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i2 INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA UNIDAD TICOMAN “MEMORIA DE EXPERIENCIA PROFESIONAL EN EL DISEÑO DE COMPONENTES PLASTICOS PARA LA INDUSTRIA AUTOMOTRIZ” MEMORIAS DE EXPERIENCIA PROFESIONAL PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN AERONAUTICA PRESENTA: Manzano Contreras Fernando ASESORES: Ing. Armando Oropeza Osornio Ing. Eusebio Eduardo Hernández Martínez México, D.F. Septiembre 25, 2014 i1 AGRADECIMIENTOS A mis hijos: Pamela Viridiana y Leopoldo Manzano Parra, el centro de mi mundo, la razón más importante para llorar, reír y sobretodo amar. Por el amor incondicional y la fuerza que un pequeño ser puede imprimir en una vida. A mis padres y hermanos: Flavio Manzano Osorio, Gloria Contreras Galarza, Leopoldo, José Eduardo y Perla Lorena Manzano Contreras, por su apoyo, consejo, amor y tiempo, pues con su ejemplo, cariño y sacrificio, ayudaron a construir este triunfo, que es tan propio, como de ellos. A mis Sinodales: Ing. Armando Oropeza Osornio e Ing. Eusebio Eduardo Hernández Martínez, por su atención, y tiempo dedicado a este trabajo. A toda la gente que me apoyó y creyó en mí, por lo que fue y lo que será, mi más sincero y profundo agradecimiento……. GRACIAS i2 RELACION DE FIGURAS Y TABLAS Figura 1: MAN LE/CATOSA unidad a gas. Figura 2: Imagen trasera del MAN LE/CATOSA unidad a gas. Figura 3: Maquina inyectora horizontal/hidráulica. Figura 4: Diagrama de una máquina de moldeo por inyección. Figura 5: Esquema de un molde cerrado y abierto. Figura 6: Defectos ocasionados por ribs. Figura 7: Método de unión por soldadura entre componentes plásticos. Imagen 8: Ejemplos de diseños de soportes para tornillos. Figura 9: Ejemplo de diseños de soportes para clips plásticos. Figura 10: Snap Fits. Figura 11: Sistemas interiores del vehículo. Figura 12: Imagen descriptiva de los términos Gap y Flush. Figura 13: Componentes de un panel de puerta. Figura 14: Interior de la camioneta Colorado 2014. Figura 15: Interior de la camioneta Colorado 2015. Figura 16: Camioneta colorado crew 2015. Figura 17: Camioneta colorado extended 2015. Figura 18: Bosquejo de una camioneta de tamaño mediano. Figura 19: Interior de un vehículo. Figura 20: Modelo en 3D de un panel de puerta. Figura 21: Dummy dentro de un vehículo. Figura 22: Dummy dentro de un vehículo. Figura 23: Planta de construcción de vehículos. Figura 23: Esquema de una máquina de estereolitografía. CONTENIDO AGRADECIMIENTOS i1 RELACION DE FIGURAS Y TABLAS i2 INTRODUCCION 1 CAPITULO I: INDUSTRIA CARROCERA 2 CAPITULO II: INDUSTRIA AUTOMOTRIZ Entrenamiento • Manufactura en plásticos • Defectos en el moldeo por inyección • Diseño de la cara B • Métodos de unión entre componentes • Acciones • Diseño de interiores 4 CAPITULO 3: PROYECTO: CAMIONETA DE TAMAÑO MEDIANO MODELO 2015 Desarrollo de la puerta DFMEA Secciones • División de la puerta • Elección de materiales • Secuencia de ensamble • Manufactura • Apariencia • GD&T 19 • Desempeño estructural Modelo 3D temprano Primera iteración de CAE Superficie de prototipos Retroalimentación CAE (modelo temprano) SLA ‘s (estereolitografía) Liberación de modelo (prototipos) Segunda iteración de CAE Retroalimentación de CAE Retroalimentación proveedor de herramental (prototipos) Superficie productiva Primera etapa de validación (puerta prototipos) Retroalimentación validación Liberación del modelo productivo Retroalimentación proveedor Lanzamiento Preproducción (prototipos) Primera etapa de validación (vehículo prototipos) Primeras partes productivas Segunda etapa de validación (puerta productiva) Segunda etapa de validación (vehículo pre-‐productivo) Integración de retroalimentación pendiente Vendibles CONCLUSIONES 35 REFERENCIAS 36 APENDICE 37 1 INTRODUCCION En el presente trabajo, se relata la experiencia adquirida, como ingeniero de diseño en partes plásticas, primero en la industria carrocera y actualmente en la automotriz. De la primera se dará una breve explicación del diseño, de los vehículos para transporte de pasajeros, la segunda y parte central del presente trabajo es el desarrollo completo del sistema puerta desarrollado en un vehículo que está por salir al mercado, los nombres de las empresas así como detalles específicos serán omitidos por razones de confidencialidad. Industria carrocera. De manera general, la industria carrocera hace alianzas con las empresas que diseñan el chasis para el desarrollo de los autobuses, microbuses, autobuses escolares y en algunos casos diseños específicos que la empresa dueña del chasis o algún cliente requiera. El diseño exterior, interior y estructural es llevado a cabo por la empresa carrocera, pues el chasis adquirido para el diseño cuenta con motor, transmisión, llantas, anclajes para montar la estructura, etc., en la industria carrocera la mayoría de los procesos son manuales, por lo tanto el diseño debe ser muy flexible para absorber las variaciones generadas, habitualmente los componentes plásticos se fabrican con fibra de vidrio. Por las razones antes mencionadas el Ing. de producto es el encargado de desarrollar componentes y proveedores, así como administrar al personal de prototipos, con el fin deverificar la funcionalidad, eficiencia, factibilidad y los costos del vehículo, para el desarrollo de la unidad piloto. Con el personal de planta, se desarrollan las tres primeras unidades (autobuses) de línea productiva, con el fin de asegurar la repetitividad de los procesos de ensamble y buscar mejoras al diseño. Industria Automotriz. En la industria automotriz el diseño se hace partiendo de un estudio de mercado, en el que se evalúan los modelos previos de la misma marca, así como otros competidores dentro del mismo nicho de mercado, todo este trabajo, es realizado algunos años antes de promocionar el vehículo y de producirlo en serie, un trabajo titánico que involucra muchas áreas funcionales, pruebas, revisiones y etapas de mejora buscando cubrir las necesidades del cliente al que está dirigido, tanto de comodidad, como de seguridad y al mismo tiempo proporcionar las ganancias que permiten que el negocio funcione de manera adecuada. 2 CAPITULO I INDUSTRIA CARROCERA Figura 1: MAN LE/CATOSA unidad a gas, obtenida de: http://movilbus.blogspot.mx/2012/03/expo-‐foro-‐canapat-‐2012-‐man.html En la industria carrocera tuve la fortuna de llegar cuando nacía una unidad nueva, era el rediseño y puesta en operación en México de una unidad Alemana de cama baja (similar a la mostrada en la imagen anterior), un modelo utilizado en Europa, el concepto era desarrollar una unidad cómoda, pensando sobretodo en adultos mayores y personas con discapacidades, una muestra de ello es la altura del chasis, pues en la mayoría de los vehículos de transporte público, no se cuida la altura de los estribos o escalones de acceso, lo que se convierte en un reto con la edad, la unidad también tenía contemplado espacio para colocar una silla de ruedas, con las previsiones necesarias para sujetarla durante el recorrido, por esta razón estaba provista con una rampa para discapacitados, también se preparó para contar con un sistema de video que incluía tres pantallas y una unidad de DVD, entre otros detalles. Desarrollo de la unidad de pasajeros. Re ingeniería. La ingeniería para el prototipo de esta unidad nació de algunos bosquejos y dimensiones generales propiedad de la empresa alemana, que incluso llevó a la planta la unidad producida en Europa, el hermano mayor y modelo base a 3 rediseñar, el rediseño de esta unidad me dio la primera oportunidad de trabajar con modelos en 3D, utilizando software específico para esta función, al mismo tiempo que las bases de diseño en contexto, esto es, el diseño de componentes y sistemas, teniendo como referencia el entorno que los rodea, es muy importante recordar que los modelos y sistemas están en un proceso de mejora, por lo que la comunicación con el equipo y la actualización constante de los sistemas que rodean al nuestro es prioritaria. Plásticos exteriores. En la industria carrocera se busca que los Ingenieros de producto desarrollen varios diseños para la misma unidad al mismo tiempo, esto obedece a dos razones principalmente, la cantidad de ingenieros disponibles y el corto tiempo para el desarrollo por unidad. Es importante resaltar que el detalle en el diseño entre ambas empresas (carrocera y automotriz) no es comparable, una de las causas principales es que las variaciones por manufactura en plásticos para la industria automotriz tienen permitidas variaciones de apenas milímetros, mientras que en la carrocera las variaciones pueden ser de centímetros en partes metálicas. El primer diseño que generé fue el plástico trasero de la unidad, es decir; la máscara que cubre la parte trasera exterior del vehículo, cabe mencionar que se había adquirido con un despacho de diseño, pero por retrasos en sus entregas, se optó por desarrollarlo en casa, debo admitir que cuando me entregaron esta tarea me tomó por sorpresa, no tenía experiencia en el diseño con superficies o con plásticos, sin embargo, con la ayuda de mi mentor, desarrollé el modelo en 3D del plástico, este modelo se utilizó a nivel prototipos y productivo, después de aprobarlo, me pidieron desarrollar el medallón del mismo plástico, la tapa del motor ubicada también en la parte trasera entre otros. Figura 2: Vista trasera del MAN LE/CATOSA unidad a gas, obtenida de: http://movilbus.blogspot.mx/2012/03/expo-‐foro-‐canapat-‐2012-‐man.html 4 CAPITULO II INDUSTRIA AUTOMOTRIZ Poco después de un año en la industria carrocera, se presentó una oportunidad, que se ha convertido en uno de los desafíos más demandantes y gratificantes en mi vida profesional, debo admitir que al principio no pude entender el mundo de posibilidades, responsabilidades y retos que te ofrece la industria automotriz, es una cantidad impresionante de trabajo en equipo, las cantidad de áreas que interactúan para conseguir que un diseño que nace de un bosquejo en papel se materialice y puedas ir a una concesionaria para adquirirlo, darte cuenta que todo el trabajo del día a día es en realidad una parte pequeña dentro del sistema. Llegué a laborar como ingeniero de diseño en una empresa que se dedica a proporcionar soluciones de ingenieríaen la industria automotriz. Me desempeño en interiores, de forma específica en el área de puertas, como expresé al principio, una pequeña parte del sistema, pero como todas las demás llena de retos, el primero fue ser miembro del equipo que desarrolló una camioneta de mediano tamaño que saldría a la venta en 2015. Este programa me dio la oportunidad de conocer el proceso de diseño, el presente es un resumen del proceso de diseño de un sistema en interiores, como antes mencioné, como ingeniero de diseño participé en el desarrollo del compartimiento de la puerta trasera (Map Pocket) de la versión extended de la camioneta. 5 Entrenamiento El trabajo de diseño en la industria automotriz es altamente especializado, por lo cual la capacitación de su personal es importante, por esta razón el primer paso, es proveer los cursos básicos necesarios, dentro de los que sobresalen por su importancia, los de modelado y creación de superficies en software de diseño 3D especializado, la administración de la información creada en el software mediante el uso de tecnologías PLM (software para la administración del ciclo de vida del producto), así como un curso de manufactura de plásticos. • Unigraphics NX ® El software de diseño utilizado es Unigraphics NX®, que permite entre otras funciones: crear superficies, componentes, ensambles, comprobar claros entre componentes, checar interferencias, hacer cortes o secciones en puntos y direcciones específicas, verificar el ángulo de desmolde del componente, y por tanto la línea de división entre corazón y cavidad del molde, el ensamble virtual de toda la unidad, cuenta también con módulos especializados como son: GD&T (Dimensionamiento geométrico y tolerancias), NASTRAN (análisis estructurales), entre otros. El modelado de componentes requiere habilidades específicas, la causa principal es que el diseño nace en superficies complejas, que evolucionan a lo largo de todo el programa, por esta razón se busca construir los modelos en 3D, que puedan ser editados continuamente, pues entre mayor sea esta característica, menor será la cantidad de problemas en la tarea de modificarlos, buscando mejoras de diseño, sobre todo en la etapa de lanzamiento. • Team Center® Como se mencionó al principio, el trabajo en equipo es fundamental, esto se complica por la cantidad de sistemas alrededor del nuestro, la ubicación geográfica de los dueños de los sistemas, el hecho de que cada sistema empieza a desarrollase en un momento específico del ciclo de vida del vehículo, la exigencia de trabajar con la última versión disponible de las piezas, ensambles, estudios, superficie de los creativos, etc., por otro lado también se requiere llevar un registro en el tiempo del desarrollo y evolución vehículo, esto es importante, pues permite relacionar y generar puntos de control entre las etapas del diseño, por estas razones, es indispensable contar con un sistema PLM que pueda entrelazar toda esta información, que genere los puntos de control y que permita una comunicación entre todos los sistemas. Dicha tarea es asignada al software Team Center®. 6 • Manufactura en plásticos La fabricación de la mayoría de los componentes plásticos en la industria automotriz se desarrolla por medio del moldeo por inyección a alta presión, que tiene como ventajas principales, que la pieza tienen el acabado final prácticamente al salir del molde, la capacidad de cubrir altos volúmenes de producción, la capacidad de formar geometrías complejas y muy caprichosas, entre otros. Moldeo por inyección a alta presión. Figura 3: Maquina inyectora horizontal/hidráulica, obtenida de: http://www.directindustry.es/prod/negri-‐bossi/maquinas-‐inyeccion-‐horizontales-‐hidraulicas-‐20430-‐ 964835.html El moldeo por inyección a alta presión es un proceso con el que se calienta el polímero hasta que alcanza un estado plástico y se le fuerza a que fluya a alta presión hacía la cavidad de un molde donde se solidifica. Entonces la pieza se retira de la cavidad. El molde puede contener más de una cavidad lo que permite la manufactura de varias piezas en un solo ciclo de trabajo. Los componentes principales de una máquina de molde por inyección son: • Unidad de inyección. • Unidad de abrazaderas. 7 Figura 4: Diagrama de una máquina de moldeo por inyección. Imagen obtenida del libro: “Fundamentos de Manufactura moderna” Unidad de Inyección. Consta de un barril al que se alimenta por una tolva, dentro del barril hay un tornillo conectado a un motor, cuya función es; mezclar, calentar y empuja a alta presión el plástico fundido para inyectarlo en el molde. Unidad de sujeción. Se relaciona con la operación del molde. Sus funciones son: • Mantener las dos mitades del molde, alineadas en forma correcta una con otra. • Mantener cerrado el molde durante la inyección, por medio de la aplicación una fuerza capaz de resistir la fuerza de la inyección. • Abrir y cerrar el molde en los momentos apropiados. Ciclo de moldeo por inyección. El ciclo para el moldeo por inyección procede en la siguiente secuencia, como se ilustra en la figura anterior.La acción comienza con el molde abierto y la máquina lista para comenzar un nuevo moldeo: 1) El molde se cierra. 2) Se inyecta plástico fundido a alta presión hacia la cavidad del molde, el cual se ha puesto a la temperatura y viscosidad correctas por medio de calor y trabajo mecánico del tornillo. 3) El plástico se enfría y comienza a solidificarse cuando se encuentra con la superficie fría del molde. Se mantiene la presión del flujo con el fin de comprimir más fundido en la cavidad para compensar la contracción durante el enfriamiento. Entre tanto, el polímero en el molde se ha solidificado por completo. 8 4) El molde se abre, y la pieza se expulsa y retira. Figura 5: Esquema de un molde cerrado y abierto. Imagen obtenida del libro: “Fundamentos de Manufactura moderna” Componentes principales del molde de inyección a alta presión. Como es posible apreciar en la imagen anterior el interior del molde consta de varios componentes: Cavidad: Es la placa fija del molde, tiene como función principal dar acabado final a la pieza, e inyectar el plástico al molde. Boquilla: Es el punto donde se inyecta el plástico fundido al molde cerrado. Corazón: Es la cara B de la pieza y tiene en su interior las líneas de enfriamiento, los pines botadores y aloja las acciones que requiera la pieza. Líneas de enfriamiento: El molde está en constante enfriamiento, pues se busca el balance entre estabilidad en el proceso y volumen de piezas manufacturadas, si se enfría muy rápido el molde se corre el riesgo de no llenarlo por completo y si no lo hace de forma adecuada podemos tener piezas deformes, por lo tanto no cumplirían los requerimientos dimensionales, eso genera a su vez problemas graves de apariencia y de ensamble. Las líneas de enfriamiento se colocan buscando enfriar de forma uniforme el molde, algunos factores que afectan su ubicación son: cambios de espesor en la pieza (no recomendado pero a veces requerido), acciones en cara B, entre otros. 9 Pines botadores: Los plásticos tiene un factor de contracción, eso quiere decir que al enfriarse reducirán sus dimensiones finales, por la forma del molde la pieza se ajustará al corazón, haciendo que sea complicado retirarla, para facilitar la expulsión se recomienda diseñar con ángulos de desmolde generosos, en la medida de lo posible, las cavidades. También se utilizan mecanismos que la expulsan, llamados botadores, lo cuales impulsan la pieza fuera del corazón al momento de la apertura del molde. • Defectos en el moldeo por inyección El moldeo por inyección es un proceso complicado, y son muchas las cosas que pueden salir mal. A continuación se mencionan defectos comunes de las piezas moldeadas por inyección: Disparos cortos: un disparo corto es cuando el plástico se solidifica antes de que la cavidad se llene por completo. El defecto se corrige si se incrementa la temperatura y/o la presión. El defecto también surge por el uso de una máquina con capacidad de disparo insuficiente, caso en el que es necesario un aparato más grande. Rebabas: Ocurren cuando el polímero fundido se escurre por la superficie de separación, entre las placas del molde; también sucede alrededor de los pasadores de inyección. Por lo general, el defecto lo ocasionan: 1) conductos y claros demasiado grandes en el molde. 2) presión de inyección demasiado alta en comparación con la fuerza de sujeción. 3) temperatura de fusión demasiado elevada. 4) tamaño excesivo del disparo. Marcas de hundimiento y vacíos: Éstos son defectos que por lo general se relacionan con secciones moldeadas gruesas. Una marca de hundimiento ocurre cuando la superficie exterior del molde se solidifica, pero la contracción del material del interior hace que la capa se reduzca por debajo del perfil que se planeaba. Un vacío es ocasionado por el mismo fenómeno básico; sin embargo, el material de la superficie conserva su forma y la contracción se manifiesta como un vacío interno debido a fuerzas de tensión grandes sobre el polímero que aún está fundido. Dichos defectos se eliminan con el incremento de la presión de compactación posterior a la inyección. Una mejor solución consiste en diseñar la pieza para tener espesor uniforme de la sección, y utilizar secciones más delgadas. Líneas de soldadura: Las líneas de soldadura ocurren cuando el polímero fundido fluye alrededor de un núcleo o de otra boquilla de inyección en la cavidad del molde, y se encuentran desde direcciones opuestas; la frontera así formada se denomina línea de soldadura, suelen ser visibles y tienen propiedades mecánicas inferiores a las del resto de la pieza. Las formas de eliminar el defecto son: temperaturas de fundición más altas, mayor presión de inyección, modificar las ubicaciones de las boquillas de las piezas. Éste es un defecto común en piezas 10 grandes, para tener una idea clara de donde se encontraría, se echa mano de software especializado, que tiene la capacidad de simular el flujo del plástico y la forma en la que se enfriará en elmolde, con esta información se experimenta buscando que el llenado del molde sea homogéneo, con lo cual se evitará que dichas líneas no sean tan visibles, así como el evitar encontrarlas en lugares en las que puedan ser dañinas durante las pruebas de validación. • Diseño de la cara B Como se mencionó al principio, la cara B tiene una gran cantidad de componentes, tanto estructurales como de sujeción, pero al colocarlos se debe tener cuidado de cumplir con los requerimientos para evitar que marquen la cara A de la pieza, con marcas de hundimiento o rechupes, problemas de llenado del molde, cambios de brillo en la superficie, dificultad para expulsar la pieza del molde, entre otros. Espesor. Partiendo de la regla básica del diseño de componentes plásticos, éstos deben tener espesor constante, lo cual no es siempre posible, pero debe procurarse cumplirlo. En caso contrario, se busca hacer incrementos de espesor locales, que aunque sólo pueden incrementar un pequeño porcentaje del espesor, deben cumplir con algunas reglas, siendo algunas, que deben estar provistos de una zona de transición, y cumplir una distancia mínima entre éstas, en caso de necesitar más de una, con esto se busca evitar cambios de brillo que son visibles en la cara A. Ribs. Uno de los principales elementos usados para reforzar el componente son costillas también conocidas como Ribs. Aunque se utilizan con mucha frecuencia, existen reglas que se deben cumplir, pues por ejemplo, si no se cuida el espesor en la base se corre el riesgo de que se presenten hundimientos que son visibles en cara A. Por esta razón, el ancho en la base es un porcentaje del espesor del componente, su altura máxima está definida por el ancho en la punta, que varía dependiendo del ángulo de desmolde utilizado (usualmente se utiliza el ángulo de desmolde mínimo permitido por el proveedor del herramental). Figura 6: Defectos ocasionados por ribs 11 • Métodos de unión entre componentes Existen varias opciones para ensamblar los componentes, pero las más utilizadas son: por medio de soldadura, tornillos, clips y por medio de ajuste a presión. Soldadura. El método más común de unión entre componentes es el uso de uniones soldadas, como se muestra en la siguiente figura, el proceso consiste en moldear en la pieza azul un popote que sobresalga a través del hueco en el componente rojo, una vez ensamblados se aplica calor para deformar la pieza azul, formando un hongo similar a los de los remaches. Se debe recordar que este popote se forma en la cara B, pero igual que en los Ribs tiene el riesgo de marcar en la cara “A”, por esta razón es importante considerar el espesor de la base del popote. Y en la pieza roja se requiere un espacio libre y sobre el plano de desmolde para asegurar la correcta unión entre compontes. Figura 7: Método de unión por soldadura entre componentes plásticos, obtenida de: http://www.emersonindustrial.com/en-‐US/documentcenter/BransonUltrasonics/Plastic%20Joining/Non-‐ Ultrasonics/Thermal%20Staking%20Design%20Guide%20pgs.pdf Soportes para tornillos. Estos soportes también requieren cuidado por razones similares a las anteriores, es importante considerar el tamaño del tornillo, tanto el largo como el diámetro, y si son pasados o no, pues si no lo son, deben tener espacio en el fondo donde se acumulará la rebaba producida por el giro del tornillo, pues por la forma del molde es imposible moldear la cuerda en el soporte. 12 Imagen 8: Ejemplos de diseños de soportes para tornillos. Clips. Dependiendo la aplicación se cuenta con diversos tipos de Clips que buscan satisfacer las necesidades tanto de ensamble, como las cargas que deben soportar, la aplicación específica por tanto determina el tipo de Clip a utilizar así como el diseño específico en los componentes involucrados en el ensamble. Figura 9: Ejemplo de diseños de soportes para clips plásticos, obtenida de la página: http://www.emhart.eu/wAssets/Downloads/Documents/Brochures_Leaflets_Flyers/Tucker/Plastic-‐ Fasteners-‐EN.pdf Ajuste a presión (Snap Fit). La unión de dos componentes por este método, se basa, en el principio de deformación elástica, esto es; uno funcionará como un gancho sobre una viga en cantiléver que se deformará hasta llegar a su posición final, al hacerlo recuperará su forma y se enganchará al otro componente, evitando que se separen, ver la siguiente figura. 13 Figura 10: Snap Fits. En la primera se puede apreciar el Snap, En la segunda dos componentes conectada por el método de Snap Fit. • Acciones Como se explicó previamente, el molde se divide en dos partes principales, corazón y cavidad, el corazón se desplaza para expulsar el componente, la dirección en que se desplaza se conoce como vector de desmolde, las piezas se diseñan considerando este vector, es posible determinar donde se unirán el corazón con la cavidad, esa línea se conoce como línea de unión. Algunos componentes (de sujeción sobre todo) requieren desmoldearse en dirección perpendicular a la del vector de desmolde, para estos casos se tiene la opción de utilizar acciones. Las acciones son bloquesde metal que se insertan en el corazón, y que se expulsan al desplazarlo, para colocar acciones en la cara B, se deben considerar las dimensiones de la acción y el recorrido necesario para salir del molde, pues si no se cumple esta distancia, la acción no puede ser ejecutada. • Diseño de interiores En la siguiente imagen es posible apreciar algunos de los sistemas que se encuentra dentro del vehículo, entre ellos, el panel de puerta, que es el sistema en el que se basa el desarrollo del presente. También se pueden apreciar algunos de los componentes con los que se tiene una interacción directa y que se deben considerar a lo largo del desarrollo del diseño, como son los asientos, el tablero y los pilares. 14 Figura 11: Sistemas interiores del vehículo, obtenida de: http://www.interempresas.net/Plastico/Articulos/103477-‐Fabricacion-‐de-‐piezas-‐para-‐el-‐interior-‐del-‐ automovil.html La función principal del ingeniero de diseño es hacer posible el ensamble entre componentes de la misma puerta y sistemas alrededor, para este fin partimos de una superficie que será la cara visible al cliente final, la cual deberá cumplir con requerimientos de apariencia, tanto del mismo componente, como de los que se encuentran junto a éste. Iniciemos considerando algunos términos indispensables Gap. Cuando ensamblas dos o más componentes se presenta una separación entre ellos, dicha separación se conoce como gap, dependiendo de la interface de que se trate, se elige la separación entre ellos, con el fin de mejorar la apariencia de la puerta y dependiendo del acabado de los componentes. Flush. Se refiere a la alineación entre componentes, si están al mismo nivel se dice que se encuentran Flush. De lo contrario se dice que uno está Sub-‐Flush respecto al otro u Over-‐Flush, si es el caso. 15 Figura 12: Gap y Flush Door Trim (Panel de puerta) Para diseñar un componente es necesario saber las funciones que va a desempeñar, el material del cual se producirá, el proceso de manufactura con el que se fabricará, así como su acabado final, también es necesario conocer el nombre que se les da en la industria automotriz a los componentes. En la imagen siguiente es posible apreciar los componentes principales de una puerta típica, así como la forma en que serán nombrados a lo largo del presente trabajo. Figura 13: Componentes de un panel de puerta, obtenida de: http://www.interempresas.net/Plastico/Articulos/103477-‐Fabricacion-‐de-‐piezas-‐para-‐el-‐interior-‐del-‐ automovil.html 16 Componentes Principales. Upper. La parte superior de la puerta, en algunos casos es parte del Carrier (normalmente cuando es pintado o moldeado en color) como en nuestro caso, en otras es un componente separado, que puede ser forrado para aumentar la comodidad, el tipo de forro cambia para diferenciar nichos de mercado. Normalmente provee soporte al Handle y al Belt Bracket. Uno de los retos que presenta es controlar el Gap contra otros sistemas plásticos en el pilar de la puerta. Belt Bracket. Justo detrás del Upper, en su parte más alta es posible encontrarlo, es uno de los componentes que no se aprecian al abrir la puerta de un vehículo, sin embargo, es uno de los responsables de dar soporte al panel plástico, pues lo fija contra la parte metálica de la puerta en todo lo largo de ésta, debe mantener un Gap constante contra el vidrio, así como conservar una distancia constante contra el sello, esta distancia es particularmente sensible a cambios, pues es indispensable para asegurar el ensamble de la puerta con el metal. Handle. La manija y el seguro están conectados mecánicamente por medio de varillas, así, al jalar la manija se libera el seguro y se abre la puerta, este sistema es diseñado por completo por el grupo encargado de los sistemas de cierre, por lo tanto no lo diseñamos en interiores, pero tenemos la responsabilidad de integrarlo en el sistema de la puerta, checar espacios, proveer soporte, asegurar que el mecanismo funcione libremente, otro caso similar, aunque no se ve en la imagen, es el vidrio de la puerta, pues se tiene que tener en cuenta el motor, los rieles y todos los componentes necesarios para su operación. Bolster. Debajo del Upper se encuentra el Bolster, es la superficie vertical que da soporte al brazo, en las versiones básicas de la puerta, el Bolster es duro aunque también puede ser forrado para aumentar la comodidad, es posible elegir diversos tipos de material para forrarlo, dependiendo del nicho de mercado al que se enfoque el vehículo. Armrest. Descansa brazos, como su nombre lo indica su función es dar soporte horizontal al brazo, por esta razón debe cumplir requerimientos tales como: dimensiones mínimas; largo, ancho y altura respecto a la posición de la cadera de los usuarios, ángulo de inclinación, pues para desmoldar se requiere cumplir con el ángulo de desmolde, pero si éste es muy grande, el brazo tenderá a resbalarse, además debe 17 dar soporte al Pull Cup, al Decorative Trim y al Switch Plate en nuestro caso, a nivel estructural es responsablede proteger las costillas en impactos laterales, debido a que su localización natural se sitúa la altura de éstas, por ser un componente de confort, se busca que sea suave, y dependiendo del nivel de equipamiento del vehículo, se elige el proceso tanto de forrado como el tipo de relleno que tendrá. Arrow Head. En las puertas frontales existe en una de sus partes, una que tiene interacción directa con el tablero del vehículo, la cual se conoce como Arrow Head, puede ser parte del Upper o del Carrier, para esta zona es importante el considerar un Gap adecuado, con la finalidad de asegurar el cierre de la puerta, así como mantener la imagen del vehículo. Switch Plate. Colocado en el Armrest se encuentra el Switch Plate, su función es soportar los controles de los vidrios, seguros, en algunos casos los espejos laterales, etc., asegurar que los botones funcionen y no se atoren, además encontrar un medio de sujeción seguro contra el Armrest. Pull Cup. En la zona del Armrest suele colocarse el Pull Cup, básicamente es una depresión localizada con dimensiones mínimas que hacen referencia al tamaño de la mano de los seres humanos, su función es jalar la puerta para cerrarla. Para el caso de la camioneta, se encuentran juntos el Switch Plate y Pull Cup, ambos fijos al Armrest. Decorative Trim. Como su nombre lo indica es un adorno en la puerta, éste se puede cambiar dependiendo de la imagen que se le quiera dar, en algunos casos se puede hacer parte de un kit, para cambiar la apariencia interior del vehículo, esto hace que tenga diversos tipos de acabado, lo cual hace más complicada la construcción, pues no todos los acabados tienen los mismos requisitos de manufactura. Map Pocket. Es el bolso plástico que está integrado a la puerta, el tamaño está determinado por un estudio que se realiza previamente, normalmente se pide que aloje una botella de agua, un atlas, en algunos casos tiene espacio para una sombrilla, etc., todo depende de las especificaciones aprobadas por el programa. Speaker Grille. El Speaker Grille, puede ser moldeado en el Carrier, como lo es para el presente caso, o una pieza aparte que puede ser una rejilla metálica, o un componente plástico, dependiendo del nivel de equipamiento del vehículo se elige el espaciado 18 entre los huecos y la forma en que se verán, pues los que no están en la bocina son sólo de apariencia. Carrier. El Carrier es el sistema que integra y da soporte a la mayoría de los componentes de la puerta, además de proveer los soportes de los Clips que hace posible el fijar el panel de la puerta contra el metal, esto es un reto interesante pues se requiere mucho contacto con los ingenieros encargados del diseño de los metales de las puertas, por lo que generar acuerdos para encontrar la mejor posición de los puntos de sujeción es una tarea cotidiana, otra función importante del Carrier es la de sellar la puerta, de lo contrario no se puede asegurar el cierre adecuado de ésta, por lo que podrían apreciarse discontinuidades o huecos entre Carrier y el metal. 19 CAPITULO III PROYECTO: CAMIONETA DE TAMAÑO MEDIANO MODELO 2015 Después de algunos años sin trabajar mucho en la imagen de las camionetas de tamaño mediano, se toma el reto de re inventar la plataforma, con la finalidad de proyectar una imagen nueva, ampliando la gama de opciones, rediseñando por completo el concepto y desarrollando el diseño en México, convirtiéndola en más que un vehículo de trabajo. En la siguiente imagen se puede apreciar el diseño interior de un vehículo del mismo nicho de mercado, desarrollado para dos modelos consecutivos, a fin de comprar los niveles de equipamiento. Colorado 2014 Figura 14: Interior de la camioneta Colorado 2014, obtenida de: http://www.chevrolet.com.mx/colorado-‐camioneta-‐pickup-‐mediana/fotos-‐interior.html Colorado 2015 Figura 15: Interior de la camioneta Colorado 2015, obtenida de: http://www.chevrolet.com/2015-‐colorado-‐small-‐truck.html La camioneta se presenta con dos configuraciones de cabina, extended y crew, lo que implica el diseño de dos tipos de puerta trasera así como la implementación de tres niveles de comodidad, buscando con esto ingresar al mercado juvenil y de aventura. Un ejemplo de esto en la puerta es, la incorporación del speaker grille preparado para sonido de alta fidelidad, las opciones de acabado con las que cuentan los Decorative Trims, el Bolster que dependiendo la versión puede ser duro o suave, el Armrest que aunque es suave en todas sus versiones, se cambia el tipo de forro y la gama de colores disponibles. 20 Colorado 2015 cabina extended Figura 16, Camioneta colorado crew 2015, obtenida de: http://www.autoguide.com/auto-‐news/2013/11/2015-‐chevy-‐colorado-‐outfitted-‐with-‐beach-‐gear-‐for-‐la.html Colorado 2015 cabina crew Figura 17: Camioneta colorado extended 2015, obtenidas de: http://es.chevrolet.com/2015-‐colorado-‐small-‐truck.html Desarrollo de la puerta El desarrollo de una nueva unidad o la actualización de la misma, requiere el trabajo en equipo de muchas áreas en conjunto, losprimeros en trabajar son los mercadologos, encargados de ubicar una necesidad, así como uno o varios nichos de mercado dentro de los cuales se desarrollará el vehículo, y en nuestro caso, el rediseño e incursión en nuevos mercados. Con esto en mente, los creativos tienen la nada fácil tarea de cubrir las expectativas de nuestros clientes potenciales, lo primero que ellos desarrollarán serán los bosquejos que darán vida a la unidad. Así el primer paso es decidir cómo se verá por fuera y por dentro el vehículo. 21 Figura 18: Bosquejo de una camioneta de tamaño mediano, obtenida de: http://news.pickuptrucks.com/2013/10/2015-‐chevrolet-‐colorado-‐should-‐debut-‐soon.html En ese punto empieza nuestro trabajo de diseño, es importante resaltar que aún no se está diseñando, pues sólo se cuenta con las dimensiones generales de la puerta, el nicho de mercado y por tanto tus competidores directos, con esta información se hace una primera aproximación del costo de cada componente, considerando opciones de acabados que podría tener, en función sobre todo de un estudio de mercado que te indica que espera el cliente de un nicho de mercado específico. Dicha información es el punto de partida para definir costos, la masa y procesos que tendrán los componentes, estas tareas son responsabilidad del primer Ingeniero asignado al programa, quien a su vez es el primero de los líderes del programa, el ingeniero de lanzamiento, él también será el encargado de reconciliar costos con proveedor, así como entregar la puerta aprobada en vehículos vendibles. De forma paralela a lo anterior, los creativos generan las primeras superficies, primero del exterior del vehículo, así que los primeros ingenieros en tener con que trabajar son los que se encargan de los diseño de los metales, ellos son los primeros en desarrollar ingeniería, así como la definición de la posición del motor de los vidrios, la posición del Handle, y por tanto de todo el mecanismo de apertura de la puerta, entre otros. Con la retroalimentación que obtienen los creativos de esta área y con la ayuda de un área especializada en puertas que se dedica a dar una primera aproximación a las dimensiones mínimas que deben cumplir los creativos para hacer factible la manufactura, se desarrolla la primer superficie que tendremos de la puerta, ésta evolucionará con el tiempo. Así mientras los creativos buscan darle una imagen específica, es decir; una identidad a nuestra unidad, los ingenieros empezamos a evaluar el costo y la factibilidad general de producirla. En este punto se requiere el trabajo en equipo de los dos líderes de programa, el Ingeniero de lanzamiento y el líder técnico, quien será el responsable de la integración de la puerta con todos los sistemas vecinos, por lo tanto asigna los 22 componentes al equipo, busca acuerdos con creativos y sistemas vecinos, verifica el diseño en general, entre otras. Una vez que son aprobados los costos, masas (pesos de los componentes y de la puerta en conjunto) y procesos, después de que contamos con la primer superficie de la puerta, el líder técnico asigna el trabajo a los ingenieros de diseño, que somos la mayoría de los integrantes del equipo, para trabajar con la superficie de los creativos, tenemos que considerar que el diseño del metal de la puerta ya tiene un avance importante, que la posición de los asientos está ya definida, así como la de los dummys que representan a los ocupantes del vehículo, es decir; las zonas que no debemos invadir, por ejemplo la altura del Armrest. DFMEA Una vez que es definido el grupo de trabajo, y el o los componentes a desarrollar por cada uno de los ingenieros asignados al equipo, cada uno de ellos es responsable de llevar el o los componentes desde secciones hasta mandar modelo 3D productivo al proveedor del herramental, así que una vez que te asignan un componente, empiezas por investigar los requerimientos que debe cumplir, los problemas en programas anteriores, los posibles modos de falla, la forma en que impactarán al cliente, la severidad (el grado de cumplimiento en los requerimientos de los clientes, internos y externos) y por tanto la prioridad y riesgo de cada uno de ellos, con lo cual se definen los mecanismos que para evitarlos, toda esta información es la que alimenta el DFMEA (Análisis de modos y efectos de falla en el diseño, por sus siglas en inglés). El DFMEA es un documento vivo (seguirá evolucionando a lo largo del programa a fin de tener un registro de los mecanismos y las soluciones a cada área de oportunidad encontrada), que empieza a formarse desde que te asignan un componente, y se desarrolla con la retroalimentación que te da el desarrollo del mismo. Secciones Como comentamos al principio, lo primero que se debe hacer es evaluar la superficie que entregaron los creativos, con respecto a los componentes que están casi definidos, como el metal, vidrios, asientos, mecanismos de apertura tanto de la puerta, como del vidrio, este estudio genera las primeras secciones, en las que se busca entregar a los creativos las modificaciones a su superficie, para cumplir con losrequisitos de empaquetamiento (que varían dependiendo del acabado especifico del componente, por ejemplo, si se tiene una pieza pintada el espacio requerido es menor al de una con forro, y dependiendo del tipo de forro también se modifica dicho requerimiento, la forma de la superficie también puede cambiar las necesidades), por esta razón es muy importante tener todos los elementos o la mayoría de ellos en la sección, siempre y cuando se relacionen con lo que se quiere mostrar, de lo contrario sólo se convierten en distracciones a la información que realmente queremos mostrar. Con el tiempo, la superficie de los creativos evoluciona, así como los demás componentes alrededor del nuestro, en ocasiones también pueden cambiar detalles específicos, para mejorar la apariencia de la puerta, que suelen requerir 23 los creativos, estos cambios deberán ser aprobados por el programa, pero todos éstos hacen que las secciones evolucionen hasta llegar a un acuerdo con los creativos, los ingenieros encargados del metal, los eléctricos, y todos los componentes alrededor de nuestra puerta, para presentar la mejor opción de ensamble, de acabado, costos y cumplir con todos los requerimientos, este acuerdo tiene una fecha específica de entrega, que no debe recorrerse, ésta es nuestra primera fecha de entrega. Para poder cumplir con la fecha y con los requerimientos mínimos se deben definir varias cuestiones entre las que sobresalen las siguientes: • División de la puerta Ya tenemos la primer superficie que aún está en proceso, pero a pesar de tenerla, aún no se ha definido de donde a donde se puede considerar cada elemento de ésta, por lo tanto, no estamos seguros de las dimensiones de cada componente, no sabemos por ejemplo, en qué punto terminará el Upper y empezará el Carrier, ni siquiera estamos seguros que serán dos componentes, pues dependiendo del acabado específico, los materiales a utilizar, así como los recursos financieros disponibles, algunos componentes pueden ser absorbidos por otros, hay casos en los que tanto Upper como Arrow Head y el Speaker son parte del Carrier, esto representa un ahorro importante, pues en lugar de tener cuatro herramentales se usa sólo uno, por lo que lo primero, será proponer la división de la puerta. Figura 19: Interior de un vehículo, obtenida de: http://mediaservice.audi.com/media/live/50700/yb/8x1be4-‐ 1/2011/56+fk/appgs1/eih5mb/eil7m3/him6nj/lra2pv/lum7ha/mas6e3/nav7q0/sag7f9/sibn2t/vosq1d/ws s4gh.jpg 24 • Elección de materiales Ahora tenemos una idea de que componentes tendrá la puerta, el tamaño y la forma de éstos, el material que debe tener cada componente depende de su función específica, tenemos por ejemplo; algunos componentes que soportan a otros, o que tienen funciones estructurales, otros sólo son decorativos, por lo tanto no se espera que soporten grandes esfuerzos, otra variante a considerar, es el acabado del componente, pues algunos materiales no se puede pintar, también deben considerarse, los componentes adyacentes, pues algunos al estar en contacto, producen ruidos. Para determinar el material adecuado, contamos con un árbol de decisión por componente, que ofrece una guía práctica de materiales usados previamente y probados, lo que aumenta la certeza en su uso. • Secuencia de ensamble Con la información previa, definimos la estrategia de ensamble del subsistema puerta, algunos de los puntos más importantes a considerar son el costo, la masa, la factibilidad de la producción de la pieza, esto ayuda a determinar el orden en que los componentes se colocarán para ensamblarse, en ocasiones se echa mano de sub ensambles, pero esto depende del caso en particular. La secuencia de ensamble es entonces clave para determinar la forma de ensamble entre componentes, entenderla es de vital importancia, pues si no es así, se corre el riesgo de tener componentes que no puedan ensamblarse, en algunos casos y dependiendo la zona podrían impedir el ensamble de la puerta, sobre todo cuando se afecta la posición de los soportes de los Clips, pues éstos se moldean con acciones. Recordemos que la secuencia es una de las bases principales de las secciones, por lo tanto nos indica qué tipo de unión es posible utilizar en cada componente, y verificar así que se cuente con el espacio necesario para realizarlo, evitando interferencias con los sistemas alrededor. • Manufactura Como anteriormente se mencionó, los plásticos para industria automotriz se fabrican por medio del proceso de inyección a alta presión. Por eso es importante conocer el proceso y las necesidades específicas de diseño, los componentes tienen dos caras, una será visible al el cliente (cara A) y la otra tiene la función de dar estructura y proveer soporte entre componentes (cara B), sin embargo, esta cara requiere mucho trabajo y cuidado, pues debe dar estructura al componente, soporte a otro, proveer estrategia de localización, por lo que se debe ser cuidadoso, pues los errores de diseño en ésta, se marcarán en la cara A, lo que 25 disminuye la calidad del vehículo, y se reflejará en altos costospor re trabajo en el molde. • Apariencia La apariencia de la clase A depende de los requisitos específicos del segmento del mercado al que esté dirigido, y el nivel de equipamiento del mismo, en algunos casos se deja el componente con el color que sale del molde (solicitado previamente), en algunos otros se pinta, en cualquiera de los anteriores el molde debe tener el texturizado final del componente, éste es conocido como “grano”, por lo tanto dependiendo de la profundidad y tipo de grano elegido se requiere un ángulo específico para desmoldar el herramental, otra opción es forrar el componente, usualmente cuando se forra se agrega un relleno entre el componente y el forro para proveer una superficie suave, un ejemplo muy común es el que se encuentra en el Armrest, ahora bien, existen varios procesos para forrar y colocar este material suave, dependiendo del elegido se tienen que considerar espacios, en algunos procesos de forrado se necesita también un ángulo mínimo para desmoldar los componentes y mantener el grano especificado. Esto debido a que el forrado puede realizarse de manera manual, o se pueden forrar dentro del mismo proceso de moldeado. • GD&T Otro factor importante a cumplir, dentro de los requisitos de apariencia se refiere a la armonía en el ensamble, por ejemplo; si debe haber un Gap, un Flush o Sub-‐ Flush entre componentes, esta condición deberá ser constante y uniforme a lo largo de toda la interface, además deberá ser acordada con los creativos para asegurar que el vehículo cumpla con los requisitos de apariencia y armonía buscados, para cumplir con los requisitos, se echa mando de las herramientas del GD&T (Dimensionado geométrico y tolerancias), éstos se acuerdan con el proveedor de las partes, y se plasman en las secciones, y deben ser consideradas al momento de hacer los modelos matemáticos, pues ellos tienen que contar con los mecanismos que aseguren su cumplimiento, para esta parte contamos con el apoyo de nuestro grupo de dimensional. • Desempeño estructural Los componentes tienen funciones específicas que cumplir, por ejemplo el Map Pocket debe ser capaz de almacenar cierto número y tipo de objetos, como botellas, cuadernos, mapas, etc., que están definidos al principio del programa, otro ejemplo es el Armrest que tiene la función de soportar el brazo, pero para 26 poder cumplir deben considerarse requisitos de ergonomía, que controlan desde su altura, ancho y largo mínimo necesarios, así como dar soporte al dedo y al Switch Plate. Esto, sin olvidar los requisitos estructurales, porque se encuentra en una zona en donde podría causar daños al operador, por eso una de sus funciones es la de absorber energía en impactos laterales, buscando proteger la zona de las costillas del ocupante. En conclusión, las secciones son la forma de ponernos de acuerdo creativos e ingenieros, para producir un vehículo con la estética requerida, manufacturable, ergonómico, con los acabados requeridos, que cumpla los requisitos de GD&T y que además sea seguro en caso de accidentes, y que cumpla con los objetivos del negocio. Modelo 3D temprano En este punto, aun trabajamos para ponernos de acuerdo en cumplir los requerimientos principales del diseño de la puerta, buscamos encontrar el punto de equilibrio, entre requerimientos de empaquetamiento y apariencia con los sistemas alrededor de la puerta, con esta información que aún es preliminar y por tanto seguirá evolucionando, empezamos a desarrollar el modelo matemático temprano, el diseño de éste se basa en la información mostrada en las secciones. La superficie de la que partimos para el primer modelo aún está en proceso, sin embargo, es una buena referencia que nos ayudará a entender el proceso y algunos detalles, que es probable que no sean notorios si sólo se realizan secciones en 2D. Con ellos también es posible empezar a desarrollar estudios específicos, como los de ensamble, que consisten en simulaciones en 3D del desplazamiento de los componentes, en el caso del Map Pocket ayuda a comprobar que el espacio que solicitamos previamente es suficiente para empaquetar todo lo necesario. Figura 20: Modelo en 3D de un panel de puerta, obtenida de: http://www.interempresas.net/Plastico/Articulos/103477-‐Fabricacion-‐de-‐piezas-‐para-‐el-‐interior-‐del-‐ automovil.html 27 Primera iteración de CAE Para estar seguros que nuestra puerta, así como los componentes que están en ella soportarán las exigencias de la vida diaria, se entrega el modelo matemático temprano al grupo de simulación (CAE), que cuenta con software especializado, que permite hacer un primer acercamiento del comportamiento estructural de la puerta y sus componentes en condiciones de uso y abuso, así como condiciones climáticas extremas, por esta razón el modelo debe cumplir con requerimientos específicos para la evaluación. Superficie de prototipos Mientras trabaja el grupo de simulaciones, los creativos mandan una nueva superficie, dicha superficie seguirá evolucionando, y los ingenieros empezaremos a trabajar con ella, aun no tenemos resultados del grupo de análisis, pero existen herramientas
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