf.

El Laboratorio de Biomecánica.

Fuerza

Sensores de presión en el calzado

(sobre el piso) y placas de fuerza

(en el piso) se usan para medir las

fuerzas y su distribución actuando

en el cuerpo.

Ejemplo:

Fuerza de reacción del suelo al correr,

medida con una placa de fuerza.

El Laboratorio de Biomecánica.

Fuerza

Sensores de presión en el calzado

(sobre el piso) y placas de fuerza

(en el piso) se usan para medir las

fuerzas y su distribución actuando

en el cuerpo.

Intensidad del ejercicio.

Medición continua del ritmo cardiaco

y del volumen de oxigenación.

El Laboratorio de Biomecánica.

Actividad muscular

Sensores sujetos a la piel registran la

actividad eléctrica en los músculos

subyacentes.

- Coordinación del movimiento

- Fuerza muscular

- Fatiga

El Laboratorio de Biomecánica.

Productos

• Documentación del funcionamiento del

cuerpo humano durante diferentes

actividades.

• Determinación de requerimientos del calzado.

• Medición de los efectos del calzado en los

factores de riesgo del desempeño y las

lesiones.

El Laboratorio de Biomecánica.

Ejemplos de aplicaciones

• Acojinamiento• Confort

• Protección

• Desempeño

• Materiales acojinantes• Optimización de materiales

• La geometría como una alternativa de solución al acojinamiento.

• Tracción• Requerimientos de tracción.

• Evaluación de desempeño de la suela.

• Morfología del pie y calce

Distribución de Presiones en el Zapato.

Cargas en la suela del pie al correr.

Talón

Punta del

pie

Medio

Caminar Correr Basquetbol Tenis

Cargas pico en el Pie.

Los requerimientos de

acojinamiento dependen

de: …

• Deporte / Actividad

• Intensidad del movimiento

• Tamaño del cuerpo

• Género

• Región del pie.

Ejemplo de distribuciones pico de

presiones.

Caminar Correr Basquetboll Tenis

Distribución de materiales apropiada para mínimos picos de presión.

Ajustando el acojinamiento para el Confort.

Confort en zapatos de tacón alto.

Los tacones altos...

• Incrementan la presión

y reducen el confort en

el antepie.

• Reducen las cargas en

el tacón

• Reducen la estabilidad

Ajustando el acojinamiento para Protección.

Distribución de materiales apropiada para mínimos golpe por impacto.

Caminar Correr Basquetboll Tenis

Ajustando el acojinamiento para desempeño.

Distribución de materiales apropiada para un impulso máximo.

Caminar Correr Basquetboll Tenis

Desempeño vs Confort

Confort:

Desempeño:

• Las propiedades ´´optimas de

acojinamiento para el “confort” son casi

exactamente las opuestas a las que se

requieren para el “desempeño”.

• No es posible tener verdadero confort y

verdadero desempeño en el mismo

sistema de acojinamiento.

La Ciencia dice …

Física de materiales acojinantes.

Espuma de EVA

• Todos los materiales

acojinantes son no-lineales.

• El desempeño acojinado no

esta directamente relacionado

con la dureza o densidad del

material.

Física de materiales acojinantes- Espuma EVA

• Las espumas acojinantes típicas

tienen propiedades

característicamente no-lineales.

• Las propiedades dependen de la

variación en la densidad.

• La rigidez varia con la compresión.

• Tres fases características.

Elasticidad linear

Pandeo de

altiplano

Física de materiales acojinantes- Espuma EVA

• Las espumas acojinantes típicas

tienen propiedades

característicamente no-lineales.

• Las propiedades dependen de la

variación en la densidad.

• La rigidez varia con la compresión.

• Tres fases características.

Densificación

(Tocando fondo)

Física de materiales acojinantes- Espuma EVA

• Las espumas acojinantes típicas

tienen propiedades

característicamente no-lineales.

• Las propiedades dependen de la

variación en la densidad.

• La rigidez varia con la compresión.

• Tres fases características.

Efectos de la Dureza

Asker C

70 40

1. Rigidez elástica mayor al inicio.

2. Mayor rigidez en etapa de

altiplano.

3. Menor tensión en la

densificación.

(1)(2)

(3)

Física de materiales acojinantes- Espuma EVA

Espuma EVA – Desempeño acojinante.

(Energía/ Entrada)

• El desempeño acojinante varía con

la carga de entrada (energía)

• Para cargas menores, los materiales

“mas suaves” se comportan mejor.

• Para cargas más altas los materiales

más duros se comportan mejor.

Física de la Distribución de Presiones.

La teoría de contacto de Hertz describe

la interacción entre superficies

elásticas..

3

2

*

*3

1

0

)6(

R

E

π

Fp

• La distribución de presión se afecta

tanto por las propiedades de los

materiales (“suavidad”) como por la

curvatura de la superficie.

• La distribucipon de presiones es

elipsoidal y la presión pico, p0, esta

dada por:

p0

3

2

*

*3

1

0π

)6(

R

EFp

• La teoría dice que la suavidad y la

curvatura reducen los picos de presión

de la misma forma.

• ¿Es esto verdad en la práctica?

p0

Física de la Distribución de Presiones.

Plano

0

150

100

200

50

kPa

Mientjes & Shorten (2003)

Suave = ¿Curvado?

Distribución de presiones bajo el talón.

Plano

0

150

100

200

50

kPa

Mientjes & Shorten (2003)

Suave = ¿Curvado?

Más suave

Más suave

Curvatura

Curvado

Plano

0

150

100

200

50

kPa

Mientjes & Shorten (2003)

Suave = ¿Curvado?

Curvado

Plano

0

150

100

200

50

kPa

Suave = ¿Curvado?

Más suave

Mientjes & Shorten (2003)

Curvatura

Acojinamiento más suave

Mientjes & Shorten (2003)

Suave = ¿Curvado?

Distribución de presiones bajo el talón.

Acojinamiento más confortable

Plano Curvado

Suave = Curvado

Aplicaciones

• En los productos en los que el grosor de la

suela esta limitado por los requerimientos

de estabilidad (i.e. futbol soccer), las

hormas contorneadas en su parte inferior

así como las suelas pueden ser usadas

para proveer acojinamiento en vez de una

espuma gruesa/suave.

Suave = Curvado

• Superficies mas contorneadas, distribuyen

las cargas, reducen los picos de presión e

incrementan el confort en la misma forma

que lo hacen los materiales mas suaves.

Suave = Curvado

Aplicaciones

Placa de suela plana

Zapatos de soccer: presión bajo el talón.

Placa de suela contorneada.

• En los productos en los que el grosor de la suela

esta limitado por los requerimientos de estabilidad

(i.e. futbol soccer), las hormas contorneadas en su

parte inferior así como las suelas pueden ser

usadas para proveer acojinamiento en vez de una

espuma gruesa/suave.

Suave = Curvado

Aplicaciones

• En los productos en los que el grosor de la suela

esta limitado por los requerimientos de

estabilidad (i.e. futbol soccer), las hormas

contorneadas en su parte inferior así como las

suelas pueden ser usadas para proveer

acojinamiento en vez de una espuma

gruesa/suave.

• Las plantillas contorneadas pueden ser usadas

para reducir la presión en el pie y mejorar el

confort.

Suelas y Tracción

Las suelas de zapato para

correr varían ampliamente

en su diseño y no son

siempre óptimas para su

propósito pretendido.

La fuerza de la

suela y los datos

de distribución de

presión pueden ser

combinados para

calcular la

distribución de las

fuerzas de corte y

los requerimientos

de tracción.

Cargas en la suela del zapato para correr.

Presión Vectores de corte Tracción

Los datos de requerimientos

de tracción pueden ser

usados para diseñar suelas

óptimas y mínimas.

Cargas en la suela del zapato para correr.

Suelas mínimas de zapato para correr.

Los datos de requerimientos

de tracción pueden ser

usados para diseñar suelas

ótimas y mínimas.

• Tracción adecuada.

• Durabilifad adecuada.

• Menos hule

= menor peso

= menor costo

Evaluación de suela– Botas de trabajo

A

Producto A:

• Las cargas se concentran en unos

relativamente pocos elementos

tensados, especialmente en el talón.

• Tracción reducida.

• Desgaste más rápido.

A B

Producto B:

• Más distribución uniforme de las

cargas

• Mejor tracción

• Se reduce la tensión al material

• Mayor durabilidad.

Evaluación de suela– Botas de trabajo

Producto A:

• Las cargas se concentran en unos

relativamente pocos elementos de

muñón, especialmente en el talón.

• Tracción reducida.

• Desgaste más rápido.

Morfología del pie & Calce.

• Escáneres láser 3D proporcionan información detallada sobre la

forma del pie

• Los datos de grandes muestras de individuos se usan para modificar

las hormas.

Morfología del pie & Calce.

Las hormas son herramientas parafabricar calzado, no moldes. Unahorma moldeada al pie no calzabien y tiene funcionalidad limitada.

Los datos de morfología del pie nose usan para determinar la formade la horma, sino para adaptarla.

Aplicaciones

• Patronaje

• Hormas específicas por tipo

de población.

•Detalles del calce.

Morfología del pie & Calce.

Variabilidad de las dimensiones del pie.

La variabilidad en los daros

de la forma del pie muestran

como los patrones del corte

requieren flexibilidad y/o

ajustabilidad.

Tecnología

• Computadoras en Zapatos

• Tecnología en Zapatos• Ejemplo del zapato para correr

• Tendencias anti-tecnológicas

- Andar descalzo/ Mínimo correr

- Sustentabilidad

- Diseño “inteligente” y soluciones ingenieriles.

• Tecnología en Desarrollo de Producto• Diseño virtual.

• Ingeniería virtual.

• Prototipado virtual.

Computadoras en Zapatos

Zapato computarizado Puma 1986

“El Podómetro electrónico”

•Registro de pisadas y

tiempo

•Distancia estimada.

Zapato computarizado Pume 1986.

“El Podómetro Electrónico”

•Sin retroalimentación visual.

•Conexión por cable a la

computadora.

•Funcionalidad limitada.

•Peso

•Costo

• Tecnología compleja, durable,

en un producto desechable.

Computadoras en Zapatos

Adidas 1, 2005

Computadoras en Zapatos

• Impacto medido

• Acojinamiento ajustado en

el talón.

•Sin retroalimentación visual.

•Conexión por cable a la

computadora.

•Funcionalidad limitada.

•Peso

•Costo

• Tecnología compleja, durable,

en un producto desechable.

NIKE Plus Adidas MiCoach Smart Phone, Web

iPod, PDA

Computadoras en Zapatos

• Registra parámetros de la marcha y

ritmo cardiaco.

•Retroalimentación visual & auditiva.

•Conexión inalámbrica al PDA

• Amplia funcionalidad vía WWW

•Peso ligero

•Bajo costo

• Tecnología durable que puede

moverse de zapato en zapato.

NIKE Plus Adidas MiCoach

Ya no se requiere un Zapato.

Computadoras en Zapatos

Tecnología

• Computadoras en los zapatos

• Tecnología en los Zapatos• Ejemplo del zapato para correr

• Tendencias anti-tecnológicas

- Andar descalzos/ zapatos deportivos minimalistas

- Sustentabilidad

• Diseño “inteligente” y soluciones ingenieriles.

• Tecnología en el Desarrollo de Producto.• Diseño virtual

• Ingeniería virtual

• Prototipado virtual

Tecnología en los Zapatos

Brooks Beast

Mizuno Wave Prophecy

• Componentes del calzado para correr.

Un gran número de componentes

plásticos moldeados.

• Tecnologías de acojinamiento

• Dispositivos para estabilización.

• Diseños complejos de suela.

• Parte función, parte mercadotecnia

Tendencias Anti-Tecnológicas(1)

Descalzos/zapatos deportivos minimalistas

• Segmento del mercado del calzado en los USA con más sólido

crecimiento.

• Productos minimalistas que proporcionan una sensación similar a

la de correr descalzo.

Vibram Five Fingers NIKE Free

Descalzos/Calzado deportivo minimalista– Tendencias

rectoras

NIKE Free• Producto basado en investigación sobre

correr descalzos

• Introducido como una herramienta de

entrenamiento para el pie.

• Investigación independiente muestra

que…

• Se incrementa la fuerza de los músculos

del pie.

• Se incrementa la resistencia de las

extremidades inferiores al daño.

Descalzos/Calzado deportivo minimalista– Tendencias

rectoras.

Nacidos para correr

• “Nacidos para correr” enfatiza los

beneficios del calzado minimalista y es

critico de los diseños convencionales del

calzado deportivo para correr.

• Los Tarahumaras

tienen la tradición de

ser corredores de

largas distancias y

correr con simples

sandalias.

• Libro exitoso que narra la historia de los

Tarahumaras en el Cañón del Cobre,

México.

• Biólogo evolucionista de Harvard que

report evidencia de que los humanos

estan adapatados para correr distancias.

• Sugiere que correr descalzos y correr con

la punta del pie son procesos mas

naturales.

Dan Lieberman

Descalzos/Calzado deportivo minimalista– Tendencias

rectoras

Ejemplos de calzado deportivo “Descalzo”

Vibram Five Fingers TerraPlan Evo New Balance Minimus

•Ligeros•Flexibles•Con poco o nulo acojinamiento.

Ejemplos de calzado deportivo “minimalista”

NIKE Free Zoot Adidas Chill

Brooks Green Silence Saucony Hattori

•Ligero•Flexible•Algún acojinamiento

Tendencias anti-tecnológicas (2)

Sustentabilidad

• El consumidor demanda más productos amigables con el

medio ambiente.

Estrategias de diseño de producto Sustentable.

• Eliminar materiales peligrosos

• Usar menos materia prima y menos componentes

• Remplazar materiales no renovables por materiales mas

sustentables.

• Diseño para un consumo mínimo de energía.

• Se minimizan los materiales auxiliares, como los del

empaquetado.

• Se hacen productos más durables.

• Se provee reparación o reemplazo de componentes.

• Reciclabilidad incorporada.

• Se permite separación de componentes.

• Reciclado, reúso y reprocesado.

Tendencias anti-tecnológicas.

Descalzo/Calzado minimalista Sustentabilidad

• Pocos componentes moldeados

• Tecnología minimalista

¿Minimalista o Funcional?

Minimalista / Zapatos ecológicos

Desempeño/Zapatos atléticos funcionales

Zapato atlético ecológico. Brooks Green Silence

• Plantilla biodegradable, y collares de hule espuma

• Materiales reciclados en un 75%

• Agujetas, lazos y cinchas son 100% recicladas

• Adhesivos base agua; colorantes y tinturas no-tóxicas

• 50 % de reducción en las partes y menos moldes.

Zapato atlético ecológico.

Brooks Green Silence

• Ligero

• Flexible

• Tracción ?

• Acojinamiento ?

• Estabilidad

Solamente apropiado

para un segmento

limitado de los

corredores.

“Diseño “inteligente” y soluciones ingenieriles.

El diseño “inteligente” y las

soluciones ingenieriles, pueden

mantener el desempeño y

funcionalidad del calzado deportivo

reduciendo su complejidad, costo e

impacto ambiental.

Ejemplo de soluciones “inteligentes”

Estabilidad / Control de pronación.

Los diseños tradicionales usan

espuma de densidad variable y

componentes moldeados para

estabilizar el pie.

NIKE Lunar Glide

Ejemplo de soluciones “inteligentes”

Estabilidad / Control de pronación.

Los diseños tradicionales usan

espuma de densidad variable y

componentes moldeados para

estabilizar el pie.

Una entresuela con dos

componentes provee control de

pronación y acojinamiento.

Ejemplo de soluciones “inteligentes”

Los diseños tradicionales usan

espuma de densidad variable y

componentes moldeados para

estabilizar el pie.

Estabilidad / Control de pronación.

Las fibras bajo tensión y las capas

superpuestas de textiles

reemplazan los componentes

moldeados del corte.

Ejemplo de soluciones “inteligentes”

Los diseños tradicionales usan

espuma de densidad variable y

componentes moldeados para

estabilizar el pie.

Estabilidad / Control de pronación.

Menos material = menor peso

Menos componentes = menor peso

Función optimizada

• Tracción

• Acojinamiento

• Estabilidad = mejor desempeño

Se reemplazan Componentes con

Sistemas

Soluciones funcionales con “menos

calzado” son más minimalistas,

sustentables y posibles.

El diseño “inteligente” y las

soluciones ingenieriles, pueden

mantener el desempeño y

funcionalidad del calzado

deportivo reduciendo su

complejidad, costo e impacto

ambiental.

“Diseño “inteligente” y soluciones ingenieriles.

Tecnología

• Computadoras en los zapatos

• Tecnología en los Zapatos• Ejemplo del zapato para correr

• Tendencias anti-tecnológicas

- Andar descalzos/ zapatos deportivos minimalistas

- Sustentabilidad

• Diseño “inteligente” y soluciones ingenieriles.

• Tecnología en el Desarrollo de Producto.• Diseño virtual

• Ingeniería virtual

• Prototipado virtual

Desarrollo de Producto Virtual

Los procesos

basados en la tecnología

de información están

reemplazando

rápidamente los métodos

tradicionales de

desarrollo de producto.

• Rapidez

• Eficiencia

• Costo

• Globalización

Diseño Virtual

• El diseñador “dibuja” con una

pluma digital y un programa de

CAD (diseño asistido por

computadora)

• Acceso a bases de datos

Materiales aprobados

Propiedades físicas

Estándares de calidad

Datos de costos.

Diseño Virtual

• El diseñador “dibuja” con una

pluma digital y un programa de

CAD (diseño asistido por

computadora)

• Acceso a bases de datos

Materiales aprobados

Propiedades físicas

Estándares de calidad

Datos de costos.

• Modelado en 3D y análisis

Base de datos de hormas

Base de datos de componentes.

Creación de Producto Virtual

• Desarrollo de especificaciones en línea.

• Moldes & herramientas generados de los datos de CAD.

• Elaboración de horma & patronaje automatizado

• Prototipado rápido

Probado Virtual

• Modelado en 3D

• Análisis de elementos

finitos.

• Desempeño de

componentes

• Durabilidad de

componentes

• Pruebas virtuales

/desempeño de producto.

Fuente de imágen: XYZ Scientific Appplications, Inc. (http://www.truegrid.com)

Probado Virtual

• Modelado en 3D

• Análisis de elementos

finitos.

• Desempeño de

componentes

• Durabilidad de

componentes

• Pruebas virtuales

/desempeño de producto.

• Análisis de flujo de

moldes.

Pre-Producción Virtual

• Los datos del CAD y las

especificaciones se transmiten

digitalmente al taller de máquinas y

a los sistemas de la fábrica.

• Herramientas CAM creadas

directamente del CAD.

• Provisión de materiales vía base

de datos de proveedores

aprobada.

• Logística de producción y

optimización de horarios.

Desarrollo Virtual de Producto

Alto costo de infraestructura

• Hardware y software

• Procesos automatizados

• Diseñadores y técnicos

calificados= mayores salarios

Ahorro de costos en línea

• Más rápido desarrollo de

producto

• Más rápido prototipado.

• Menores ciclos de

prototipado

• Reducción en el índice de

errores.

Ciencia, Tecnología, Desarrollo de producto

• La ciencia ha contribuido al desarrollo de calzado másfuncional, especialmente zapatos deportivos.• Definiendo las necesidades del consumidor.

• Recursos para innovación.

• El rol de la ciencia madura conforme se establece elcuerpo base de conocimiento, pero muchas preguntasimportantes quedan sin contestar.

• Rol futuro de la ciencia:• Diseño inteligente– Cómo hacer más con menos.

• Soluciones sustentables.

• La innovación en la tecnología del calzado depende fuertemente dela disponibilidad de nuevos materiales.

• La tecnología computacional en el calzado tiene limitada aplicación;los sensores adheridos al cuerpo, enlazados inalámbricamente a unPDA (Adquisición de datos para producción- Production DataAcquisition) y al Internet, tienen potencialmente aplicaciones

ilimitadas.

• La tecnología de información está transformando el desarrollo deproducto y los procesos de manufactura. Típicamente, la tecnologíade información se vuelve más poderosa y más barata con el tiempo,de forma que su uso se expandirá.

Ciencia, Tecnología, Desarrollo de producto

Gracias.