La importancia de los materiales en el diseño industrial

El diseño de producto es considerado creativo y técnico a la vez ya que consiste en crear y desarrollar productos nuevos, con el objetivo de satisfacer las necesidades de un determinado grupo de consumidores.

Los materiales son materias primas que se someten a procesos que pueden ser físicos y/o químicos con el fin de obtenerlos preparados y disponibles para la elaboración de productos y son los que le permiten al diseñador determinar si el producto resuelve las necesidades funcionales para las que fue creado y si logra la aceptación del consumidor.

En el proceso de ideación de un producto, desde la etapa de ideación, el diseñador puede hacerse una idea de los materiales que puede utilizar para elaborarlo basándose en las necesidades que el producto pretender satisfacer, siempre y cuando el diseñador tenga conocimiento de las distintas características que los materiales poseen, ya que la elección de estos es clave para determinar si el producto al final funcionara o no.

Durante este proceso de elección, luego de evaluar las características de los materiales, es ideal hacer pruebas con los materiales probables y con esto es mas fácil averiguar la aceptación y el óptimo funcionamiento del resultado final, aunque ralentice el proceso da mejores resultados.

Propiedades de los materiales

Las propiedades de los materiales son intrínsecas por lo que tienden a cambiar con el tiempo. Por ello es importar bajo circunstancias previstas de uno

Los materiales, según sus propiedades, nos permiten agruparlos de la siguiente manera:

FÍSICO-QUÍMICAS

  • Conductividad eléctrica: la capacidad que tiene un material de permitir el paso de corriente eléctrica a través de el. Y según esta propiedad existen materiales conductores como el aluminio y el cobre y semiconductores como el silicio y aislantes como el papel.

  • Conductividad térmica: la capacidad que tiene un material de permitir el paso de calor a través de el.

  • Magnetismo: según esta propiedad existen materiales diamagnéticos como el oro y el cobre que se oponen a un campo magnético aplicado; paramagnéticos como el aluminio y platino, cuando el campo magnético en su interior es mayor que el aplicado; y ferromagnéticos como el hierro y el níquel, cuando el campo magnético se ve forzado en el interior de los materiales.

  • Dilatación termina: es la variación en las dimensiones de algunos materiales al modificar su temperatura.

  • Punto de congelación: la temperatura a la cual se somete un material liquido para transformarlo en solido.

  • Punto de ebullición: la temperatura a la cual se somete un material liquido para transformarlo en gas.

  • Punto de fusión: la temperatura a la cual se somete un material liquido para transformarlo en líquido.

  • Resistencia a la corrosión

  • Resistencia a la oxidación

  • Propiedades ópticas: si el material permite el paso de luz a través de el, puede ser transparentes (vidrio, celofán) porque se puede ver a través de ellos: traslucidos como el mármol, solo permiten el pase de luz, y opacos como el cartón y la madera, donde no es posible el paso de luz.

  • Peso y densidad: la relación entre su masa y volumen

MECÁNICAS

  • Elasticidad/fragilidad: ambas propiedades son opuestas, tenacidad es la capacidad que tiene un material de soportar esfuerzos que se le apliquen sin romperse ni deformarse. Por el contrario, la fragilidad es la facilidad con la que el material se rompe al residir un impacto.

  • Tenacidad/plasticidad: la elasticidad permite que los materiales recuperen su forma y dimensión original al cesar su esfuerzo aplicado y la plasticidad provoca que los materiales adquieran deformaciones permanentes por ser mas rígidos.

  • Dureza

TECNOLOGÍAS

  • Ductilidad: permite que algunos materiales se estiren sin romperse, como el caso de los alambres.

  • Maleabilidad: permite que algunos metales se separen en laminas sin romperse.
  • Resistencia mecánica: la capacidad de algunos materiales de recibir esfuerzos sin deformarse de forma permanente.
  • Soldabilidad

SENSORIALES

Estas propiedades para una sociedad de consumo son muy importantes ya que una de las formas de atraer al usuario es visual, por lo que las propiedades sensoriales son mas bien estéticas y le agregan un valor muy alto al aspecto extrno y acabado final del producto.

Además, esta el color, el brillo, el olor y la textura.

ECOLÓGICAS

  • Reciclabilidad: esta propiedad determina si los materiales pueden ser utilizados para fabricar otros diferentes.

  • Reutilizabilidad: si se puede volver a utilizar un material para el mismo y otro uso.

  • Toxicidad: materiales nocivos para el medio ambiente

  • Biodegrabilidad: capacidad de los materiales de descomponerse naturalmente

Uso de la fabricación aditiva en prototipos

Fabricación Aditiva en Prototipos

DESARROLLO DEL DISEÑO DE UN PRODUCTO

A diferencia de la fabricación tradicional que consiste generalmente en obtener una pieza a partir de otra de mayores dimensiones mediante sustracción de material, la fabricación aditiva en prototipos o también llamada impresión 3D consiste en añadir material de forma progresiva para finalmente obtener una pieza.

FABRICACIÓN ADITIVA EN PROTOTIPOS

En la actualidad surgen nuevas tecnologías, máquinas y empresas que mejoran el estado del arte casi de una forma constante.

Existen numerosas tecnologías de fabricación mediante adición de material, la más común y conocida modelado por deposición fundida (FDM) no representa las verdaderas capacidades industriales de los procesos existentes.

Fabricación Aditiva en Prototipos 1

COMPARACIÓN FABRICACIÓN ADITIVA Y SUSTRACTIVA

Un error común a la hora de analizar las ventajas e inconvenientes de la fabricación aditiva en comparación con la sustractiva, es utilizar el mismo diseño para ambos casos.

La principal ventaja de la fabricación aditiva en prototipos es hacer viable nuevos diseños o mejorar la funcionalidad de la pieza mediante cambios en la geometría que serían imposibles de realizar usando las formas tradicionales de fabricación. En resumen, la primera y más importante capacidad de la tecnología es fabricar piezas con una forma que sería inviable realizar mediante métodos tradicionales a un coste razonable.

Fabricación Aditiva en Prototipos 2

Otro error que generalmente cometemos es intentar sustituir piezas finales (que se usan en el producto a fabricar), la fabricación aditiva en prototipos puede presentar un ahorro considerable y más inmediato en todos los utillajes, herramientas, prototipos, ensayos, moldes, etc. necesarios para el desarrollo del producto, la industrialización y producción final.

Lo explicado en el párrafo anterior no limita la viabilidad de producción de piezas finales mediante la impresión 3D, siendo muy interesante en series cortas o cuando no se cuenta con utillajes o moldes necesarios para la fabricación tradicional. Presenta un beneficio en reducción de stock y que hay numerosos proveedores que pueden proveer la pieza en cuestión de días a lo largo de todo el mundo. Se pueden utilizar numerosos materiales plásticos y metálicos, incluidos el aluminio y el titanio. 

El coste de los materiales es muy variable, de 30 a 60 euros/kg los más comunes y los más técnicos y específicos pueden llegar a costar 1000 euros/kg.

 PRESUPUESTO PROTOTIPO

¿Te gustaría saber cuánto costaría la
producción de tu producto o prototipo?

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Tecnologías

Una forma de clasificar la fabricación aditiva en prototipos es mediante el tipo de material o forma en que se presenta la materia prima. Polvo de plástico o metal, hilo fundido (incluido hilo a partir de pellets), resina líquida fotocurable y láminas de muy delgadas. A partir de esta materia prima existen mayor cantidad de tecnologías para su procesamiento, ver imágenes a continuación con mayor detalle:

FAMILIAS DE FABRICACIÓN ADITIVA

tabla fases
tabla fases 1

SLA, DLP, 3SP y CLIP (Foto-polimerizar en cubo de resina).

Tecnología Estereolitografía

El nombre más conocido para esta tecnología es estereolitografía (SLA) y consiste en la foto-solidificación de un polímero líquido contenido en un recipiente que cura con determinada fuente de luz. Las distintas variantes en la fuente de luz (láser, proyector, DLP, LED, etc) dan origen a los distintos nombres.
La pieza se va formando por capas sucesivas de resina curada. Tiene la ventaja de obtener superficies lisas, con mucha resolución (probablemente la más alta de todas la tecnologías) y con dimensiones de pieza que llegan a ser considerables (210×70×80 cm.). Por el contrario su coste es medio-elevado, la pieza envejece con el tiempo más rápidamente que otras tecnologías, es susceptible a la radiación UV deteriorando sus características, es frágil y de baja resistencia.

Materiales

Esta tecnología está limitada a materiales que presentan la propiedad de pasar de estado líquido a sólido mediante la aplicación de una determinada luz, generalmente ultravioleta. Existen nuevas propuestas para trabajar con materiales que curan por ejemplo con la luz visible de un móvil o pantalla de ordenador para abaratar el coste de las máquinas. El precio del material varía entre 30 a 250 euros el litro.

Uso

Se aplica de forma generalizada en la realización de prototipos estéticos o modelos, sobre todo si se requieren acabados translúcidos, o superficies lisas. En la industria se utiliza para la creación de moldes maestros para moldeo por inyección, termoconformado, moldeo por soplado, y varios procesos de forja.

También debido a su excelente resolución y al desarrollo de materiales calcinables y biocompatibles se utiliza en el sector médico y dental para generar machos para moldear por ejemplo dientes o coronas  en otro material o pieza final que pueda ser usada por un período de tiempo en la boca.

SLS, PBF, DMLS, SLM, SHS y MJF

(Fusión de polvo o sinterizado selectivo)

Tecnología 

He englobado tecnologías muy distintas en este apartado, todas ellas parten de polvo como materia prima, distribuido en una cama de polvo sobre una plataforma para formar dentro de una cubeta.

La pieza se genera fundiendo de forma selectiva parte de este polvo, una de sus grandes ventajas es que el mismo polvo (no fundido) sostiene y mantiene la forma de la pieza mientras se enfría y solidifica.

La tecnología más conocida es el sinterizado láser selectivo (SLS), en este momento HP con la creación de una nueva tecnología llamada Multi Jet Fusion (MJF) busca robar mercado al SLS y defiende que es más rápido, mejor y más económico, aunque limitado para plásticos en este momento.

Para la fabricación de piezas en metal la pieza debe ser unida a la plataforma mediante soportes a diferencia del plástico que no tiene esta limitación. Esta limitación hace que la fabricación en metal sea más costosa, ya que la plataforma es un consumible asociado a la producción de las piezas.

Materiales

Los materiales disponibles son muchos y van en aumento, requieren unas características determinadas para poder
ser usados:

  • La materia prima es polvo con un tamaño medio de grano generalmente de 50 micras. Por ello es tan costosa su producción sobre todo en metal.

  • Termoplásticos con determinadas características en el cambio de fase solido–líquido–solido, que permita estabilidad dimensional y buenas propiedades mecánicas. Por ejemplo: Poliamidas 6, 11 y 12. TPU, PP.

  • La materia prima en plástico y metales se considera explosiva por su gran potencial de oxidación. Se requieren medidas ATEX que en metal puede llegar a ser muy costosas y restrictivas.

El producto final o pieza fabricada tiene unas propiedades muy similares en resistencia y densidad a piezas moldeadas o sinterizadas, plástico y metal respectivamente. Sin embargo el alargamiento a la rotura y la tenacidad (capacidad de absorber energía) se ven notablemente reducidas.

El precio del material ronda los 60 – 100 euros/kg en plástico y 500 – 1000 euros/kg en metales (aleaciones de aluminio,
acero, acero inoxidable y titanio).

Uso

Su uso es muy amplio es la tecnología más utilizada en la industria para la producción de prototipos y pieza final.

La limitación en forma es muy baja, pudiendo fabricarse piezas realmente complejas, imposibles de fabricar hace pocos años, con buenas características mecánicas, buenas tolerancias dimensionales de hasta 700 x 380 x 580 mm.

3. FDM y FFF

(Moldeado por hilo fundido)

Tecnología

Es la tecnología más accesible y por lo tanto la más usada por los llamados Makers. Comúnmente asociamos la impresión 3D solo a esta tecnología y a las máquinas económicas de 200 a 2000 euros. Aproximadamente el 3/4 de todas las máquinas del mundo son FDM de bajo coste, gracias a la democratización de esta tecnología y a la mejora de la misma se ha conocido la tecnología por casi todo el mundo.
Por otro lado las máquinas de FDM industriales han seguido evolucionando y sus capacidades y calidad son notablemente superiores que las máquinas de escritorio de bajo coste.
Diferenciándose por la capacidad de trabajar con plásticos más técnicos, difíciles de trabajar, con mejores propiedades mecánicas, que funden a mucho mayores temperaturas (el doble) y expandiendo fronteras a materiales compuestos, Fibra de carbono y Fibra de Kevlar.
En el 2017 ha aparecido una empresa capaz de romper la barrera y producir piezas metálicas usando una tecnología que podemos asimilar como FDM con procesos posteriores de sinterizado metálico.

Materiales

Existen gran cantidad de materiales, colores y formatos. Generalmente se trabaja con bobinas con un diámetro entre 1,75 y 3mm pero existen máquinas que se alimentan con Pellets. Se pueden trabajar gran cantidad de termoplásticos como el PLA, ABS, PA, ASA, PP, PC, ULTEM, etc. Existen materiales con carga metálica, fibra de carbono, etc.
En un futuro con la tecnología de Metal X se podrá fabricar en metal. El precio del material ronda los 30 – 250 euros/kg en plástico. Desconozco el precio de la materia prima y características de las futuras piezas metálicas ofrecidas por Markforged Metal X .

Uso

Su uso es muy común y diverso, desde la fabricación de una pieza sencilla en el escritorio de un diseñador para verificar la ergonomía o estética de un producto hasta la producción de un ducto de aire acondicionado como pieza final instalada en un avión.

En la industria se aplica en piezas que requieran mejor estabilidad térmica y mayores dimensiones que las que puede ofrecer el sinterizado laser (a partir de polvo). Suele ser un proceso más costoso para este tipo de piezas y tiene el inconveniente de ser ortotrópico, las capas sucesivas de material pueden separarse ya que los hilos que conforman la pieza no están completamente fundidos entre sí en este plano.

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Aplicaciones comunes

La fabricación aditiva en prototipos es una tecnología en crecimiento donde cada año surgen nuevas máquinas, empresas, procesos, materiales, aplicaciones y que ya tiene un peso importante e interesante en algunos sectores. La industria 4.0, evolución de las tecnologías tradicionales en conjunto con las tecnologías de comunicación, big data y sensorización cuenta con la rama de fabricación aditiva en prototipos como el mayor exponente de flexibilidad en la producción.

La forma más lógica de clasificar las aplicaciones de la tecnología es en piezas prototipo, utillajes, modelos y pieza final. Dependiendo del sector y la tecnología la pieza podrá tener un fin distinto. A continuación una lista de ejemplos de piezas producidas mediante fabricación
aditiva.

En la industria se aplica en piezas que requieran mejor estabilidad térmica y mayores dimensiones que las que puede ofrecer el sinterizado laser (a partir de polvo). Suele ser un proceso más costoso para este tipo de piezas y tiene el inconveniente de ser ortotrópico, las capas sucesivas de material pueden separarse ya que los hilos que conforman la pieza no están completamente fundidos entre sí en este plano.

¿Cómo lanzar un producto y no morir en el intento?

«Tener una idea diferente o que suponga alguna mejoría, diseñar un producto que satisfaga nuevas necesidades en el mercado o que se adapte a un nicho concreto y su lanzamiento.»

DISEÑO DE PROTOTIPO

En la mayoría de los casos no nos despertamos una mañana con una idea brillante que nos hará triunfar. Conseguir una buena idea es, generalmente, fruto de una actividad conocida como  brainstorming o lluvia de ideas.

En sus inicios, esta actividad o herramienta suponía generar ideas originales por un grupo de trabajadores en un ambiente relajado, pero los últimos estudios concluyen en que individualmente se generan más ideas que en grupo. La explicación es muy sencilla: solos nos sentimos libres de anotar todo lo que se nos ocurre, por muy absurdo que parezca.

¿QUÉ DEBES SABER ANTES DEL LANZAMIENTO DE UN PRODUCTO?

Si el equipo consigue cumplir estos 4 puntos, podríamos decir que sería la situación idónea, pero aquí ya depende de lo cómodo que se encuentre cada uno en cada situación.

Cuando brotan las ideas no hacer ningún comentario, ya que se harán descartes en otro momento.

Permitir que las ideas fluyan, aunque al principio no te parezcan la adecuadas.

Mientras más ideas se tengan, mayores posibilidades para su realización.

Intentar relacionar ideas y sugerir otras con mejoras o cambios.

FASES O ETAPAS DE UN PRODUCTO

Fabricar en España

ingenieria del diseño industrial y desarrollo del producto

Fabricar en España o en Asia

Tomar la decisión de donde fabricar un producto es complejo, ya que influyen muchos factores, económicos, estratégicos y operativos. En este articulo expondremos algunas ventajas e inconvenientes para ayudarte en la tarea de tomar esta decisión.

China es un país muy grande con una capacidad de fabricación enorme y en los últimos años se ha convertido en la fábrica del mundo. Sin embargo, no podemos recomendar como norma general que fabricar en china es siempre la solución más apropiada para todos los productos.

Antes de entrar en más detalle te recomendamos que tengas objetivos reales al respecto de la producción que quieres acometer, tanto en cantidad, coste y plazo. Por otro lado, que valores otros factores no vinculados directamente en el coste del producto, cómo el tiempo, la calidad y posibilidad de copia del producto.

Factores económicos que afectan el coste de un producto

Lo primero que nos viene a la cabeza cuando hablamos de productos fabricados en china es su bajo coste y su gran capacidad de fabricación. Hay que considerar que esto se logra por 3 razones principales:

• Gran volumen de producción

• Ahorro en coste de los componentes

• Bajo coste de la mano de obra

Si no cumples los 3 factores anteriores, analiza en detalle los siguientes factores.

1. Coste de mano de obra

En general el coste de la mano de obra euros/hora es mucho mayor en España que en Asia. Del orden de 10 veces. Sin embargo, debemos valorar que porcentaje del coste total del producto proviene de este recurso. Si el coste en mano de obra es un porcentaje muy alto del coste del producto se debe valorar ir a otro país, por el contrario, si el coste de la mano de obra respecto al total es bajo, no es necesario deslocalizar la producción.
Otro factor importante es la productividad del trabajador y del proceso. Esto solo se puede lograr contando con personal motivado y adecuado para cada labor.
2. Escalabilidad. Tamaño de la producción

Cómo regla general mientras más se produce de un producto su coste será menor. Esto influye tanto en el todo, como en los componentes, así que podemos abaratar produciendo mayor cantidad y escogiendo componentes que se produzcan a gran escala.

Cuando el fabricante escoge componentes que va a instalar en productos de distintos clientes obtiene un menor precio. Ya sea en Asia o en Europa.

Si no vamos a fabricar muchas unidades de nuestro producto, el ahorro se va a compensar con costes de transporte, importación y nuestro tiempo de gestión.

3. Coste de transporte

El coste del transporte puede ser grande o pequeño en relación con el coste del producto. Esto depende de cada caso. Típicamente componentes pequeños, ligeros y de alto valor pueden ser transportados en grandes cantidades sin afectar el precio. Por el contrario, elementos voluminosos, pesados y de bajo valor, el coste del transporte influye mucho.

Otro factor muy importante por considerar es que los envíos de China a Europa se realizan mayoritariamente de 3 formas: avión, barco y tren. En avión puedes esperar que el producto llegue en 2 días, sin embargo, en barco o tren puede tardar de 1 a 2 meses.

Si puedes planificar con tiempo, no utilices transporte aéreo ya que incrementaría mucho el coste.

4. Importación y aduanas. No somos expertos en esta materia y hemos experimentado todo tipo de casos:

• Envíos pequeños y grandes que no tienen ningún problema.

• Otros envíos cuyo coste de aduana es mayor que el del mismo producto.

• Y por último paquetes que son rechazados y nunca llegan a nuestras manos.

5. Tiempo. El tiempo es dinero, planificar y cuantificar los tiempos de producción es un gran reto. Vamos a listar tiempos a considerar:

• Conseguir un acuerdo con el fabricante.

• Llegada de los componentes, según el distribuidor y medio de transporte escogido.

• Ensamblado de cada parte del producto y tiempo de ensamblaje total.

• Tiempo empleado en el diseño de útiles de fabricación, ajustes y mejoras debidos al proceso de fabricación.

• Retraso por razones ajenas a la producción normal (plazos de entrega de componentes, falla de maquinaria de producción o logística).

6. Coste de baja calidad. Estos costes son relativos a la baja calidad del producto o en otras palabras calidad inferior a la deseada, lo cual repercute en el proyecto de varias maneras:

• Se incrementa el coste asociado a las reparaciones, garantía o reemplazo del producto.

• Disminuye la reputación de la empresa ya que se ve afectada su imagen frente a sus clientes.

• Afecta la producción por la sustitución de algún lote defectuoso que debe ser reemplazado o producido de nuevo.

• La empresa se ve obligada a cambiar de proveedor de algún componente y eso repercute en costes y tiempo.

Factores estratégicos para localizar la fabricación

1. Propiedad intelectual y secretos industriales. Producir en Europa tiene la ventaja de facilitar el control sobre los secretos de diseño y del producto, al externalizar la producción a grandes fábricas se dificulta este control.

2. Conocimiento del producto y manufactura. Se puede controlar el proceso de fabricación del producto e incorporar mejoras en los procesos de producción. Además, será más fácil optimizar el diseño y mejorar el producto en siguientes versiones.

3. Control de calidad. La fabricación del producto puede ser supervisada personalmente sin tener que trasladarse largas distancias y verificar que el proceso se encuentra dentro de los parámetros establecidos.

4. Flexibilidad para adaptar la producción. Se facilita incorporar modificaciones, incrementar o disminuir la producción y personalizar el producto según la demanda.

5. Innovación y prototipado. Se tiene mejor acceso a los componentes y herramientas para fabricar prototipos de otros productos.

6. Confianza. El cliente se puede sentir parte del proceso de producción debido a que puede estar informado de la fabricación o de los inconvenientes en cada momento.

Factores operativos

1. Logística
Al estar más cerca se disminuyen los costes por traslado y el tiempo para supervisar el proceso de producción y también se puede administrar mejor el proceso de almacenaje y distribución de la producción.
2. Idioma
Hablar el mismo idioma facilita enormemente la comunicación, se puede acordar una negociación más conveniente, agiliza los tiempos de todo el proceso de producción y se minimizan las posibilidades de mala interpretación de la información compartida entre las partes involucradas.
3. Tiempo
Hay numerosos casos donde producir en España es más lento y es difícil que las empresas se comprometan y cumplan con los plazos. En otros países suelen producir mucho más rápido. Sin embargo, no es la norma general y haciendo un control exhaustivo de la producción se puede subsanar este inconveniente.
4. Certificación
El cumplimiento de normas aplicables a las metodologías de fabricación y producto son más complejas de obtener si la fabricación es en Asia. La certificación CE de productos se realiza bajo la premisa de que el producto se fabrica bajo una metodología que controla procesos, componentes y producto final. Si algo cambia se puede incumplir la certificación.

5. Cercanía
Cercanía de las empresas y la posibilidad de controlar los procesos de forma más personal, pudiendo participar en el proceso de control de calidad.

Factores socioeconómicos de España

Hemos vivido una etapa reciente de deslocalización de empresas y fábricas afectando el crecimiento interno del país y en consecuencia la población trabajadora en general. A mayor volumen de fabricación en el país, mayor empleo y mayor generación de riqueza, aumentando la capacidad de consumo.

Sin embargo, no todas las empresas han logrado sus objetivos de ahorro mudando la producción fuera de España, por lo que se ha producido una tendencia inversa, para volver a producir en España o Europa en general.

¿Qué se gana con la relocalización?
Control. La compañía puede supervisar directamente la producción e introducir los cambios necesarios para mejorar el proceso.
Calidad. El uso de maquinaria avanzada y mano de obra más cualificada hace que el ‘Made in Spain’ tenga una mejor calidad comparando con otros países.
Sencillez. Las complicaciones logísticas y burocráticas son mucho menores cuando la empresa produce donde tiene su sede.
Imagen. Los consumidores valoran los productos hechos en España y se potencia el vínculo de la compañía con una localidad.

Conclusión / Recomendaciones generales

Si quieres saber si fabricar en España es o no conveniente, debes considerar los factores relacionados con el coste de producción versus logística, aunque el costo de producción puede variar según el producto que vayas a fabricar y las cantidades asociadas, en muchos casos es más económico fabricar localmente.

 

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