Aplicacion-de-tecnicas-modernas-de-diseno-mecanico-a-un-equipo-mezclador-de-arena-para-fundicion

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ARAGÓN
INGENIERIA MECÁNICA ELÉCTRICA
“APLICACIÓN DE TECNICAS MODERNAS DE DISEÑO 
MECÁNICO A UN DISPOSITIVO MEZCLADOR DE ARENA 
PARA FUNDICIÓN”
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE:
INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA
P R E S E N T A N: 
MENDIZABAL RIVEROS OMAR
PÉREZ ALCÁNTARA JAVIER ALFONSO
DIRECTOR DE TESIS
 DR. JACINTO CORTÉS PÉREZ
MÉXICO 2010
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
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mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, 
reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el 
respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
AGRADECIMIENTOS
A mis padres, Doroteo Porfirio Pérez Mogollan y Juliana Alcántara Nicolás, mis principales 
puntos de referencia e inspiración, los cuales son unos excelentes padres que siempre me han 
brindaron todo su amor, cariño, apoyo, respeto y comprensión, por que siempre han estado en 
el momento justo para darme su voto de confianza, sin el cual hubiera sido imposible lograr lo 
que hasta el día de hoy he conseguido.
A Alejandra y Noemí, las cuales además de hermanas son un par de amigas entrañables, gra-
cias a la compañía, cariño y alegría que le ha dado a mi vida desde el día en que nacieron.
A mis abuelos, y a todos los integrantes de mi familia que siempre estuvieron al tanto de mi y 
me brindaban palabras de apoyo para seguir adelante con mis proyectos.
A Omar Mendizábal Riveros un gran compañero y amigo del cual me siento orgulloso por su 
fortaleza y visión de las cosas, y con el cuál ha sido gratificante trabajar durante toda la carrera 
y en especial en este proyecto en el cuál desde el principio logramos una buena conjunción.
Al Dr. Jacinto Cortes Pérez el cuál siempre fue un gran apoyo en la realización de este pro-
yecto además de un gran profesor dentro y fuera de las aulas de clase, así como una persona 
siempre dispuesta a brindar su apoyo a los demás.
A todos los compañeros que de una forma u otra contribuyeron a la realización de este proyec-
to. Así como a los que simplemente me brindaron su apoyo y amistad a cambio de nada. 
JAVIER A. PEREZ ALCANTARA
AGRADECIMIENTOS
A mis padres, Roberto Mendizabal Garcia y Maria Elena Riveros Islas quienes son mi ejem-
plo a seguir y me apoyaron incondicionalmente durante toda su vida.
A Javier Pérez Alcántara con quien fue muy gratificante el haber trabajado en el desarrollo de 
este trabajo y en el trancurso de la carrera.
Al Dr. Jacinto Cortes Pérez el cuál siempre impulso y un ejemplo a seguir durante nuestros 
estudios universitarios.
A todos los compañeros de escuela y de trabajo que de una forma u otra contribuyeron a la rea-
lización de este proyecto. Así como a los que simplemente me brindaron su apoyo y amistad a 
cambio de nada. 
OMAR MENDIZABAL RIVEROS
INDICE
INDICE
Introducción 
Capítulo 1. Generalidades 
 
1.1.- Descripción del laboratorio de manufactura de la FES Aragón 
1.2.- Importancia de los procesos de fundición en la industria y en la enseñanza 
Capítulo 2. Teoría del diseño 
2.1.- Definición de diseño 
2.2.-Teorías modernas del diseño mecánico 
2.3.- Diseño e ingeniería asistidos por computadora 
2.4.-Criterios de diseño de elementos mecánicos 
 
Capítulo 3.- Diseño conceptual de la mezcladora de arena 
3.1.- Desarrollo del proceso de diseño a utilizar 
3.2.- Identificación de necesidades 
3.3.- Identificación de funciones del dispositivo y del operario 
3.4.- Generación de especificaciones objetivo 
3.5.- Generación de ideas 
3.6.- Generación de conceptos de solución 
3.7.- Selección de un concepto de solución 
Capítulo 4.- Diseño de detalle 
4.1.- Configuración final de la maquina mezcladora 
4.2.- Descripción de dispositivos 
4.3.- Determinación de la potencia del motor 
4.4.- Cálculo numérico de esfuerzos, deformaciones y desplazamientos en el mezclador 
4.5.- Selección de poleas y bandas. 
4.6.- Diseño de los engranes 
4.7.- Diseño de los ejes 
4.8.- Selección de Rodamientos 
4.9.- Diseño del Bastidor 
4.10.- Elaboración de planos de manufactura y ensamble 
Capítulo 5.- Manufactura del prototipo 
 
5.1.- Identificación de elementos a maquinar 
5.2.- Selección del proceso de maquinado 
5.3.- Calculo de parámetros de maquinado 
5.4.- Generación de hojas de proceso 
5.5.- Identificación de elementos a comprar 
5.6.- Ensamble 
5.7.- Evaluación del prototipo 
 
Conclusiones 
1
5
6
10
17
18
18
39
41
45
46
48
50
51
52
54
55
59
60
60
61
63
66
67
71
75
77
81
83
84
84
88
99
99
99
100
 107
Anexo 1. Cálculo y selección de elementos de máquinas 
Anexo 2. Hojas de proceso 
Anexo 3. Número de parte 
Anexo 4. Manual de ensamble 
Anexo 5. Formato de prueba del prototipo 
Anexo 6. Planos de detalle 
Bibliografía 
123
125
145
149
193
109
113
 
IntroduccIón
capItulo 1: GeneralIdades
2
es claro que el diseño mecánico es una de 
las actividades fundamentales del ingeniero 
mecánico actual. de hecho, podemos de-
cir que ésta actividad constituye una fuente 
de desarrollo tecnológico que debe ser es-
timulada de manera continua en los futuros 
ingenieros ya que sólo así será posible, en 
el mediano y largo plazo, disminuir la depen-
dencia tecnológica que padecemos en nues-
tro país hoy en día. 
debido a lo anterior, es importante mantener-
se actualizado en esta área del conocimiento 
ya que, como se sabe, se encuentra en con-
tinuo proceso de cambio sobre todo en un 
mundo global en el que cada vez se deman-
dan mejores productos, más económicos y 
más fáciles de fabricar.
por otro lado, como sabemos, existen mu-
chas necesidades en los laboratorios de in-
geniería de la Fes aragón, en particular se 
encontró que en el laboratorio de manufactu-
ra, en el área de fundición, no se cuenta con 
un equipo que permita el acondicionamiento 
de la arena sílica que se usa para fabricar los 
moldes para piezas metálicas. este proceso, 
se realiza actualmente de forma manual, por 
medio de palas, lo cual es tedioso y cansado, 
además de que consume un tiempo consi-
derable en la realización de las prácticas co-
rrespondientes. 
para desarrollar el trabajo se emplearon 
herramientas que ayudaron a organizar e 
identificar las tareas a realizar durante el pro-
ceso de diseño así como herramientas que 
ayudaran a llevar a cabo cada una de esas 
tareas tales como: la generación de ideas y 
conceptos de solución, la evaluación y selec-
ción de los conceptos de solución y el diseño 
mecánico a detalle, el cual incluye la defini-
ción de formas geométricas y los cálculos de 
ingeniería necesarios.
en la etapa de diseño a detalle se hizo uso 
herramientas computacionales para el mo-
delado cad de las piezas. el software de di-
seño mecánico usado fue Inventor, en el cual 
IntroduccIón se genero la geometría de cada uno de los 
componentes de la máquina. así mismo, la 
herramienta nos permitió probar ensambles y 
generar la documentación para la manufactu-
ra del prototipo (planos). con este software, 
se realizaron simulaciones dinámicas que 
permitieron hacer un estimado de la potencia 
necesaria para producir el movimiento de la 
arena, dentro de la máquina, además de que 
nos permitió obtener las cargas aplicadas a 
los mezcladoresdurante su funcionamiento y 
exportarlas al modulo de elemento finito para 
probar la resistencia de los mezcladores ante 
cargas dinámicas. 
otra herramienta utilizada durante esta etapa 
fue el programa de nombre ansYs el cual 
esta especializado en análisis por elemento 
finito. Con este software se simulo el com-
portamiento de los mezcladores ante casos 
de funcionamiento crítico y la resistencia del 
bastidor y de sus uniones soldadas. 
el trabajo de tesis consta de cinco capítulos, 
en el capitulo 1 “Generalidades”, se descri-
ben tanto el laboratorio como los servicios y 
equipo disponibles, además de la descripción 
de la práctica de fundición del laboratorio l1, 
así como los procesos de fundición más co-
munes en la industria. de esta forma se en-
tendió mejor la necesidad de tener un equipo 
disponible para moler y revolver arena para 
las prácticas de fundición del laboratorio l1.
 
en el capitulo 2 “teoría del diseño” se inclu-
yen tanto definiciones, metodologías, mode-
los y técnicas de diseño, así como métodos 
de cálculo de elementos mecánicos, además 
de herramientas computacionales como los 
programas cad (computer aided design ó 
diseño asistido por computadora) y cae 
(computer aided engineering ó Ingeniería 
asistida por computadora), los cuales nos 
sirven de apoyo para modelar así como para 
definir geometrías, métodos de ensamble o 
hacer cálculos de forma rápida y sencilla, que 
en ocasiones pudieran ser mas exactos que 
si se realizarán de forma manual. 
 
en el capitulo 3 “diseño conceptual de la 
mezcladora de arena” se muestra la forma 
en que se fue logrando el proyecto desde la 
IntroduccIón
3
generación de las ideas hasta el concepto de 
solución, así como el uso de las herramien-
tas utilizadas, de acuerdo a la actividad en 
curso, además de como se realizó la evalua-
ción para la selección del concepto a desa-
rrollar. 
el capitulo 4 “diseño del detalle” describe la 
forma en que se realizaron los cálculos y se-
lección de cada una de las partes para obte-
ner sus dimensiones así como la resistencia 
a las diferentes condiciones de trabajo, para 
los cuales se utilizaron programas cae, ade-
más de herramientas computacionales como 
son simulación dinámica y de análisis por 
elemento Finito (Fea). 
en el capitulo 5 “Manufactura del prototipo” 
se puede observar el proceso que se llevo 
acabo desde la identificación de los elemen-
tos a fabricar, proceso de manufactura, pa-
rámetros de maquinado, hojas de proceso, 
hasta el ensamble detallado de cada uno de 
los componentes, así como el resultado final 
incluidas las pruebas realizadas al prototipo. 
 
Capitulo 1
Generalidades
Capitulo 1: Generalidades
6
en la Facultad de estudios superiores ara-
gón (Figura 1.1) se cuenta con cuatro, labo-
ratorios l1, l2, l3 y l4 (Figura 1.2). Cada 
uno de estos laboratorios esta especializado 
en una o varias áreas: 
• L1.- Manufactura: En este laboratorio princi-
palmente llevan a cabo prácticas los alumnos 
de Ingeniería Mecánica Eléctrica (Mecánicos 
e industriales) y de diseño industrial.
• L2.- Térmica y Fluidos: Aquí acostumbran 
llevar a cabo prácticas los alumnos de la ca-
rrera de Ingeniería Mecánica Eléctrica, así 
como los de ingeniería Civil.
• L3.- Eléctrica y Electrónica: En este labo-
ratorio principalmente realizan prácticas los 
alumnos del área eléctrica-electrónica, ade-
más de los de ingeniería en Computación.
• L4.- Construcción y Materiales: En el la-
boratorio cuatro llevan a cabo pruebas los 
alumnos de ingeniería Civil. además de algu-
nas demostraciones a alumnos de ingeniería 
Mecánica Eléctrica y Arquitectura.
1.1. Descripción del laboratorio de 
manufactura de la FES Aragón
1.1.1. Áreas de trabajo
este laboratorio cuenta con las siguientes 
áreas: Pailería, Máquinas Herramientas 1 
y 2, Fundición, Soldadura, Forja, Maderas, 
Cerámica, Laboratorio de Ciencia de Mate-
riales y área de simulación y programación 
de CNC. La forma en que se encuentran 
distribuidas se puede observar en la figura 
1.1.1.1. 
 
Figura 1.1. planta de conjunto de la Fes aragón [1]
Capitulo 1: Generalidades
7
Figura 1.1.1.1. planta baja del laboratorio l1 de la Fes aragón [1] 
Figura 1.2. Área de laboratorios de la Fes aragón [1] 
Capitulo 1: Generalidades
8
Tabla 1.1.2.1. Listado de maquinaria con que cuenta el laboratorio L1 de la FES Aragón
 
Listado de maquinaria del laboratorio L1
1 Horno de crisol 23 Horno de cerámica 45 Rectificadora de superficies 
planas
2 Cernidor mecánico 24 Horno de cerámica 46 Cepillo de codo chico
3 Fragua con 2 yun-
ques
25 Horno de cerámica 47 Fresadora universal
4 Fragua con 2 yun-
ques
26 Horno de cerámica 48 Fresadora Bridgebort
5 esmeril de pedestal 27 sand blast 49 Fresadora vertical arboga
6 Equipo de soldadu-
ra de arco eléctrico
28 Termo formadora 50 Fresadora vertical arboga
7 Equipo de soldadu-
ra de arco eléctrico
29 roladora chica 51 Cepillo Zocca
8 Equipo de soldadu-
ra de arco eléctrico
30 laminadora manual 52 Fresadora vertical arboga
9 Equipo de soldadu-
ra de arco eléctrico
31 Cortadora de ángu-
los
53 Torno de control numérico 
Cincinati
10 Caladora 32 dobladora grande 54 Cortadora de muestras 
metalograficas
11 sierra cinta 33 inyectora de plásti-
cos
55 Afiladora para herramientas 
de carburo
12 taladro de columna 34 punteadora 56 esmeril de pedestal
13 torno para madera 35 Cizalla de pedestal 57 torno s. Blanez
14 sierra radial 36 dobladora chica 58 torno s. Blanez
15 torno para madera 37 roladora grande 59 torno s. Bend
16 pulidor de disco 38 Prensa troqueladora 60 torno s. Bend
17 Conteador 39 taladro de columna 61 torno s. Bend
18 sierra circular 40 Rectificadora cilín-
drica
62 sierra cinta para metales
19 Cepillo de espeso-
res
41 segueta mecánica 63 simulador emco
20 escoplo pulidor 42 taladro radial 64 simulador emco
21 lijadora de disco 43 torno paralelo pina-
cho
65 simulador emco
22 sierra radial 44 esmeril de pedestal 66 simulador emco
Capitulo 1: Generalidades
9
Figura 1.1.2.1. Plano de distribución de máquinas en el laboratorio L1 de la FES Aragón 
1.1.2. Equipos disponibles
Los equipos con los que cuenta el laboratorio 
l1, se encuentran ubicados como se mues-
tra en la figura 1.1.2.1, y el listado se puede 
observar en la tabla 1.1.2.1.
1.1.3. Descripción del área de fundición 
de la FES Aragón
El área de fundición, como se puede obser-
var en la figura 1.1.3.1, se encuentra confor-
mada por el área de moldeo y el área con 
arena y tierra donde se realiza el vaciado.
en el área de moldeo se realiza la prepara-
ción de la arena, el moldeo de la pieza de-
seada y el desmolde. en el área de vacia-
do se realiza la fundición y el llenado de los 
moldes.
Figura 1.1.3.1. Área de fundición del labora-
torio l1 de la Fes aragón 
Capitulo 1: Generalidades
10
1.2 Procesos de fundición y su ense-
ñanza en la FES ARAGÓN.
1.2.1. Definición de fundición, molde y 
modelo.
Fundición [2].- Se denomina fundición al pro-
ceso de fabricación de piezas, comúnmente 
metálicas, consiste en fundir un material e 
introducirlo en una cavidad, llamada molde, 
donde se solidifica.
El proceso tradicional es la fundición en are-
na, por ser ésta un material refractario muy 
abundante en la naturaleza y que mezclada 
con arcilla, adquiere cohesión y moldeabili-
dad sin perder la permeabilidad que posibilita 
evacuar los gases del molde al tiempo que 
se vierte el metal fundido.
La fundición implica tres procesos diferentes: 
en primer lugar se construye un modelo de 
madera, plástico o metal con la forma del ob-
jeto deseado; más tarde se realiza un molde 
rodeando el modelo con arena y retirándo-
lo después, y a continuación se vierte metal 
fundido en el molde (este último proceso se 
conoce como colada).
Modelo [2].- El modelo es la pieza que se 
pretende reproducir, pero con algunas mo-
dificaciones derivadas de la naturaleza del 
proceso de fundición:
Será ligeramente más grande que la pieza, 
ya que se debe tener en cuentala contrac-
ción de la misma una vez se haya extraído 
del molde. Las superficies del modelo debe-
rán respetar unos ángulos mínimos con la di-
rección de desmolde (la dirección en la que 
se extraerá el modelo), con objeto de no da-
ñar el molde de arena durante su extracción. 
este ángulo de denomina ángulo de salida. 
También deberá incluir todos los canales de 
alimentación y mazarotas necesarios para el 
llenado del molde con el metal fundido. 
los modelos se pueden dividir en dos cate-
gorías los desechables y los reutilizables, a 
continuación se muestran algunas ventajas 
y desventajas de los modelos desechables.
Ventajas de los modelos desechables [3]
• Para la fabricación de moldes sin máquinas 
de moldeo se requiere menos tiempo. 
• No requieren de tolerancias especiales. 
• El acabado es uniforme y liso. 
• No requiere de piezas sueltas y complejas.
 • No requiere de corazones 
• El moldeo se simplifica notablemente. 
desventajas de los modelos desechables [3]
• El modelo es destruido en el proceso de 
fundición. 
• Los modelos son más delicados en su ma-
nejo. 
• No se puede utilizar equipo de moldeo me-
cánico. 
• No se puede revisar el acabado del molde. 
Moldes [2].- Los recipientes con la forma de-
seada se conocen como moldes, éstos se fa-
brican de diferentes materiales como: arena, 
yeso, barro, metal, etc. los moldes pueden 
servir una o varias veces. en el primer caso 
se les conoce como moldes temporales y los 
que se pueden utilizar más de una vez, se les 
conoce como moldes permanentes.
Tipos de molde.
• Moldes temporales: fabricados con arena, 
yeso, cerámica y materiales similares. por 
lo general, van mezclados con varios agluti-
nantes o agentes de unión. estos materiales 
son refractarios y son capaces de resistir las 
elevadas temperaturas de los materiales fun-
didos. Una vez solidificada la pieza colada, 
en estos procesos el molde se rompe para 
retirar la pieza fundida.
• Moldes permanentes hechos de metales: 
que conservan su resistencia a altas tem-
peraturas. se utilizan de manera repetida y 
están diseñados de forma que la pieza cola-
da pueda ser retirada con facilidad y el molde 
pueda ser reutilizado en la siguiente colada. 
Dado que los moldes de metal son mejores 
conductores del calor que los moldes des-
echables no metálicos, la pieza fundida, al 
solidificarse, queda sometida a una veloci-
dad de enfriamiento más elevada, lo que a su 
Capitulo 1: Generalidades
11
vez afecta a la microestructura y al tamaño 
del grano.
• Moldes compuestos, fabricados con dos o 
más materiales distintos, tales como arena, 
grafito y metal, combinando las ventajas de 
cada uno.
1.2.2. Procesos de fundición más utiliza-
dos en la industria.
Fundición en modelo consumible (poliestire-
no expandido) [3]
El proceso de fundición en modelo consumi-
ble también llamado de modelo evaporado o 
de modelo perdido, y con el nombre comer-
cial de molde lleno, utiliza un modelo de po-
liestireno que se evapora en contacto con el 
metal fundido para formar una cavidad para 
la fundición.
Fundición en molde de yeso [3]
Este recibe su nombre debido a que el molde 
se hace de yeso (sulfato de calcio), con la 
adición de talco y polvo de sílice para mejorar 
la resistencia y controlar el tiempo requerido 
para el curado del yeso. estos componentes 
se mezclan con agua, y el barro resultante es 
vaciado sobre el modelo.
 
Dado que los moldes de yeso tienen una per-
meabilidad muy baja, los gases no pueden 
escaparse. solo se utiliza este proceso para 
materiales de bajo punto de fusión como 
magnesio aluminio latón y bronce.
Fundición en molde cerámico [3]
El proceso de fundición en molde cerámico 
es similar al proceso de molde de yeso, con 
la excepción de que utiliza materiales refrac-
tarios para el molde, adecuados para apli-
caciones de altas temperaturas. el barro es 
una mezcla de circonio de grano fino, óxido 
de aluminio y sílice fundido, que se mezclan 
con agentes aglutinantes y se vacían sobre 
el modelo, que ha sido colado en una caja 
de moldeo.
Fundición por revestimiento [3]
En el proceso de fundición por revestimiento, 
también llamado a la cera perdida, se utilizó 
por primera vez durante el período de 4000 
a 3000 a.C. el modelo se hace en cera o en 
plástico poliestireno, por ejemplo utilizando 
técnicas de moldeo o de prototipado rápido. 
Se fabrica el modelo inyectando cera o plás-
tico fundidos en un dado de metal con la for-
ma del modelo. Después, éste se sumerge 
en un barro de material refractario como, sí-
lice fino con aglutinantes, incluyendo agua, 
silicato de etilo y ácidos. una vez seco este 
recubrimiento inicial, el patrón se recubre va-
rias veces a fin de incrementar su espesor.
 
Fundición al vacío [3]
En el proceso de fundición al vacío o proceso 
de baja presión contra la gravedad, se mol-
dea una mezcla de arena fina sobre dados 
de metal, que se cura con vapores de amina. 
El molde es sujeto después con un brazo ro-
bótico y se sumerge parcialmente en metal 
fundido que se encuentra en un horno de in-
ducción. 
El metal se puede fundir al aire o en vacío. 
el vacío reduce la presión del aire en el inte-
rior del molde a aproximadamente dos ter-
ceras partes de la presión atmosférica, suc-
cionando por tanto el metal fundido en las 
cavidades del molde a través de un canal de 
alimentación en la parte inferior del molde. 
El metal fundido en el horno está a una tem-
peratura, por lo general, de 55 ºC por enci-
ma de la temperatura de la curva liquidus; 
en consecuencia, empieza a solidificarse en 
una fracción de segundo.
Fundición en molde permanente [3]
En el proceso de fundición en molde perma-
nente, también conocido como fundición en 
molde duro, se fabrican dos mitades de un 
molde, de materiales como el hierro colado, 
el acero, el bronce, el grafito o aleaciones de 
metal refractario. La cavidad del molde y el 
sistema de canales de alimentación se ma-
quinan en el molde y por tanto forman parte 
integral del mismo. para producir piezas con 
Capitulo 1: Generalidades
12
cavidades internas, se colocan corazones 
hechos de metal o de agregados de arena 
en el molde antes de la fundición. Los ma-
teriales típicos para el corazón son la arena 
aglutinada con aceite o con resina, el yeso, el 
grafito, el hierro gris, el acero de bajo carbo-
no y el acero para dado de trabajo en calien-
te. El de uso más común es el de hierro gris.
Fundición en cáscara o hueco [3]
Este proceso consiste en verter metal fundi-
do a la cavidad de un molde hasta obtener 
un espesor deseado de película solidificada, 
una vez obtenido el espesor objetivo, se in-
vierte el molde y el metal líquido restante se 
extrae. se abren las mitades del molde y se 
retira la pieza fundida.
Este proceso es adecuado para pequeñas 
corridas de producción y en general se uti-
liza para la fabricación de artefactos de or-
nato y decorativos, partiendo de metales de 
bajo punto de fusión tales como zinc, estaño 
y plomo.
Fundición a presión [3]
en los dos procesos de molde permanente 
arriba descritos, el metal fundido fluye hacia 
el interior de la cavidad del molde por grave-
dad. En el proceso de fundición a presión, 
también llamado fundición por vaciado a pre-
sión o de baja presión, el metal fundido es 
obligado a fluir hacia arriba por presión de 
gas en un molde de grafito o de metal. La 
presión se mantiene hasta que el metal se 
haya solidificado totalmente dentro del mol-
de.
La fundición a presión, por lo general, se uti-
liza para fundiciones de alta calidad, como 
por ejemplo ruedas de acero para carros de 
ferrocarril.
Fundición por inyección en matriz o da-
dos [3]
el proceso de inyección en matriz o dados, 
desarrollado a principios de la década de 
1900, es un ejemplo adicional de la fundición 
en molde permanente. El metal fundido es 
forzado dentro de la cavidad de la matriz o 
dado a presiones que van de 0.7 a 700 MPa.
Fundición centrífuga [3]
La fundición centrífuga utiliza la fuerza de 
inerciacausada por la rotación para distribuir 
el metal fundido en las cavidades del molde. 
El método comenzó a usarse a principios del 
siglo XIX. Existen varios tipos de fundición 
centrífuga:
• Fundición centrífuga verdadera. Se produ-
cen piezas cilíndricas según un proceso en el 
que el metal fundido es vaciado en un molde 
rotativo. el eje de rotación es, por lo gene-
ral, horizontal, pero puede ser vertical para 
piezas cortas. los moldes están hechos de 
acero, hierro o grafito, y pueden estar recu-
biertos con una capa refractaria para incre-
mentar la vida del molde.
• Fundición semicentrífuga. Se emplea para 
colar piezas con simetría rotacional.
• Centrifugado. Las cavidades del molde de 
cualquier forma se colocan a una cierta dis-
tancia del eje de rotación. El metal fundido 
se vacía por el centro y es obligado a pasar 
al molde debido a la fuerza centrífuga. Las 
propiedades de las piezas fundidas varían en 
función de la distancia del eje de rotación.
Fundición por dado impresor
El proceso de fundición por dado impresor, 
también llamado forja de metal líquido, fue 
desarrollado en la década de los sesenta y 
se basa en la solidificación del metal fundi-
do a alta presión. La maquinaria incluye un 
dado o matriz, un punzón y un buje eyector. 
la presión aplicada por el punzón mantiene 
los gases atrapados en solución y el contacto 
a alta presión en la interfaz entre el dado y el 
metal promueve una rápida transferencia de 
calor, resultando en una fina microestructura 
con buenas propiedades mecánicas.
Formado de metal semisólido
La conformación de materiales en estado 
semisólido puede considerarse como un pro-
ceso intermedio entre la conformación por 
moldeo y la conformación en estado sólido. 
La conformación de aleaciones de aluminio 
Capitulo 1: Generalidades
13
en estado semisólido es un proceso híbrido 
que incorpora elementos de varias técnicas 
clásicas de conformado. Permite libertad en 
el diseño del molde y en la velocidad de pro-
ducción de la fundición así como una calidad 
metalúrgica y unas propiedades mecánicas 
superiores a las de la fundición en molde 
permanente o en fundición inyectada. Los 
componentes conformados por Formado 
de metal semisólido o Thixoforming, pue-
den tener secciones tan delgadas como los 
obtenidos por Fundición por dado impresor, 
pudiéndose aplicar a piezas con paredes de 
1 mm. 
El Thixoforming se realiza mediante la in-
yección en un molde del material en estado 
pastoso, utilizándose para ello una máquina 
similar a la de la fundición inyectada (Thixo-
fundición) o mediante el prensado en una 
matriz (Thixoforjado). 
Solidificación rápida (aleaciones amor-
fas)
La técnica para la fabricación de las alea-
ciones amorfas o vidrios metálicos, llamada 
solidificación rápida, consiste en el enfria-
miento del metal fundido a velocidades muy 
elevadas, de manera que aquél no tiene 
tiempo suficiente para cristalizar. La solidifi-
cación rápida da como resultado, entre otros 
efectos, una ampliación significativa de la 
solubilidad sólida, el refino del grano y una 
reducida micro-segregación.
1.2.3. Fundición en arena verde.
Los moldes de arena se clasifican según los 
tipos de arena que los forman y los métodos 
utilizados para su producción. existen tres 
tipos básicos de moldes de arena: arena ver-
de, caja fría y moldes no cocidos. El material 
de molde más común es la arena de moldeo 
verde, que es una mezcla de arena, arcilla y 
agua. El término “verde” se refiere al hecho 
de que al vaciarse el metal en su interior, la 
arena en el molde está húmeda. El moldeo 
con arena verde es el método más económi-
co de fabricación de moldes.
Moldeo en arena verde [2]
Consiste en la elaboración del molde con 
arena húmeda y colada directa del metal 
fundido. Es el método más empleado en la 
actualidad, para piezas de tamaño pequeño 
y medio. 
no es adecuado para piezas grandes o de 
geometrías complejas, ni para obtener bue-
nos acabados superficiales o tolerancias re-
ducidas. 
Equipo para el acondicionamiento de la 
arena.
propiamente la arena bien acondicionada es 
un factor importante en la obtención de una 
buena pieza fundida. Las arenas nuevas así 
como las usadas preparadas adecuadamen-
te, contienen los siguientes resultados:
• El aglutinante esta distribuido más unifor-
memente en los granos de arena.
• El contenido de humedad esta controlado 
y además la superficie particular esta hume-
decida.
• Las partículas extrañas están eliminadas 
de la arena.
• La arena se ventila de tal manera que no se 
compacta y así esté en condiciones propias 
para el moldeo.
Por razón de que acondicionar la arena a 
mano es difícil la mayoría de las fundiciones 
tienen equipos apropiados para esta opera-
ción.
1.2.4. Descripción de las práctica de fun-
dición que se imparten en la FES Aragón.
el procedimiento para realizar la práctica de 
fundición en los laboratorios del L1 de la FES 
aragón es el siguiente:
1.- Moler y revolver arena.
2.- realizar el molde.
3.- Fundición del aluminio.
4.- Vaciado.
5.- desmolde.
1.- Moler y revolver arena.- esta es la pri-
Capitulo 1: Generalidades
14
mer parte de la práctica de fundición, donde 
se revisa que la arena tenga la humedad su-
ficiente, figura 1.2.4.1, y en caso de no tener-
la se le agregara agua, después se realiza la 
revoltura de arena con palas, figura 1.2.4.2. 
y se impacta en la pared para deshacer los 
grumos, figura 1.2.4.3, obteniendo así arena 
apta para la realización del moldeado, figura 
1.2.4.4.
Figura 1.2.4.1. estado de la arena antes del 
proceso de molido y mezclado.
Figura 1.2.4.2. proceso manual de mezcla-
do
Figura 1.2.4.3. proceso manual de molido 
de arena para fundición realizado impactan-
do la arena en la pared.
Figura 1.2.4.4. Arena obtenida después del 
proceso manual.
2.- Realizar el molde.- este paso se reali-
za colocando en una mitad de la adobera 
un modelo, de madera u otro material, con la 
figura que se desea obtener y se cubre con 
la arena que se revolvió e impacto en la pa-
red, inmediatamente después de ser llenada 
la adobera se compacta la arena y se retira 
el modelo para realizar las venas de alimen-
tación por donde se verterá el metal fundido.
3.- Fundición del aluminio.- en este paso 
se enciende el horno y se coloca en el inte-
rior el aluminio a fundir y se espera un tiempo 
aproximado de 30 minutos para dar oportu-
nidad de que el horno alcance una tempe-
ratura aproximada de 800 ºC y así permitir 
que se mantenga líquido el aluminio hasta el 
momento del vaciado.
4.- Vaciado.- en este paso se vierte el alumi-
nio en la adobera por las venas de alimenta-
ción que se crearon después de haber reali-
zado el molde.
5.- Desmolde.- Después de haber vaciado 
el metal y de haber permitido su solidifica-
ción y enfriamiento se procede a separar la 
adobera para retirar la pieza obtenida. 
Capitulo 1: Generalidades
15
 1.2.5. Necesidades del área de fundición 
de la FES Aragón
Las principales necesidades que se tienen 
en el área de fundición corresponden a la 
falta de maquinaria para un mejor desarrollo 
de las prácticas realizadas en la actualidad, y 
en caso de ser cubiertas estas necesidades, 
una mayor gama de prácticas en el futuro.
La maquinaria necesaria en el área de fundi-
ción se enlista a continuación: 
• Compactadora de moldes.
• Molino de arena.
• Mezcladora de arena.
• Moldes metálicos.
• Máquina de inyección centrifuga.
• Máquina de colada continúa.
• Laboratorio de arenas.
• Horno para tratamientos térmicos.
capítulo 2
teoría de diseño
18
Capítulo 2. teoría del diseño
2.1. Definición de diseño [4]
El diseño en ingeniería puede definirse de 
muchas formas debido a que cada persona 
crea su definición en base a su experiencia y 
conocimientos. Varios diseñadores, ingenie-
ros e investigadores han dado sus puntos de 
vista sobre lo que es el diseño. 
Feilden [4]: diseño en ingeniería es el uso 
de principios científicos, información técnica 
e imaginación en la definición de una estruc-
turamecánica, máquina o sistema para reali-
zar funciones específicas con el máximo de 
economía y eficiencia. 
Finkelstein y Finkelstein [4]: diseño es el 
proceso creativo que inicia con una necesi-
dad y define una invención o sistema y los 
métodos para su realización implementación 
para así satisfacer la necesidad. es una ac-
tividad humana primaria y es central en la in-
geniería y las artes aplicadas.
Luckman [4]: diseño es el primer paso del 
hombre para controlar su entorno. el proceso 
de diseño es la traducción de la información 
en forma de necesidades, restricciones y 
experiencia en posibles soluciones las cua-
les son consideradas por el diseñador para 
conseguir las características de rendimiento 
requeridas. algo de creatividad u originalidad 
debe entrar en el proceso para que sea lla-
mado diseño.
Como se puede observar las definiciones de 
diseño son diferentes debido a la subjetividad 
de ellas, aunque podemos notar que existen 
ciertas palabras o frases claves que nos pue-
den ayudar a dar una definición de diseño, 
como son:
• Necesidades o requerimientos.
• Soluciones.
• Especificaciones.
• Creatividad.
• Restricciones.
• Principios científicos.
• Información técnica.
• Funciones.
• Mapeo.
• Transformación.
• Manufactura.
• Economía.
usando las palabras clave antes menciona-
das y con base en la experiencia y conoci-
mientos en ingeniería con que se cuentan, se 
genero una definición de diseño en ingeniería 
mecánica, la cual se muestra a continuación:
el diseño en ingeniería mecánica es la so-
lución de un problema, con necesidades y 
restricciones especificas, por medio de un 
dispositivo, mecanismo, máquina o sistema 
mecánico, usando para ello principios cien-
tíficos, información técnica, experiencia y 
creatividad, para conseguir la solución más 
eficiente y económica posible.
2.2. Teorías modernas del diseño mecáni-
co.
2.2.1. Definición de teoría de diseño, me-
todología de diseño y modelo de diseño 
[4]
aunque la teoría así como la metodología de 
diseño no han sido plenamente explicadas 
por los investigadores en esta área se pue-
den encontrar definiciones sobre lo que es la 
teoría de diseño y la metodología del diseño.
ASME (American Society of Mechanical En-
gineers) [4]: Define el campo de la teoría de 
diseño y la metodología como una disciplina 
de la ingeniería que concierne al estudio de 
procesos de entendimiento y organización 
para crear, reestructurar y optimizar artefac-
tos y sistemas. La teoría de diseño habla so-
bre diseño, es decir, explica que es el diseño 
o que se debe de hacer cuando se diseña. 
por otro lado la metodología de diseño es la 
colección de procedimientos, herramientas y 
técnicas que los diseñadores usan durante el 
proceso diseño.
en resumen se puede decir que:
• Teoría de diseño: Es la que explica y define 
capitulo 2: teoría de diseño
19
que es diseño y que es lo que se hace cuan-
do se diseña.
• Metodología de diseño: Es la serie de pasos 
que se siguen y las técnicas o herramientas 
que se utilizan durante el diseño.
• Modelo del diseño: De las teorías de diseño 
se derivan los modelos de diseño los cuales 
son la serie de pasos a seguir y las herra-
mientas a utilizar propuestos por un inves-
tigador. se puede decir que un modelo de 
diseño es una metodología base y general 
para usarse durante el diseño.
2.2.2. Escuelas del diseño [4]
Existen varias escuelas que han dado su 
punto de vista sobre lo que es el diseño y 
como debería de hacerse, existen básica-
mente tres escuelas la primera de ellas es 
la escuela semántica esta escuela cree que 
el proceso de diseño debe de ser caótico y 
creativo, la segunda es la escuela de la sin-
taxis la cual dice que el proceso de diseño 
debe ser organizado y disciplinado y la ter-
cera escuela es llamada de la experiencia 
pasada y opina que no se debe de imponer 
al diseñador un proceso especifico. 
las tres escuelas son mencionadas a con-
tinuación así como también algunas de sus 
ideas sobre el diseño.
Escuela semántica [4]: esta escuela es 
atribuida a rodenacker. el dogma principal 
de esta escuela es que cualquier máquina 
como objeto del diseño, es algo que trans-
forma tres tipos de entrada como son sus-
tancia, energía e información en tres salidas 
respectivas para cada entrada. la diferencia 
entre las entradas y las salidas es llamada 
funcionalidad. los requerimientos iniciales 
son usualmente dados en términos de la 
funcionalidad que debe ser analizada en una 
estructura lógica la cual da las conexiones 
entre las subfunciones. se puede descom-
poner la función principal en subfunciones y 
éstas a su vez ser substituidas con un fenó-
meno físico particular que realice la transfor-
mación respectiva.
Escuela de la sintaxis [4]: esta escuela es 
asociada con el esfuerzo de dar más forma-
lismo al proceso de diseño y esto lo hace al 
dar aspectos sobre el procedimiento de la 
actividad del diseño más que al objeto del 
diseño mismo. en esta escuela se conside-
ra al proceso de abstracción como la pre-
misa para dar universalidad a los modelos 
derivados de esta escuela. los cuales son 
usualmente identificados como modelos 
prescriptivos. 
Escuela de la experiencia pasada [4]: esta 
escuela argumenta que la universalidad de 
los modelos de diseño no es práctica y que 
si se le impone un modelo a un diseñador 
puede limitar y deteriorar su creatividad. En 
esta escuela se pone énfasis en la impor-
tancia de la historia del diseño, incluyendo 
todo el conocimiento que debe ser obteni-
do para adquirir habilidad en el diseño. esta 
escuela tiene como base la idea de que la 
habilidad para diseñar no puede ser adquiri-
da eficientemente en forma teórica sino por 
la experiencia.
2.2.3. Modelos de diseño [4]
los modelos de diseño son representacio-
nes de filosofías o estrategias propuestas 
que muestran como el diseño debe de ha-
cerse. Algunos tienen diagramas de flujo 
que esquematizan las diferentes etapas en 
el proceso del diseño así como sus entradas 
y salidas.
Existen dos grandes clases en las cuales 
se pueden clasificar los modelos de diseño 
estas son.
• Modelos prescriptivos.
• Modelos descriptivos.
los modelos prescriptivos son generalmen-
te asociados con la escuela de la sintaxis, 
tratan de ver el proceso de diseño de una 
forma global aplicando pasos al procedi-
miento y enfatizan la necesidad de realizar 
un trabajo más analítico, antes de generar 
conceptos de solución.
los modelos descriptivos son enfocados en 
20
las acciones de los diseñadores durante el 
proceso del diseño.
Modelos prescriptivos [4]
en los modelos prescriptivos se trata de es-
tablecer etapas de diseño, sus conexiones, 
entradas y salidas de cada etapa. Cada mo-
delo tiene etapas diferentes así como tam-
bién diferentes relaciones entre cada una de 
ellas. A continuación se muestran algunos 
modelos de diseño propuestos por diferentas 
autores.
Modelo de Pahl and Beitz [4]
En este modelo, como se muestra en la figu-
ra 2.2.3.1, Pahl y Beitz representan su pro-
Figura 2.2.3.1. Pasos de la planificación y proceso de diseño [5]
capitulo 2: teoría de diseño
21
ceso de diseño en cuatro fases principales 
que son:
1. Clarificación de la tarea.
2. diseño conceptual.
3. Diseño de configuración.
4. diseño de detalle.
Modelo VDI 2221 [4]
Este modelo, el cual se muestra en la figura 
2.2.3.2, fue generado por el cuerpo de inge-
nieros profesionales alemanes, Verein deut-
cher Ingenieure (VDI). En su modelo el VDI 
2221 expresa el proceso de diseño en siete 
Figura 2.2.3.2. Proceso de diseño VDI 2221 [6]
22
etapas. estas etapas son:
1. Clarificación y definición de la tarea.
2. Determinación de las funciones y sus es-
tructuras.
3. Buscar principios de solución para cada 
sub-función y sus combinaciones.
4. División de la solución en modelos reali-
zables.
5. Desarrollar arreglos de los módulos clave.
6. Completar el arreglo general.
7. El desarrollo de la configuración definitiva 
y la documentación final. 
Modelo según Archer [4]
Archerdefine la naturaleza de la metodolo-
gía del diseño en su modelo, el cual se pue-
de observar en la figura 2.2.3.3, que cuenta 
de seis etapas:
1. programar.
2. Recopilación de información.
3. análisis.
4. síntesis.
5. Desarrollo.
6. Comunicación.
Figura 2.2.3.3. Modelo del proceso de dise-
ño archer [4]
Modelo según Nigel Cross [4]
En su modelo, figura 2.2.3.4, Cross expre-
sa el proceso de diseño en seis etapas con 
un modelo simétrico problema-solución. Las 
seis etapas son:
1. Clarificación de los objetivos.
2. establecer funciones.
3. establecer requerimientos.
4. Generar alternativas.
5. Evaluar alternativas.
6. Mejorar detalles.
Para cada una de las etapas se utiliza un mé-
todo de diseño para alcanzar el objetivo de 
cada etapa. 
1. Árbol de objetivos.
2. Análisis de la función.
3. Especificaciones de rendimiento.
4. Matriz morfológica.
5. Objetivos ponderados.
6. Valor de ingeniería.
Figura 2.2.3.4. Modelo de diseño de Cross 
[4]
Modelo según Hubka [4]
el modelo de diseño de Hubka representa el 
proceso de diseño en cuatro fases y seis pa-
sos. Estas fases y pasos que son mostradas 
en la figura 2.2.3.5 son:
capitulo 2: teoría de diseño
23
Fase 1: Elaboración del problema asignado.
Paso 1: Elaborar o clarificar las especifica-
ciones asignadas.
Fase 2: Diseño conceptual.
paso 2: establecer las estructuras funciona-
les.
paso 3: establecer el concepto.
Fase 3: Distribución:
Paso 4: Establecer la distribución preliminar.
Paso 5: Establecer la distribución dimensio-
nal.
Fase 4: Elaboración:
Paso 6: Detallado y elaboración.
Figura 2.2.3.5. Modelo de diseño de Hubka [4]
24
Modelo según French [4]
Este modelo mostrado en la figura 2.2.3.6 
esta basado en las siguientes actividades de 
diseño.
1. análisis del problema.
2. diseño conceptual.
3. Materialización de esquemas.
4. Fase de detalle.
Figura 2.2.3.6. Modelo de diseño de French [4]
Modelo BS 700 [4]
Este modelo mostrado en la figura 2.2.3.7 
inicia con una etapa de estudio de factibi-
lidad y después atraviesa por las etapas 
de diseño conceptual, diseño de materiali-
zación, diseño de detalle y diseño para la 
manufactura. Este modelo también muestra 
la salida para cada etapa del proceso de 
diseño en forma de informe de diseño, di-
bujos de concepto, dibujos de distribución, 
definición detallada del producto e instruc-
ciones de manufactura respectivamente.
capitulo 2: teoría de diseño
25
Figura 2.2.3.7. Modelo de diseño BS 7000 [4]
Modelo según Pugh [4]
pugh considera el diseño total como la acti-
vidad sistemática necesaria realizada desde 
la identificación de la necesidad del mercado 
(usuario) hasta la venta del producto exitoso 
para que satisfaga dicha necesidad, es una 
actividad que involucra producto, proceso, 
personas y organización.
el modelo de la actividad total de diseño 
mostrado en la figura 2.2.3.8, consiste princi-
palmente en un núcleo central de diseño que 
alrededor contiene el mercado, las especifi-
caciones de diseño del producto, el diseño 
conceptual, el diseño a detalle, la manufactu-
ra y las ventas. Durante el desarrollo de este 
modelo el primer paso es la identificación de 
la necesidad después se formulan las espe-
cificaciones de diseño del producto, las cua-
les actúan como un control durante el resto 
del proceso de diseño.
26
Figura 2.2.3.8. Modelo de la actividad total de diseño [4]
capitulo 2: teoría de diseño
27
Modelos descriptivos [4]
Los modelos descriptivos emanan de la ex-
periencia individual de cada diseñador y de 
los estudios realizados a los diseños y como 
estos fueron creados esto es que procesos, 
estrategias y métodos de solución de proble-
mas fueron usados.
estos modelos usualmente enfatizan la im-
portancia de generar un concepto de solu-
ción de manera temprana en el proceso de 
diseño, esto refleja la naturaleza del proceso 
el cual se enfoca en la solución. La solución 
original atraviesa un proceso de análisis, 
evaluación, refinamiento (parchar y reparar) 
y desarrollo. A continuación se muestran al-
gunos modelos de diseño propuestos por di-
ferentas autores.
Modelo según March [4]
el modelo del proceso de diseño propuesto 
por March se basa en el trabajo del filósofo 
americano peirce sobre los tres modos de 
razonar que son deducción, inducción y ab-
ducción (producción). El diseño racional es 
concebido realizando tres tareas, las cuales 
se pueden observar en la figura 2.2.3.9.
1. La creación de una nueva composición-
consumada usando razonamiento producti-
vo.
2. La predicción de las características de 
rendimiento-consumada usando razona-
miento deductivo.
3. La acumulación de nociones habituales y 
valores establecidos, una tipología envolven-
te-consumada usando razonamiento induc-
tivo.
Figura 2.2.3.9. Modelo de diseño de March [4]
28
Modelo según Matchett [4]
La perspectiva de diseño enunciada por Mat-
chett es también conocida como el método 
fundamental de diseño. el objetivo de este 
método es el de permitir al diseñador inter-
pretar y controlar el comportamiento de sus 
pensamientos y relacionar este comporta-
miento más cercanamente con todos los 
aspectos de la situación de diseño. La pers-
pectiva adoptada por Matchett para el diseño 
está construida alrededor de cinco formas de 
pensar. 
1. pensar con estrategias de contorno.
2. Pensar en planos paralelos (observación 
distante de los pensamientos y acciones de 
uno mismo y de los colegas).
3. pensar desde varios puntos de vista.
4. pensando con conceptos.
5. Pensando con elementos básicos. 
2.2.4. Técnicas modernas de diseño 
mecánico
Al revisar los modelos de diseño antes ex-
puestos se puede observar que los modelos 
prescriptivos cuentan con varias etapas de 
diseño en las cuales se realizan actividades 
específicas como son:
• La identificación de las necesidades del 
cliente.
• La generación de conceptos de solución. 
• La selección de conceptos de solución. 
• El diseño a detalle de los componentes o 
sistemas del producto.
• Prueba y evaluación de los prototipos.
para llevar a cabo cada una de estas activi-
dades existen técnicas que ayudan a tomar 
mejores decisiones y de una forma organi-
zada y sencilla. Estas técnicas pueden ser 
elegidas según el criterio de cada diseñador.
La técnica de diseño también es conocida 
como método de diseño o herramienta y es 
definida por Nigel Cross [7] de la siguiente 
forma:
“Es cualquier método, técnica, auxiliar o he-
rramienta para diseñar. Los métodos de dise-
ño representan un número variado de activi-
dades que el diseñador puede combinar en el 
proceso de diseño”. 
Para presentar estas técnicas de una forma 
más clara se dividieron según la actividad a 
la que pertenecen, es decir, se presentan las 
técnicas usadas en la identificación, ordena-
miento de necesidades, Identificación de las 
funciones de la máquina, dispositivo o siste-
ma, el establecimiento de las especificacio-
nes objetivo, la generación de conceptos de 
solución y finalmente técnicas para la selec-
ción y evaluación de alternativas solución.
Técnicas para la identificación de las ne-
cesidades [8]
esta actividad del proceso de diseño es una 
de las más importantes debido a que si no 
se identifican correctamente las necesidades 
del cliente puede ser que al final se llegue a 
una solución incorrecta para el problema de 
diseño en cuestión, además, con un buen tra-
bajo en la identificación de necesidades del 
cliente se pueden encontrar áreas de oportu-
nidad en el mercado, es decir, se pueden en-
contrar necesidades que no han sido expre-
sadas anteriormente y así generar productos 
innovadores.
entrevistas.- en las entrevistas uno o más 
miembros del equipo de diseño analizan las 
necesidades con un solo cliente, por lo gene-
ral son hechas en el ambiente de trabajo del 
cliente. para llevar a cabo una entrevista es 
de gran ayuda tener una guía de preguntas, 
en esa lista se pueden incluir preguntas so-
bre los productos existentes, la forma en que 
los usa y lo que le gusta o disgusta de los 
productos existentes.Además se recomien-
da:
• Ir con la corriente (Se puede olvidar por un 
momento la guía de preguntas y seguir la lí-
nea de información).
• Utilizar estímulos y propuestas visuales.
• Suprimir hipótesis previamente concebidas 
sobre la tecnología del producto.
• Estar alerta de que surjan sorpresas y de 
la expresión de necesidades latentes que ex-
prese el cliente.
capitulo 2: teoría de diseño
29
• Observar la información no verbal.
Grupos de enfoque.- en los grupos de en-
foque se reúne un grupo, de 8 a 12 clientes, 
en un cuarto rodeado de espejos y un mo-
derador facilita un análisis de aproximada-
mente dos horas, detrás de los espejos los 
observaran miembros del equipo de diseño. 
en los grupos de enfoque se pueden aplicar 
las recomendaciones utilizadas para el desa-
rrollo de entrevistas.
Observar el producto en uso.- observar a 
los clientes usando un producto puede reve-
lar necesidades ocultas, es decir, necesida-
des que no han sido expresadas ni satisfe-
chas, esto se puede hacer, al observar a un 
cliente haciendo algo inesperado que tenga 
que ver con el uso del producto en cuestión, 
como alguien que pinta una barda y para 
abrir la lata de pintura usa un desarmador, 
en este caso si lo que se está diseñando es 
una brocha, se puede incluir en ella alguna 
característica que ayude a abrir latas.
Encuestas.- Las encuestas pueden ser muy 
útiles cuando lo que se busca es identificar 
las necesidades de un sector más amplio del 
mercado y también se pueden aplicar las re-
comendaciones descritas para las entrevis-
tas.
Después de haber recabado los datos usan-
do alguna o una combinación de las técnicas 
antes mencionadas, es muy importante inter-
pretar estos datos en términos de las necesi-
dades del cliente, es decir, que los enuncia-
dos expresados por lo clientes se reescriban 
en forma neutral y que no expresen alguna 
característica que el producto deba de tener. 
para ello se recomienda hacer una matriz en 
la cual en la primera columna se escriban las 
preguntas, en la segunda el enunciado ex-
presado por el cliente y en la tercera la nece-
sidad interpretada.
Para reescribir cada enunciado en un térmi-
no neutral se recomienda lo siguiente:
• Expresar la necesidad como un qué mas 
no un cómo.- Es decir el enunciado no debe 
de expresar una característica o tecnología 
específica, mas bien tiene que decir que es 
lo que debe de hacer el producto. si el clien-
te expreso alguna característica se debe de 
escribir la función que realizaría dicha carac-
terística.
• Expresar la necesidad tan específicamente 
como lo pronuncio el cliente.- para evitar la 
pérdida de información se deben de escribir 
los nuevos enunciados en el mismo nivel de 
detalle con el que lo expreso el cliente.
• Utilizar un fraseo positivo, no negativo.- 
Esto no es un lineamiento rígido ya que a ve-
ces el fraseo positivo resulta extraño debido 
a que hay necesidades que se expresan más 
naturalmente en forma negativa.
• Expresar la necesidad como un atributo 
del producto.- al escribir el enunciado se le 
agrega al producto la función. Al redactar las 
necesidades como atributos del producto es 
más fácil su interpretación posterior.
• Evitar las palabras debe y debería.- Al es-
cribir estas palabras se le da a la necesidad 
un nivel de importancia superior, lo cual es 
indeseable en esta etapa del proceso.
Una vez identificadas e interpretadas las ne-
cesidades lo que se debe de hacer es orde-
narlas en un orden jerárquico lo cual ayuda 
a establecer los objetivos, así como, su nivel 
de importancia durante el proceso de diseño. 
para llevar a cabo esto se pueden usar las 
siguientes técnicas:
Procedimiento propuesto por Karl T. Ul-
rich [8]
Este procedimiento consta de 6 pasos:
1. imprimir o escribir cada enunciado de la 
necesidad del cliente en una tarjeta.
2. eliminar los enunciados que sean redun-
dantes.
3. agrupar las tarjetas de acuerdo con la si-
militud de las necesidades que los clientes 
expresan.
4. para cada grupo elegir una etiqueta. la 
etiqueta es un enunciado de la necesidad 
que generaliza todas las necesidades en el 
30
grupo.
5. Considerar la creación de supersúper gru-
pos que consistan de dos a cinco grupos.
6. Revisar y editar los enunciados organiza-
dos de las necesidades.
el organizar las necesidades en forma jerár-
quica no indica la importancia relativa entre 
cada una de ellas para realizar esto se pue-
de:
• Confiar en el consenso de los miembros de 
equipo de desarrollo.
• Hacer encuestas adicionales.
Árbol de objetivos [7]
El árbol de objetivos tiene por finalidad el cla-
rificar los objetivos y los objetivos secunda-
rios del diseño, así como las relaciones entre 
ellos. El método del árbol de objetivos ofrece 
un formato claro y útil para el planteamiento. 
Muestra los objetivos y los medios generales 
para alcanzarlos mediante un diagrama. el 
procedimiento para generar el diagrama se 
muestra a continuación con un ejemplo, en 
donde el resultado es el diagrama de la figu-
ra 2.2.4.1:
1. preparar la lista de objetivos de diseño: 
estas son las necesidades previamente 
identificadas.
• Bajo riesgo de lesión para el operador
• Bajo riesgo de errores del operador
• Bajo riesgo de daño a la pieza de trabajo o 
a la herramienta.
• Corte automático de la operación en caso 
de una sobrecarga.
2. ordenar la lista en conjuntos de objetivos 
de mayor y menor nivel: Los objetivos princi-
pales y los secundarios de la lista ampliada 
se agrupan aproximadamente en niveles je-
rárquicos.
• 1er nivel.- La máquina es segura.
• 2do nivel.- Bajo riesgo de lesión para el 
operador.
• 2do nivel.- Bajo riesgo de errores del ope-
rador.
• 2do nivel.- Bajo riesgo de daño a la pieza de 
trabajo o a la herramienta.
• 3er nivel.- Corte automático de la operación 
en caso de una sobrecarga.
3. dibujar un diagrama de árbol de objetivos 
que muestre las relaciones jerárquicas e in-
terconexiones: Las ramas (o raíces) del árbol 
representan las relaciones que sugieren me-
dios para alcanzar objetivos.
Figura 2.2.4.1. Árbol de objetivos
Técnicas para la identificación de las funcio-
nes de la máquina, dispositivo o sistema
La identificación de las funciones que debe 
realizar el producto es importante ya que 
esto ayuda a definir los dispositivos que se-
rán diseñados, las relaciones entre ellos así 
como también a identificar los parámetros de 
ingeniería que formaran parte de las especi-
ficaciones objetivo.
Técnica de análisis de funciones (Caja ne-
gra) [7]
La caja negra tiene por objetivo ayudar a es-
tablecer las funciones requeridas y los lími-
tes del sistema de un nuevo diseño.
el procedimiento para generar la caja negra 
es el siguiente:
1. Expresar la función general del diseño en 
términos de la conversión de entradas y sa-
lidas.
2. Descomponer la función general en un 
conjunto de funciones secundarias esencia-
les. estas funciones secundarias compren-
capitulo 2: teoría de diseño
31
den todas las tareas que tienen que realizar-
se dentro de la “caja negra”.
3. dibujar un diagrama de bloques que 
muestre las interacciones entre las funciones 
secundarias: la “caja negra” se hace “trans-
parente”, de tal manera que se clarifiquen las 
funciones secundarias y sus interacciones.
4. dibujar los límites del sistema: los límites 
del sistema definen los límites funcionales 
para el producto o dispositivo a diseñar.
5. Buscar componentes apropiados para 
realizar las funciones secundarias y sus in-
teracciones. Muchos componentes alternati-
vos pueden ser capaces de realizar las fun-
ciones identificadas.
La caja negra, como se observa en la figu-
ra 2.2.4.2, deberá de contener la transfor-
mación o función principal que deberá de 
realizar la máquina, sistema o dispositivo, 
mientras que la caja transparente, como se 
muestra en la figura 2.2.4.3, debe de conte-
ner las sub-funciones requeridas para llevar 
a cabo la función principal así como las inte-
racciones entre ellas, es decir, las entradas 
y salidas de cada sub-función y su relacióncon la demás sub-funciones.
Figura 2.2.4.2 Caja negra.
Figura 2.2.4.3. Caja transparente
32
IDEF 0 [9]
IDEF es un software que ayuda al igual que 
la caja negra a identificar las funciones de la 
máquina, sistema o dispositivo. análogamen-
te a la caja negra IDEF permite determinar 
las sub-funciones además de las entradas, 
salidas, controles y mecanismos. IDEF ma-
neja una estructura de capas donde en la pri-
mer capa se encuentra la función principal, 
mostrada en la figura 2.2.4.4, en la segunda 
se subdivide la función en sub-funciones más 
especificas y se dibuja la relación entre ellas, 
figura 2.2.4.5, esto se puede repetir cuantas 
veces sea necesario hasta simplificar las fun-
ciones al máximo. 
las representaciones que se manejan dentro 
de IDEF son:
• Entrada.- Es todo aquello que al entrar al 
sistema sufrirá una transformación.
• Salida.- Es la entrada transformada según 
la función que actuó.
• Control.- Es todo aquello que como su nom-
bre lo indica controla o restringe a la función.
• Mecanismo.- Es cualquier medio físico que 
ayuda a realizar la función o actividad.
Técnicas para el establecimiento de las es-
pecificaciones objetivo
Las técnicas para identificar las especificacio-
nes objetivo ayudan a fijar las características 
de rendimiento deseadas en el producto, es 
decir, se trata de identificar valores de inge-
niería que sean capaces de satisfacer las ne-
cesidades en cuestión, para llegar así a una 
solución del problema de diseño y además 
que éste sea un diseño con calidad.
Técnica de la especificación del rendimiento
Esta técnica tiene como fin hacer una especi-
ficación exacta del rendimiento en una solu-
ción de diseño. Y para desarrollarla hay que 
llevar a cabo el siguiente procedimiento:
• Considerar los diferentes niveles de genera-
lidad de solución que puedan aplicarse.
• Determinar el nivel de generalidad en el 
cual se va a trabajar. 
• Identificar los atributos de rendimiento re-
queridos.
• Establecer requerimientos de rendimiento, 
breves y precisos para cada atributo. 
El objetivo de usar esta técnica es identificar 
los parámetros y sus rangos de funciona-
miento bajo los cuales deberá de funcionar 
una solución de diseño, sin especificar una 
solución. 
Figura 2.2.4.4. Función principal
capitulo 2: teoría de diseño
33
Figura 2.2.4.5. Sub-funciones
Técnica del despliegue de la función de 
calidad (QFD) [6]
La técnica del despliegue de la función de 
calidad también es conocida como casa de 
la calidad ya que la forma de su diagrama 
representativo tiene forma de casa, ésta es 
una herramienta versátil que puede ser usa-
da parcialmente en forma de una matriz para 
identificar las características de ingeniería 
así como su relación con cada necesidad y 
su importancia relativa. También, puede ser 
usada completamente para identificar fac-
tores como la relación entre las caracterís-
ticas de ingeniería, la percepción del cliente 
sobre otros productos, las medidas objetivo 
y la comparación técnica con los productos 
de la competencia. otra característica de 
esta técnica es que puede ser usada no sólo 
como una técnica en cierta etapa del proce-
so de diseño, sino que puede ser utilizada 
durante el desarrollo de todo el proceso de 
diseño mediante cuatro fases de desarrollo 
definidas por Yoji Akao, estas cuatro fases se 
muestran en la figura 2.2.4.6 y son:
1. Planificación del producto (o casa de la ca-
lidad). traduce la demanda de los clientes en 
características técnicas del producto.
2. despliegue de los componentes. traduce 
las especificaciones del producto (o carac-
terísticas técnicas de la matriz anterior) en 
características de los componentes.
3. Planificación del proceso. Traduce las es-
pecificaciones de los componentes en carac-
terísticas del proceso de fabricación.
4. Planificación de la producción. Traduce 
las especificaciones del proceso en proce-
dimientos de planificación de la producción.
En la figura 2.2.4.7 se muestra un diagrama 
de la aplicación de la casa de la calidad a 
un fogón de camping en este ejemplo sólo 
se contempla la fase 1 de planificación del 
producto, en él se puede apreciar que para 
indicar el tipo de relación entre las necesida-
des y los parámetros de ingeniería se ocu-
pan marcas las cuales son elegidas por el 
diseñador.
34
Figura 2.2.4.6. Fases de desarrollo de la casa de la calidad.
Figura 2.2.4.7. Diagrama de la casa de la calidad aplicado
capitulo 2: teoría de diseño
35
Técnicas para la generación de concep-
tos de solución
esta etapa del proceso de diseño es la que 
tiene que ver más con el lado creativo del 
diseñador, muchos dicen que la creatividad 
es un don natural y que no se puede obtener 
con la experiencia, pero existen técnicas que 
ayudan a estimular la creatividad y a organi-
zar las ideas generadas para concebir posi-
bles soluciones de diseño.
La técnica de la lluvia de ideas [11]
Esta es una técnica muy popular que es usa-
da en muchas circunstancias diversas y no 
solamente en problemas de ingeniería.
La técnica de lluvia de ideas se trata de la 
generación de ideas por reflexión en grupo 
mediante la prohibición expresa de criticas 
en la fase de producción de ideas, esto es 
que los participantes en la sesión de lluvia 
de ideas, que por lo general son entre 7 y 12 
personas, no pueden demeritar o sobresaltar 
las ideas de los demás por inútiles o buenas 
que parezcan ya que cualquier idea puede 
abrir otros caminos de exploración. 
Las ventajas de esta técnica son que es de 
un bajo costo, se realiza en un tiempo reduci-
do, fomenta la liberación de inhibiciones y se 
pueden plantear una gran variedad de pro-
blemas. Durante el desarrollo de esta técnica 
existe un director del grupo o moderador que 
se encarga de preparar la reunión, estimular 
la actividad y reconducir el tema.
El procedimiento para aplicar esta técnica es 
el siguiente:
1. Exponer el tema.
2. Expresar cualquier idea.
3. Apoyarse en las ideas de los demás.
4. tomar nota o grabar.
5. Evaluación de las soluciones por un grupo 
diferente.
Técnica de la sinética [11]
La sinética es el uso de analogías en grupo 
como un instrumento de búsqueda de solu-
ciones, algunas de sus características son 
que produce un costo elevado, se requiere 
de un tiempo elevado para su desarrollo, 
fomenta la creatividad produciendo tensión, 
todos los miembros del grupo deben estar 
preparados en técnicas analógicas y el gru-
po consta de 6 a 8 personas expertas. El pro-
cedimiento para su desarrollo es el siguiente:
1. Exponer el problema.
2. eliminar soluciones obvias.
3. Jugar con analogías.
4. desarrollar la propuesta.
5. Evaluarla.
Técnica Delphi [11] 
Esta es un técnica usada para estimar la 
evolución futura por reflexión libre y aislada 
de los componentes del grupo y éstas son 
algunas de sus características, bajo costo, 
tiempo requerido medio, los miembro del 
grupo son expertos y no se conocen entre si, 
cuanto más amplio es el grupo mejor son los 
resultados, fomenta la reflexión individual, el 
pensamiento productivo aparece en soledad 
y el coordinador debe ser experto. El proce-
dimiento para desarrollar esta técnica es el 
siguiente:
1. proponer un tema.
2. Cada experto (aislado) emite una opinión.
3. El coordinador extrae conclusiones y remi-
te resultados a los expertos.
4. Se repiten los pasos 2 y 3 varias veces.
5. Al final, se obtiene una respuesta conver-
gente.
La técnica del diagrama morfológico [7]
Esta técnica es de gran ayuda ya que ade-
más de ayudar a generar ideas ayuda a com-
binarlas para generar diversas soluciones de 
diseño. La finalidad de esta técnica es gene-
rar la gama completa de soluciones alternati-
vas de diseño para un producto y ampliar de 
esta forma la búsqueda de nuevas solucio-
nes potenciales. 
el procedimiento para su desarrollo es el si-
guiente:
36
1. Hacer una lista de las características o 
funciones que sean esenciales para el pro-
ducto. sin que sea demasiado larga, la lista 
debe cubrir completamente las funciones,en 
un nivel apropiado de generalización.
2. Para cada característica o función, men-
cionar los medios con los cuales podría rea-
lizarse. estas listas deben incluir nuevas 
ideas, así como componentes o soluciones 
secundarias existentes y conocidas.
3. elaborar un diagrama que contenga todas 
las soluciones secundarias posibles. este 
diagrama morfológico representa el espacio 
total de soluciones para el producto, confor-
mado por las combinaciones de soluciones 
secundarias.
4. Identificar las combinaciones factibles 
de soluciones secundarias. el número total 
de combinaciones posibles puede ser muy 
grande y, por lo tanto, las estrategias de bús-
queda tienen que guiarse por restricciones o 
criterios.
En la figura 2.2.4.8 se muestra un diagrama 
morfológico como ejemplo. 
La técnica TRIZ [10]
TRIZ es una técnica para generar ideas in-
geniosas especialmente ante problemas tec-
nológicos. Fue desarrollada por Genrich S. 
Altshuller. TRIZ es ante todo una técnica que 
Figura 2.2.4.8. Diagrama morfológico
capitulo 2: teoría de diseño
37
sigue actualizándose mediante investigación 
de los avances en patentes. triZ recoge 
una serie de principios que ‘la persona’ debe 
aprender permitiéndole analizar un proble-
ma, modelarlo, aplicar soluciones estándar e 
identificar ideas inventivas.
TRIZ aporta 5 principios fundamentales:
1-. Funcionalidad y sistémica: El entor-
no está lleno de sistemas con elementos o 
subsistemas interrelacionados entre sí, que 
aportan una función a algún otro sistema. La 
ciencia y la tecnología se pueden organizar 
además de por disciplinas, por funciones, de 
modo que cuando un biólogo necesite reali-
zar algo acceda también a conocimientos de 
la mecánica y/o la óptica, y viceversa.
2-. Idealidad: lo importante de un sistema (en 
especial los artificiales o máquinas y apara-
tos) no son sus partes sino la función que 
aporta. es una pauta del progreso que los 
sistemas tiendan a reducir sus partes e inclu-
so a desaparecer, permaneciendo la función. 
3-. uso de recursos: en la búsqueda de la 
idealidad, las invenciones y avances más 
ingeniosos son aquellos que en lugar de 
añadir, sustraen elementos; y aprovechan, 
para resolver el problema, los recursos dis-
ponibles dentro del propio sistema o en un 
entorno inmediato. 
4-. Pautas acerca del origen y evolución de 
los sistemas y de la tecnología: El análisis de 
cientos de miles de documentos de patentes 
que dio lugar a TRIZ, identificó una serie de 
pautas que ayudan a predecir cómo puede 
evolucionar un sistema, así como determina-
das configuraciones tecnológicas.
5-. Contradicciones: Algunos problemas difí-
ciles resueltos, tenían en común la resolución 
de contradicciones. en ocasiones, mejorar 
un aspecto o problema supone agravar otro, 
tenemos entonces un conflicto o contradic-
ción. La solución habitual es la de compro-
miso. triZ aporta una serie de sugerencias 
para tratar de ‘salvar’ la contradicción. Como 
toda técnica de creatividad, el resultado de 
aplicar TRIZ para resolver problemas y ge-
nerar soluciones ingeniosas, requiere cierta 
evaluación. Así toda solución o idea debe ob-
servar los principios esenciales de triZ, por 
lo que sólo unas pocas consiguen sobrevivir, 
aunque suelen ser de gran calidad.
para resolver un problema con triZ es ne-
cesario primero la identificación de la o las 
contradicciones, después de eso se localiza 
en la matriz de TRIZ, mostrada en la figura 
2.2.4.9, los principios de solución recomen-
dados para ese tipo de contradicción, los 
principios no son soluciones especificas, sin 
embargo, ayudan a generar soluciones.
Los principios de solución propuestos por 
TRIZ son 40 y se enlistan a continuación:
 
1. Segmentación.
2. Extracción.
3. calidad local.
4. asimetría.
5. Combinación.
6. Universalidad.
7. anidado.
8. contrapeso.
9. contramedida previa.
10. Previo a la acción.
11. amortiguamiento anticipado.
12. Equipotencialidad. Eliminar tensión.
13. invertir.
14. esfericidad.
15. Dinamismo.
16. Acción parcial o total.
17. Mover a una nueva dimensión.
18. Vibración mecánica.
19. Acción periódica.
20. Continuidad de una acción útil.
21. rapidez del proceso.
22. Convertir un daño en beneficio
23. Retroalimentación.
24. Mediador.
25. Auto-servicio.
26. Copia.
27. objeto barato-corta vida por ob-
jeto caro-larga vida.
28. reemplazo de un sistema mecánico.
29. Usar una construcción neumática o hi-
dráulica.
30. Película flexible o membranas delgadas.
31. uso de material poroso.
32. cambiando el color.
38
33. Homogeneidad
34. Rechazando y regenerando partes.
35. Cambios de propiedades.
36. Transición de fase.
37. Expansión térmica.
38. Uso de oxidantes fuertes.
39. ambiente inerte.
40. Materiales compuestos.
Técnicas para la selección y evaluación 
de alternativas solución.
una vez que se ha creado una serie de dise-
ños alternativos, el diseñador enfrenta el pro-
blema de seleccionar el mejor. La elección 
puede hacerse con base en conjeturas, intui-
ción, experiencia o tomando una decisión ar-
Figura 2.2.4.9. Matriz TRIZ
bitraria. Sin embargo, es mejor si la elección 
se hace en base a un procedimiento lógico, 
por ello existen técnicas que ayudan a llevar 
a cabo el proceso de selección de forma es-
tructurada.
Técnica de objetivos ponderados [6]
Esta técnica, como se muestra en la figura 
2.2.4.10, tiene como finalidad comparar los 
valores de utilidad de las propuestas de dise-
ño alternativas, con base en su rendimiento 
frente a los objetivos diferencialmente pon-
derados. Para aplicar esta técnica se deben 
seguir los siguientes pasos:
1. Hacer una lista de los objetivos de diseño. 
capitulo 2: teoría de diseño
39
Podría requerirse la modificación de estos 
objetivos con relación a la lista inicial; un ár-
bol de objetivos también puede ser una ca-
racterística útil en esta técnica.
2. ordenar la lista de objetivos. las compa-
raciones por pares ayudan a establecer el 
orden de calificación.
3. asignar ponderaciones relativas a los ob-
jetivos. Estos valores numéricos deben estar 
en una escala de intervalos; una alternativa 
consiste en asignar pesos relativos a los di-
ferentes niveles de un árbol de objetivos, de 
manera que todos los pesos sumen 1.0.
4. establecer parámetros de rendimiento o 
calificaciones de utilidad para cada uno de 
los objetivos. tanto los objetivos cuantitati-
vos como los cualitativos deben reducirse a 
un rendimiento en escalas sencillas de pun-
tos.
5. Calcular y comparar los valores de utilidad 
relativa de los diseños alternativos. Multipli-
car cada calificación de los parámetros por 
su valor ponderado la mejor alternativa tiene 
el valor de la máxima suma la comparación 
y la discusión de los perfiles de los valores 
de utilidad puede ser un mejor auxiliar en el 
diseño que simplemente elegir la mejor.
2.3. Diseño e ingeniería asistidos por 
computadora
Figura 2.2.4.10. Técnica de objetivos ponderados.
2.3.1. diseño asistido por computadora 
(CAD) [6]
CAD es el acrónimo de “Computer Aided 
design” o diseño asistido por computadora. 
se trata de la tecnología implicada en el uso 
de ordenadores para realizar tareas de crea-
ción, modificación, análisis y optimización de 
un diseño. de esta forma, cualquier aplica-
ción que incluya una interfaz gráfica y rea-
lice alguna tarea de ingeniería se considera 
software de CAD. Las herramientas de CAD 
abarcan desde herramientas de modelado 
geométrico, como en la figura 2.3.1.1, has-
ta aplicaciones a medida para el análisis u 
optimización de un producto especifico. En-
tre estos dos extremos se encuentran herra-
mientas de modelado y análisis de toleran-
cias, cálculo de propiedades físicas (masa, 
volumen, momentos, etc.), modelado y aná-
lisis por elemento finito, ensamblado, etc. 
La función principal en estas herramientas, 
como se muestra en la tabla 2.3.1.1, es la 
definición de la geometría del diseño (pieza 
mecánica, arquitectura, circuito electrónico, 
etc.) ya que la geometría es esencial para 
las actividades subsecuentesen el ciclo de 
producto.
2.3.2. Ingeniería asistida por computado-
ra (CAE) [6]
se utiliza el termino de ingeniería asistida 
por computadora o “computer aided engi-
neering” (CAE) para referirse a las tareas 
40
tabla 2.3.1.1 Herramientas cad requeridas en diferentes fases del diseño
Fase de diseño Herramientas CAD requeridas
Conceptualización del 
diseño. Herramientas de modelado geométrico
Modelado del diseño y 
simulación.
Las anteriores mas herramientas de animación, ensamblaje y apli-
caciones de modelado específicas.
análisis del diseño. Aplicaciones de análisis generales (FEM), aplicaciones a medida
Optimización del dise-
ño. Aplicaciones a medida, optimización estructural.
Evaluación del diseño. Herramientas de acotación, tolerancias, listas de materiales.
Informes y documen-
tación. Herramientas de dibujo de planos.
de análisis, evaluación, simulación y optimi-
zación desarrolladas a lo largo del ciclo de 
vida del producto. la ingeniería asistida por 
computadora es la tecnología que se ocu-
pa del uso de sistemas informáticos para 
analizar la geometría generada por las apli-
caciones de cad, permitiendo al diseñador 
simular y estudiar el comportamiento del pro-
ducto para refinar y optimizar dicho diseño. 
Figura 2.3.1.1. Imagen de una figura en software CAD
Existen herramientas para un amplio rango 
de análisis. los programas de cinemática, 
por ejemplo, pueden usarse para determinar 
trayectorias de movimiento y velocidades de 
ensamblado de mecanismos. los programas 
de análisis dinámico de (grandes) despla-
zamientos se usan para determinar cargas 
y desplazamientos en productos complejos 
como los automóviles. Las aplicaciones de 
capitulo 2: teoría de diseño
41
temporización lógica y verificación simulan 
el comportamiento de circuitos electrónicos 
complejos.
El método de análisis por computadora más 
ampliamente usado en ingeniería es el méto-
do de elemento finito o FEM (Finite Element 
Method). Se utiliza para determinar tensio-
nes, deformaciones, transmisión de calor, 
distribución de campos magnéticos, flujo de 
fluidos y cualquier otro problema de campos 
continuos que serian difícil de resolver utili-
zando otros métodos, en la figura 2.3.2.1 se 
muestra un ejemplo de su uso.
2.4. Criterios de diseño de elementos 
mecánicos
2.4.1. Análisis de esfuerzos
en esta parte lo que se muestra es cuales 
son los principales métodos para analizar los 
elementos mecánicos de un sistema, esto es 
de forma convencional, manual o analítico, 
o con ayuda de una computadora por medio 
del elemento finito.
2.4.1.1. Métodos analíticos
De acuerdo con el texto “Diseño de elemen-
tos de máquinas”, en el cual se baso esta 
sección se dice que: Para un diseño seguro 
se necesita asegurar que el esfuerzo no re-
base el punto de deformación del material, 
lo que permite afirmar, que el elemento no 
se fracturará bajo la acción de la carga. Esto 
Figura 2.3.2.1. Estudio Térmico de Horno Eléctrico de Arco [12]
es para materiales dúctiles. Mientras que 
para los materiales frágiles el esfuerzo debe 
de estar muy por debajo de la resistencia 
máxima. Además, si la deflexión resulta cri-
tica para la seguridad o rendimiento de una 
pieza se lleva a cabo un análisis detallado. 
La fatiga y el desgaste constituyen otros dos 
modos en que se presentan fallas en piezas 
de maquinaria. la fatiga es la respuesta de 
una pieza que se somete a la acción de car-
gas en forma sucesiva. 
algunos de los principales factores a tomar 
en cuenta para el análisis de los diferentes 
elementos son: los diferentes tipos de es-
fuerzos, torque, potencia, velocidad de giro 
y la resistencia del material.
2.4.1.2. Métodos numéricos (elementos 
finitos) [6]
El método de elemento finito es un método 
numérico muy general para la aproximación 
de soluciones de ecuaciones diferenciales 
parciales muy utilizado en diversos proble-
mas de ingeniería y física.
El método se basa en dividir el cuerpo, es-
tructura o dominio en una serie de subdomi-
nios no intersectantes entre sí denominados 
“elemento finito”. El conjunto de elementos 
finitos forma una partición del dominio tam-
bién denominada discretización. Dentro de 
cada elemento se distinguen una serie de 
puntos representativos llamados “nodos”. 
Dos nodos son adyacentes si pertenecen al 
42
mismo elemento finito; además, un nodo so-
bre la frontera de un elemento finito puede 
pertenecer a varios elementos. el conjunto 
de nodos considerando sus relaciones de 
adyacencia se llama “malla”.
los cálculos se realizan sobre una malla o 
discretización creada a partir del dominio con 
programas especiales llamados generadores 
de mallas, en una etapa previa a los cálculos 
que se denomina pre-proceso. de acuerdo 
con estas relaciones de adyacencia o conec-
tividad se relaciona el valor de un conjunto 
de variables incógnitas definidas en cada 
nodo y denominadas grados de libertad. El 
conjunto de relaciones entre el valor de una 
determinada variable entre los nodos se pue-
de escribir en forma de sistema de ecuacio-
nes lineales. la matriz de dicho sistema de 
ecuaciones se llama matriz de rigidez del 
sistema. el número de ecuaciones de dicho 
sistema es proporcional al número de nodos.
Típicamente el método de elemento finito se 
programa computacionalmente para calcular 
el campo de desplazamientos y, posterior-
mente, a través de relaciones cinemáticas y 
constitutivas las deformaciones y tensiones 
respectivamente, cuando se trata de un pro-
blema de mecánica de sólidos deformables 
o más generalmente un problema de mecá-
nica de medios continuos. El método de los 
elementos finitos es muy usado debido a su 
generalidad y a la facilidad de introducir do-
minios de cálculo complejos (en dos o tres 
dimensiones). Además, el método es fácil-
mente adaptable a problemas de difusión de 
calor, de mecánica de fluidos para calcular 
campos de velocidades y presiones (fluidodi-
námica CFD) o de campo electromagnético. 
dada la imposibilidad práctica de encontrar 
la solución analítica de estos problemas, con 
frecuencia en la práctica ingenieril los méto-
dos numéricos y, en particular, el de elemen-
to finito, se convierten en la única alternativa 
práctica de cálculo.
Una importante propiedad del método es la 
convergencia; si se consideran particiones 
de elementos finitos sucesivamente más fi-
nas, la solución numérica calculada converge 
rápidamente hacia la solución exacta del sis-
tema de ecuaciones.
una de las principales aplicaciones de ele-
mento finito es en el campo de los modelos 
estructurales en donde se pueden aplicar 
a diferentes tipos de estructura, como se 
muestra en la figura 2.4.1.2.1, algunos de los 
campos en los cuales se utiliza con mayor 
frecuencia el análisis por elemento finito es 
en ingeniería civil, industrial, naval y espacial. 
2.4.2. Cálculo y selección de elementos de 
máquinas 
Para el cálculo y selección de los diferentes 
elementos se utilizaron los criterios y fórmu-
las como se muestran en el anexo 1 para 
cada uno de los siguientes elementos:
• Poleas y bandas
Figura 2.4.1.2.1. Modelos Estructurales en Ingeniería Civil [12]
capitulo 2: teoría de diseño
43
• Engranes
• Ejes
• Rodamientos
• Motor
en donde las bandas representan los tipos 
principales de elementos flexibles para trans-
mitir potencia. para el diseño de engranes 
se puede seguir el procedimiento, que tiene 
por objetivo la determinación de un impulsor 
de engrane seguro y duradero. Una flecha 
o eje es el componente de los dispositivos 
mecánicos que transmite energía rotacional 
y potencia. La mayoría de los fabricantes 
disponen de catálogos on-line o en cd que 
permiten seleccionar y calcular toda la gama 
de sus rodamientos. para agrupar motores 
de tamaño similar se utiliza una clasificaron 
general en caballaje (hp) o en watt.
capítulo 3
Diseño conceptual 
De la mezclaDora De 
arena
46
3.1. Desarrollo del proceso de diseño 
a utilizar
este capitulo explica los pasos que se siguie-
ron para entender el problema