Para comenzar el proceso de diseño, debemos establecer bien lo que se persigue y que funciones debemos abarcar. En este caso, se nos pide el diseño de un dispositivo que lave y seque ropa de la manera mas eficiente, esto incluye que se minimice el uso de energía, que sea ergonómico y que tenga sea de fácil uso. Es por esto que se presenta una lista de especificaciones que acotan los parámetros dentro de los cuales debemos diseñar, a continuación se presenta la lista.
Especificaciones básicas del producto
Funcionales
-Peso máximo 110kg.
-Carga mínima de 15kg.
-Consumo energético certificado con la etiqueta A++ de la unión europea.
-Volumen máximo del equipo 0.6m3
-Memoria programable para definir parámetros de consumo de recursos.
-Debe ser capaz de lavar y secar tejidos.
-Debe poder ser manejada por cualquier tipo de personas de manera fácil y segura.
-Es necesario que cualquier producto necesario para efectuar el lavado sea de fácil adquisición.
-Debe preservar la integridad de los tejidos tratados.
Vida de Servicio
-Vida útil superior a 10 años.
-Régimen de uso esperado: 1 vez al día a carga completa (lavado y secado) a máxima intensidad.
Mantenimiento
-Mantenimiento mínimo o nulo, en caso de ser necesario el periodo entre cada mantenimiento debe ser superior a 3 años.
Costo del producto
-Costo equivalente de venta al detal menor a 10000BsF
Medios de Fabricación y procesos.
-Todo el proceso de manofactura debe tener el menor impacto ambiental posible.
-Materiales seguros para el contacto con seres humanos.
Condiciones de ambiente y entorno
-Capacidad de funcionar en un cuarto o un patio de una vivienda
-Debe tener módulos para el transporte adecuado
-Debe poder entrar entre los límites de los marcos de las puertas
-Capaz de funcionar a temperaturas que oscilan entre 25 y 42 grados centígrados
-Los efectos negativos de la humedad en los componentes deben ser mínimos
-Uso doméstico, hogares de familia
-Las vibraciones deben ser mínimas y no deben propagarse al entorno inmediato
-Debe tener un margen de seguridad de 2 para sobrecargas de ropa
-Los botones de funcionamiento deben resistir golpes y sobrepresiones
Usuario
-Domésticos, de 12 años en adelante
-Botones y accionamientos fáciles de identificar y usar
-Debe ser lo suficientemente compacto para no interferir mucho en su entorno y que el usuario se sienta cómodo y pueda colocar otros objetos en el mismo entorno
Tiraje
-Se producirán entre 100000 y 300000 unidades
Documentación
-Debe incluir las garantías oficiales, manuales de instalación y mantenimiento, planos del dispositivo y listas de concesionarios autorizados del producto
-Deberá incluirse un manual de uso que contenga todas las especificaciones técnicas del producto, que explique todas las funciones y operaciones que pueden ser realizadas así como recomendaciones para optimizar el consumo de energía y otros recursos.
-Directorio con los centros de reparación autorizados y datos de contacto para la atención al cliente.
-Señalización del nivel de consumo energético y del modo de uso y vida útil del equipo
Competencia
-Debe ser igual o mas eficiente que la mayoría de los productos similares del mercado
-Debe tener un precio comparable (que no varie notablemente de el promedio de precios) con respecto a los otros diseños de lavadoras y secadoras del mercado
-Especificaciones técnicas competitivas con relación a los productos existentes en el mercado
-Se usará como referencia para la competencia el modelo Samsung 17Kg Lavadora Eco Bubble WF448AAP.
Venta, uso y retirada
-Debe consumir la menor cantidad de energía eléctrica posible
-Posibilidad de activarla con recursos energéticos alternativos y renovables
-Al menos un 40% del dispositivo debe ser reciclable
-Los materiales desechados no deben contaminar el medio ambiente
-Los dispositivos y piezas sin reparación deben ser recolectados por la misma empresa para aplicar procesos que permitan la modificación de las mismas para otros usos
Análisis del problema
Luego de definir los parámetros dentro de los cuáles se va a diseñar, es necesario analizar las funciones que va a realizar el dispositivo, y como se desenvuelven con los procesos que se van a realizar. Aquí presentamos 3 métodos que nos ayudaran a ver con claridad todo lo que debe hacer para lavar y secar
Energía:
3) Extracción de conflictos
4) Contradicciones técnicas y matriz de contradicciones
De estas contradicciones se pudieron sacar varios principios inventivos de los cuales se obtuvieron ideas adicionales al diseño
Caja negra
Árbol de Funciones
Relaciones Lógicas
Búsqueda de información
Patentes
Módulo: Secador de ropa
- Patente 1
Una secadora de ropa que comprende lo siguiente: aspirar el aire hacia un tambor que incluye un segundo dispositivo de ventilación; una trayectoria de flujo de descarga de aire para descargar el aire del tambor , y que incluye un dispositivo de ventilación de primera ,y un circuito de bomba de calor que incluye un compresor, una unidad de radiación de calor, un dispositivo descompresor, y una unidad de absorción de calor. La unidad de absorción de calor se encuentra en el camino del flujo de aire de descarga, y la unidad de radiación de calor se encuentra en el camino del flujo de aire de succión.
- Patente 2
Un secador de ropa se proporciona para transferir el calor en el airesuministrado a un compresor y una bañera a través de una unidad de transferencia de calor, aumentando así la eficiencia energética mediante la recogida de calor usado. CONSTITUCIÓN: Un conducto de admisión de airesuministra el aire externo a una bañera. Un dispositivo de intercambio de calor primero calienta el aire de admisión. Un conducto de escape de airedescarga aire que pasa a través de la tina para el exterior de un cuerpo principal. Un dispositivo de intercambio de calor segunda enfría el airedescargada. Un compresor y una tobera configura el ciclo de compresión de refrigerante entre los dispositivos de intercambio de calor. Una unidad de transferencia de calor se instala entre el compresor y el primerdispositivo de intercambio de calor.
- Patente 3
Módulo: Lavadora/Tambor
- Patente 1
Una máquina de lavado y secado comprende una carcasa y, dentro de la carcasa, un contenedor de lavandería para alojar la ropa a lavar y secar, y una bomba de calor de tipo, de aire caliente generador capaz de hacer circular una corriente de aire caliente en el interior de la lavandería-recipiente, y para calentar el agua de lavado suministrada a dicho recipiente de lavandería.
El generador de aire caliente incluye un conjunto de bomba de calor que está provisto de un primer aire / intercambiador de calor refrigerante que está situado a lo largo del conducto de recirculación de aire para calentar el flujo de aire dirigido al recipiente de lavandería (3, 6).
Una segunda agua / intercambiador de calor refrigerante (24) se encuentra fuera del conducto de recirculación del aire (19), y se calienta o se enfría el agua que llega desde el recipiente de colada (3, 6).
Un tercer intercambiador de calor (25) está situado a lo largo del conducto de recirculación de aire (19), aguas arriba de la primer intercambiador de calor refrigerante (23), para la refrigeración del flujo de aire (f) que llega desde el contenedor de lavandería (3, 6 ).
Un circuito de circulación de agua (26) se proporciona para la circulación del agua almacenada en el recipiente de colada (3, 6) a través de la segunda agua / intercambiador de calor refrigerante (24) y la tercera aire / agua intercambiador de calor (25).
Un distribuidor hidráulico (28) se proporciona para revertir, a la orden, el flujo del refrigerante a lo largo de la primera de aire / intercambiador de calor refrigerante (23), el dispositivo de expansión del refrigerante (27) y la segunda agua / intercambiador de calor refrigerante (24)
- Patente 2
Una lavadora de tipo tambor (S1) está equipado con: un depósito exterior (20) que está soportado dentro de un armario (1) y dentro de la cual el agua de lavado se recoge
un tanque interior (10) que está encerrado en el depósito exterior (20) y en el que se realiza la colada
un dispositivo de accionamiento (M) que hace girar el depósito interno (10)
y un suministro de agua (12) al tanque exterior (20).
La lavadora también tiene: un ciclo de lavado
un ciclo de enjuague
y un ciclo de extracción de agua.
En la lavadora, el depósito interno (10) es girado por el dispositivo de accionamiento (M) a una velocidad de rotación más alta que el ciclo de lavado, con una cantidad prescrita de agua.
Módulo: Generador de energía/potencia
- Patente 1
Un diseño sin cadena de ciclo eléctrico que permite a un jinete / usuario pedalear un generador de pedal para crear una fuente de transmisión de energía eléctrica que, o bien carga la batería o parcialmente alimenta un motor de cubo, las descargas de la batería para el motor de cubo contenida dentro de una de las ruedas, permite al usuario establecer un nivel deseado de resistencia de pedal del degenerador usando los controles orientados sobre el manillar, permite que el usuario active el motor de cubo usando un dispositivo de control de velocidad orientada sobre el manillar, y permite al usuario cargar la batería mediante la conexión a un estándar 110V/220V fuente de alimentación de CA.
Un ciclo es un ciclo sin cadena donde la potencia de entrada de un ciclista no se convierte en potencia de salida por la rueda trasera a través de un sistema de engranajes y la cadena de conexión de los pedales de la rueda trasera.
- Patente 2
Una bicicleta con un generador de energía se da a conocer.
La bicicleta comprende un cuerpo y al menos un generador de energía.
El cuerpo tiene un eje delantero y una rueda delantera acoplado coaxialmente con un tenedor frontal, así como un eje trasero y una rueda trasera acoplado coaxialmente con un tenedor posterior.
El cuerpo comprende además un eje de accionamiento acoplado de manera giratoria con un tubo del eje.
El generador de energía de al menos una tiene un rotor y un estator.
El rotor tiene una cara del polo magnético.
La cara del polo magnético tiene una pluralidad de polos N y S magnéticos que son en un número par y dispuestos uniformemente de una manera entrelazada.
El estator comprende una primera cara que tiene una unidad de la bobina, con la unidad de la bobina hacia la cara del polo magnético.
Un espacio de aire axial está formado entre la unidad de la bobina y la cara del polo magnético.
La cara del polo magnético del rotor gira con relación a la unidad de la bobina del estator con el fin de generar energía eléctrica.
El generador de energía de al menos una se puede acoplar en al menos uno de cualquiera de los dos el eje delantero, el eje trasero o el eje de accionamiento.
Generación de ideas
Brainstorming
Brainwriting
Analogías
Naturales
Secado/Pre-secado:
Sacudida de un perro cuando se moja (para ropa gruesa)
Esponja marina (pre-secado)
Serpiente anaconda (exprimir/pre-secado)
Torbellino de hojas (¿cuándo, cómo y por qué se da?, ¿qué condiciones tienen que haber?)
Lavado
Cascada
Tornado
Bagre (pez)
Tela de araña (filtro, sujetador de la ropa durante el proceso de lavado, reducción de la inercia durante el giro del tambor para ahorrar energía juntando la ropa hacia el centro del tambor)
Tambor/Sellado:
Almejas, ostras
Energía:
Anguila
Forzadas y artificiales
Secado:
Tostador de pan
Serpentín nevera
Exprimidor de naranjas
Rodillos de impresión
Deshumificador granular para closets
Ventilador
Lavado:
Rueda de parque
Giroscopio
Remolino que se forma al bajar el retrete
Reproductor de CD
Tambor/Sellado:
Tapa olla de presión
Termo
TRIZ
1) Diagrama de recursos
A continuación se presenta el diagrama de recursos realizado
A continuación se presenta el diagrama de recursos realizado
2) Definición del Estado Ideal
Se requiere diseñar un sistema para el lavado y secado de ropa que opere utilizando de manera eficiente los recursos de los cuales dispone. El producto resultante debe competir con los equipos duales de lavado y secado disponibles en el mercado. Idealmente se espera que la lavadora/secadora ofrezca resultados óptimos operando dentro del rango de certificación A++ (70% de reducción del consumo con respecto al promedio de sus semejantes) y con una eficiencia energética superior a la competencia utilizando menos recursos para el tratamiento de la ropa (agua, limpiadores, etc.).
Puesto que se desea lograr una mejora en el consumo de recursos (tanto energéticos como materiales) con respecto a la oferta disponible en la actualidad, se entiende que la solución no se encuentra disponible. Los recursos anteriormente expuestos pueden ser combinados para extraer rutas o planes de acción:
Puesto que se desea lograr una mejora en el consumo de recursos (tanto energéticos como materiales) con respecto a la oferta disponible en la actualidad, se entiende que la solución no se encuentra disponible. Los recursos anteriormente expuestos pueden ser combinados para extraer rutas o planes de acción:
- Mejora en el nivel de consumo de electricidad a través de la implementación de un sistema de recuperación de energía mecánica y/o de programación de horarios de trabajo o de recarga de una batería incluida en el equipo. Esto permitiría bajar los costos de operación.
- Implementación de rutinas de trabajo (preprogamadas) que permitan obtener resultados satisfactorios con diferentes tipos de agentes limpiadores y a bajas tasas de consumo.
3) Extracción de conflictos
- Configurar una propuesta viable y económicamente competitiva utilizando energía de punta y un diseño único que requiere investigación y desarrollo.
- Lograr un lavado optimo utilizando la menor cantidad de agente limpiador posible.
- Garantizar la integridad del sistema de movimiento entregando la energía necesaria para el funcionamiento del equipo.
- Proteger la ropa que esta siendo tratada a la vez que se le somete a condiciones potencialmente peligrosas.
- Diseñar estructuras de soporte rígidas y confiables que puedan tolerar las solicitaciones generadas por la máquina sin que se observen efectos adversos como ruido excesivo o grandes vibraciones.
4) Contradicciones técnicas y matriz de contradicciones
- Lograr un lavado equivalente o superior al de la competencia sin aumentar la cantidad de limpiador.
- Conseguir un precio de venta comparable al de la competencia a pesar de la necesidad de implementar un programa de R&D.
- No deteriorar la ropa durante el proceso de lavado/secado.
- Integrar al equipo estructuras de soporte que resistan satisfactoriamente las solicitaciones generadas.
- Garantizar que los componentes mecánicos soporten las condiciones de operación.
De estas contradicciones se pudieron sacar varios principios inventivos de los cuales se obtuvieron ideas adicionales al diseño
Principio 18 "Mechanical vibration" (Vibración mecánica)
Este principio nos sugiere que se utilicen ondas mecánicas para lograr el acometido, en este caso sería ayudar a la remoción del sucio mediante el uso combinado de ondas ultrasónicas y electromagnéticas, así se ahorraría en agua, detergente y volumen del dispositivo.
Principio 14 "Spheroidality" (Esferoidalidad)
Esto nos sugiere que se curveen las partes planas y lineales, en este caso se podría aproximar el compartimiento donde va la ropa a una esfera que a un cilindro como las máquinas actuales, y un movimiento esférico podría permitirle a los fluidos y el detergente una acción mas directa y eficiente.
Principio 35 "Parameter changes" (cambio de parametros)
El principio indica la posibilidad de cambiar las condiciones de operación para lograr una mejor relacion entre el lavado y los recursos utilizados. Entre los parametros suceptibles a cambios se encuentran el estado fisico de estas sustancias, la temperatura de operación y la concentración.
Principio 23. "Feedback" (Retroalimentación)
Se recomienda la implementación y optimización de mecanismos de retroalimentación para aumentar la eficiencia en el funcionamiento.
Evaluación de ideas
Despues de ver las ideas generadas en las etapas anteriores, decidimos escoger las 3 mas viables para someterlas a evaluación. Aquí se muestra lo que se evaluó,
Idea 1
La potencia mecánica que hará funcionar a la lavadora provendrá de la energía mecánica producida por el movimiento de una rueda de bicicleta operada por una persona.
Independencia total de una fuente de energía externa.
Uso de energía no contaminante.
Idea 2
Idea 1
La potencia mecánica que hará funcionar a la lavadora provendrá de la energía mecánica producida por el movimiento de una rueda de bicicleta operada por una persona.
PNI
· IDEA: La potencia mecánica que hará funcionar a la lavadora provendrá de la energía mecánica producida por el movimiento de una rueda de bicicleta operada por una persona.
Positivo:
Independencia total de una fuente de energía externa. Eliminación del costo eléctrico. Mejora de la condición física de la persona al lavar ropa. Uso de energía verde.
Negativo:
Estación de lavado ocupa más espacio. Estación de lavado más robusta y pesada. Personas con incapacidad física, enfermas o de edad avanzada tendrán dificultades para operar el equipo. Mantenimiento adicional del equipo.
Interesante:
Existen sectores de la sociedad que priorizan el uso de energía verde por encima de la comodidad al usar un producto. Producto que puede usarse en zonas con inestabilidad eléctrica, apagones frecuentes o con carencia de electricidad Mejoramiento en la salud de las personas al realizar un tipo de ejercicio periódicamente. Pueden fabricarse de tal manera que se pueda optar por el uso de un motor auxiliar que funcione con electricidad o combustible.
CYS
· IDEA: La potencia mecánica que hará funcionar a la lavadora provendrá de la energía mecánica producida por el movimiento de una rueda de bicicleta operada por una persona.
Consecuencias inmediatas:
Uso de energía no contaminante.
Consecuencias a corto plazo:
Mejora de la condición física de la persona. Disminución del consumo promedio de energía eléctrica. Ahorro en facturas de electricidad.
Consecuencias a largo plazo:
Mantenimiento de rodamientos de eje. Mantenimiento del mecanismo de la bicicleta (lubricantes, correas, cadenas, asiento, etc.) Abandono del equipo cuando el usuario alcanza cierta edad.
Volumen de control esférico con rotación respecto a 2 ejes (movimiento giroscópico) para lavar y aplicar corrientes de aire caliente al mismo, modular.
PNI
Positivo:
-Permite un mayor flujo del fluido y detergente
-El compartimiento para la ropa sería mucho mas compacto
-Desmontable y con diferentes módulos
Negativo:
-Posibles desbalances en 2 direcciones
-Costos de investigación y prueba elevados
-Posibles complicaciones con los procesos de fabricación
Interesante:
-Rompe paradigmas
-Innovador e interesante
CYS
Consecuencias inmediatas:
-Interés en la tecnologia y concepto
-Acondicionamiento correcto para la instalación del dispositivo
Consecuencias a corto plazo
-Mejora en el movimiento del fluido y del detergente, influyendo en mejor rendimiento y uso de menores ciclos de lavado
-Mejora en la convección del aire para remover el fluido
-Tiempos de lavados menores
Consecuencias a largo plazo
-Economía en uso de agua, detergente y electricidad
-Posible desgaste mecánico de piezas por complejidad del movimiento
-Requerirá de revisión periódica para mantenimiento, dependiendo de que tan desarrollada esté la tecnología
-Diseños similares hechos por otras empresas que mejoren la funcionalidad del dispositivo
IDEA 3: Se implementará un sistema de recuperación de energía mecánica junto con la instalación de una batería recargable/desmontable y un sistema computacional que permita programar la recarga de la batería y el encendido del equipo en horarios de baja demanda en donde la energía es mas barata.
PNI
Positivo:
· Ahorro económico substancial por concepto de factura eléctrica.
· Permite lavar y secar aun cuando hay fallas en el servicio eléctrico.
· Hace posible programar horarios de operación, el equipo puede trabajar aun cuando no hay nadie en casa.
· El concepto de batería recargable/desmontable permite la utilización del producto en ausencias prolongadas del servicio eléctrico.
· Traslada el aprovechamiento de energías alternativas a otras áreas pero permite su utilización y almacenamiento.
· El producto se asocia con las nuevas tendencias de diseño y patrones de consumo que tienen en alta consideración el impacto ambiental.
Negativo:
· Tecnología de punta que tiene que ser desarrollada y/o perfeccionada.
· Inversión considerable en investigación y desarrollo.
· Escases de personal de mantenimiento capacitado.
· Aumento en el costo de producción.
· Necesidad de implementar un mejor sellado para evitar accidentes.
Interesante:
· Existen personas que priorizan el uso de energía verde y tecnologías de bajo impacto ecológico.
· Producto que puede usarse en zonas con inestabilidad eléctrica o apagones frecuentes.
· Área de investigación abierta para pasantes universitarios y académicos.
· Establecimiento de un nuevo paradigma en el sector de lavadoras/secadoras.
CYS
Consecuencias inmediatas:
· Uso de diferentes fuentes de energía.
· Mayor grado de independencia del sistema eléctrico.
Consecuencias a corto plazo:
· Impacto positivo en el presupuesto del universo de clientes
· Disminución del consumo promedio de energía eléctrica entre los compradores.
· Reducción o eliminación del margen de ganancias por el impacto del programa de investigación y desarrollo.
· Inversión de recursos en publicidad y en estructura de atención al cliente.
Consecuencias a mediano plazo
· Establecimiento de la marca en el mercado.
· Competir con productos similares desarrollados por la competencia.
· El equipo dejara de sorprender puesto que ya se ha dado a conocer de forma masiva.
Consecuencias a largo plazo.
· Vencimiento de patentes.
· Cambio en las necesidades del consumidor.
· Competir con nuevas tecnologías.
PMO
Objetivos
· Lograr una mayor eficiencia energética.
· Ofrecer una mayor flexibilidad de uso.
· Obtener una calidad en el lavado y secado al menos igual al de la competencia.
· Reducir la tasa de consumo de los recursos materiales involucrados en el lavado.
Toma de decisiones
Luego de someter las ideas a una evaluación de costos, consecuencias y rendimiento funcional, procedimos a tomar la decisión en base al puntaje de cada idea, donde se tomaron en cuenta los criterios mas importantes para satisfacer la necesidad del cliente. A continuación se muestran los resultados.
De acuerdo a los resultados, la idea ganadora es la 1.
Fin de concepto
Ya se tiene la idea final, que muestra lo siguiente,
La potencia mecánica que hará funcionar a la lavadora provendrá de la energía mecánica producida por el movimiento de una rueda de bicicleta operada por una persona.
Ésta idea incluye la realización de una dispositivo que incluya el lavado y secado de la ropa con la energía mecánica proveniente de una bicicleta, la cuál añadirá el aporte de movimiento. A su vez, se hará calentar resistencias mediante inducción para aportar calor al secado. Otras partes del diseño incluyen almacenadores de energía (baterías) que se carguen con el mismo movimiento y opciones de lavado específico (Distintos tipos de lavado dependiendo del tipo de ropa). Aquí se muestra un esquema del mismo
Diagrama de Gantt
Se organizará de la siguiente manera
Especificaciones del diseño - Miguel y Gabriel
Análisis funcional - Miguel
Búsqueda de información - Raúl
Brainstorming y Brainwriting - Gabriel
Analogías - Raúl
TRIZ - Gabriel y Miguel
Evaluación de ideas - Miguel, Gabriel y Raúl
Decisiones finales - Miguel, Gabriel y Raúl
Desarrollo de prototipo - Miguel, Gabriel y Raúl
Cada bloque maneja 8 horas al día, no se cuentan los días sábado y domingo.
Cada día de trabajo resulta en un costo aproximado de 1200 BsF, por lo que el costo total del proceso de diseño y modelado estaría en 36000 BsF, esto es en materia de salario.
En cuanto a recursos, se estima unos 60000 BsF para los materiales e investigación, de tal modo de que el costo total del proyecto suma 96000 BsF
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