THE AMERICAS BY DESIGN PROYECT REPORT

THE AMERICAS BY DESIGN PROYECT PROGRESS REPORT Esteban Briones Romina Chesta Patricio Muñoz 07 de Mayo de 2012

Resumen El proyecto The Americas By Design consiste en el diseño de un parque de juegos que genere energía eléctrica. El parque de juegos debe ubicarse en la villa de Orika, Colombia, situada en Isla Grande, Colombia, una pequeña localidad rural de 300 habitantes donde la energía eléctrica es generada por un equipo diésel, para lo cual se trae el combustible desde el continente a un alto costo, tanto en tiempo como económico. Para conseguir el objetivo propuesto, el proyecto contempla las fases de definición del problema a partir de las necesidades de los consumidores, Diseño conceptual, Diseño preliminar, y Diseño detallado o final. Durante la primera fase del proyecto se realizó un trabajo colaborativo con alumnos de la Universidad Penn State, Brandywine, Media, USA.

1. Introducción Uno de los grandes desafíos de la Ingeniería y el mundo para las próximas décadas es la energía. En los países en vías de desarrollo, como lo son los países latinoamericanos, el desarrollo económico, reflejado en el PIB, y el crecimiento de la demanda energética crecen de manera acoplada, por lo que suplir dicha necesidad energética es un desafío para los países en tal condición. Por otro lado, los países desarrollados, como en Europa han desacoplado el desarrollo económico de la demanda energética, que se mantiene relativamente constante. Una de las razones es la eficiencia energética, que es el aprovechamiento de la energía que se desperdicia en un proceso, y usarla como entrada para otro, evitando tener que consumir energía extra para dicha actividad. Es por eso que los países en vías de desarrollo están en camino de implementar dichas medidas y tecnologías, desde lo macro, hasta lo micro, como es el caso de la energización rural. La utilización de las energías limpias y las medidas de eficiencia energética permiten alcanzar a islas, pueblos, y lugares apartados, con energía a un menor costo que por los métodos convencionales. En el marco de lo anterior, este proyecto busca diseñar un parque de juegos que genere energía eléctrica renovable para un pueblo de 300 personas, ubicado en una isla en Colombia. Para esto, se pondrá al servicio del problema todas las habilidades y capacidades del Diseño conceptual y el Diseño mecánico, para dar lugar a una solución que se adecúe a las necesidades de los consumidores. En primer lugar, se analiza en detalle la situación inicial del problema, con sus restricciones, limitaciones, y características. Posteriormente se analiza las necesidades de los clientes, obteniendo objetivos de diseño que serán jerarquizados, dando lugar a una estructura funcional requerida. Luego, se desarrollan y seleccionan conceptos, realizando un diseño conceptual, para finalmente presentar un diseño detallado final para los juegos desarrollados, con sus piezas y componentes.

Estado inicial del problema Orika es un pequeño pueblo de 300 habitantes situado en el medio de Isla Grande, que pertenece a un grupo de islas llamadas “Del Rosario”, cerca de Cartagena, Colombia. La comunidad utiliza una planta de fuerza para generar energía eléctrica, para lo cual deben llevar el combustible desde Cartagena en pequeños barcos, en un viaje que tarda cerca de una hora. Esto provoca que usar la planta de fuerza sea caro para los habitantes del pueblo. Además de eso, el uso de la planta de fuerza en la isla está comenzando a causar contaminación. El objetivo consiste en diseñar un parque de juegos con al menos 5 estructuras de juego para generar energía removable para la comunidad Orika. El sistema debe ser fácil de ensamblar y mantener por la comunidad local. Adicionalmente, se espera que el parque de juegos tenga un bajo costo de adquisición, operación y mantenimiento. La comunidad local proveerá un área de 15 m x 15 m para la instalación de las estructuras de juego. Para una

mejor referencia de la comunidad, y el área en que el parque de juegos estará instala, ver Figura 1. Figura 1: Comunidad Orika en Isla Grande, Colombia.

Algunas preguntas importantes para el análisis 

¿De qué se trata el problema realmente? El problema es que se requiere una generación de energía de manera más limpia, fácil, económica e independiente dentro de una isla con una población baja, y con un porcentaje considerable de niños porque sale muy costoso, y además requiere mucho tiempo traer petróleo desde fuera de la isla.



¿Qué deseos y expectativas implícitas están involucradas? Que sea económico, de fácil mantenimiento, independiente del petróleo traído de fuera de la isla, y además, acorde a las condiciones climáticas de la isla.



¿Existen realmente las restricciones especificadas? Deben ser al menos cinco juegos, en un área de 15 [m] por 15 [m].



¿Qué caminos están abiertos para el desarrollo de este proyecto? La innovación es uno de los caminos para el desarrollo de generación de energía de manera limpia, creativa e independiente. ¿Qué propiedades debe tener?



Debe generar una cantidad suficiente de energía por lo menos para iluminar las calles, debe tener la capacidad de almacenar energía durante el día, debe ser de bajo costo de operación e instalación, y mantenimiento fácil de realizar, como también que sea seguro para los niños. Además, debe ser fabricado de materiales que no sufran corrosión por causa de la humedad. 

¿Qué propiedades NO debe tener? La disipación de energía proveniente de dicho parque no sea considerable, no deben utilizarse materiales desechables, que los componentes de almacenamiento de energía no sean accesibles para los niños, y por último, que se pueda utilizar las 24 horas del día.

2. Apreciación de las necesidades de los clientes Las necesidades del cliente se traducen a atributos, los objetivos de diseño son clarificados, las restricciones de diseño son identificadas y las funciones son establecidas. Cinco pasos básicos para hacer un análisis de las necesidades del cliente: Obtener información de los clientes, interpretar la información en términos de atributos, organizar jerárquicamente los atributos, establecer la importancia relativa de los atributos, y reflexionar sobre los resultados y los procesos. En nuestro caso, la necesidad se va a satisfacer sobre un grupo de personas, en un producto único, es decir, no se hará una producción en masa de éste. Para dicho fin, se utilizó las siguientes preguntas para encontrar las necesidades de los clientes: -¿Cuándo y porque usas este tipo de producto? -¿Qué te guste acerca del producto existente? -¿Qué no te gusta acerca del producto existente? -¿Qué temas consideras cuando estás comprando el producto? -¿Qué mejoras harías en los productos? La respuesta a dichas preguntas, junto con la interpretación de las necesidades, y la clasificación de dichos atributos, se muestra en la Tabla 1.

Lista de atributos Tabla 2: Lista inicial de atributos. Está disponible durante el día. Entrega diversión Permite generar energía Posee una buena ubicación. Permite hacer ejercicios en sus juegos. Es atractivo y seguro para los niños Los juegos son de máximo 12 pies de alto. El almacenamiento de la energía es de fácil transporte. Posee árboles, plantas y pasto. Tiene buenos accesos. Posee buena visibilidad desde cualquier punto de el. Es cómodo para los usuarios Tiene iluminación de noche. Será impermeable al óxido. Puede ser utilizado por todo tipo de gente. Puede ser cubierto cuando haya precipitaciones. Contiene los componentes de almacenamiento de energía fuera del alcance de las personas. Es de colores brillantes. Es de bajo costo La cantidad de energía producida es suficiente como para iluminar las calles. Se mantiene en buen estado por un periodo considerable de tiempo y funciona cuando se requiere. Es de fácil limpieza Es limpio, no posee basura. Es de fácil instalación para las personas encargadas. Es llamativo en sus formas. Tiene apoyos acolchados. Posee vértices curvos. Dentro del parque se puede descansar. La interacción de componentes no produce ruidos en el parque. Dentro del parque se puede beber agua. Luego, se clasifica los atributos en las categorías de: objetivo de diseño, restricción, y función.

Tabla 3: Objetivos de diseño, restricciones, y funciones del producto. Objetivo de diseño 1. está disponible durante el día 2. es atractivo y seguro para los niños. 3. El recinto posee árboles, plantas y pasto. 4. puede ser utilizado por todo tipo de gente. 5. tiene iluminación de noche. 6. es de fácil instalación para las personas encargadas. 7. El parque de juegos puede ser cubierto cuando haya precipitaciones. 8. es cómodo para los usuarios. 9. posee buena visibilidad desde cualquier punto. 10. Dentro del parque se puede beber agua. 11. El diseño es llamativo en sus formas. 12. es de colores brillantes. 13. El almacenaje de energía es transportable. 14. será impermeable al óxido. 15. se mantiene en buen estado por un periodo considerable de tiempo y funciona cuando se requiere. 16. tiene contenedores considerables para basura.

Restricción 17. Debe se realiza en un terreno de 15x15 m. 18. La altura de los juegos no excede los 12 pies. 19. El proyecto es de bajo costo. 20. Los juegos son fácil limpieza 21. La interacción de componentes no produce ruidos en el parque. 22. El parque posee vértices curvos. 23. Los juegos tienen apoyos acolchados. 24. El parque de juegos posee una buena ubicación.

Función 25. permite hacer ejercicios en sus juegos. 26. El recinto tiene buenos accesos. 27. La cantidad de energía producida es suficiente como para iluminar las calles. 28. Dentro del parque se puede descansar. 29. entrega diversión. 30. permite generar energía.

Preguntas para los clientes Uso típico

¿Qué me gusta?

¿Qué NO me gusta?

¿Qué consideras cuando adquieres el producto?

¿Qué mejoras harías en los productos?

Aseveración del cliente

Interpretación de la necesidad - Atributos

Categoría

Uso el juego durante el día

El parque está disponible durante el día.

Utilidad

Necesito entretenerme

El parque de juegos entrega diversión

Desempeño

Necesito generar energía

El parque de juegos permite generar energía

Desempeño

Integración de la comunidad

El parque de juegos posee una buena ubicación.

Utilidad

Necesito hacer ejercicio

El parque permite hacer ejercicios en sus juegos.

Desempeño

Que los juegos sean atractivos y seguros

El parque de juegos es atractivo y seguro para los niños

Que tenga columpios

El parque de juegos contiene columpios

Que tenga una ruleta

El parque de juegos posee una ruleta

Que tiene áreas verdes y sombra

El parque de juegos posee árboles, plantas y pasto.

Que posee fácil acceso.

El parque de juegos tiene buenos accesos.

Seguridad

Que posea buena visibilidad desde cualquier ángulo.

El parque de juegos posee buena visibilidad desde cualquier punto de el.

Seguridad

Que el diseño sea confortable

El parque de juegos es cómodo para los usuarios

Que no tenga iluminación

El parque tiene iluminación de noche.

Seguridad

Que se oxiden las estructuras metálicas

El parque será impermeable al óxido.

Desempeño

Que no pueda ser usado por adultos

El parque puede ser utilizado por todo tipo de gente.

Que no se pueda utilizar cuando hay lluvia.

El parque de juegos puede ser cubierto cuando haya precipitaciones.

Que los componentes que generan electricidad sean accesibles a los niños Que los colores sean opacos y apagados

El parque contiene los componentes de almacenamiento de energía fuera del alcance de las personas.

Seguridad

El parque es de colores brillantes.

Creatividad

Bajo costo

El parque es de bajo costo para los isleños.

Costos

Cantidad de Energía Producida

La cantidad de energía producida es suficiente como para iluminar las calles.

Costos

Utilidad Desempeño Desempeño Medio Ambiente

Desempeño

Utilidad Desempeño

Durabilidad

El parque se mantiene en buen estado por un periodo considerable de tiempo y funciona cuando se requiere.

Mantención

Fácil Mantenimiento

El parque es de rápido mantenimiento para la persona encargada.

Mantención

Limpieza

El parque es limpio, no posee basura.

Fácil Instalación

El parque es de fácil instalación para las personas encargadas.

Mantención

Que el diseño sea llamativo

El diseño del parque es llamativo en sus formas.

Creatividad

Que posea partes acolchadas

El diseño del parque tiene apoyos acolchados.

Desempeño

Cambiar partes puntudas por partes más curvas

El parque posee vértices curvos.

Que posea lugares de descanso

Dentro del parque se puede descansar.

Que no produzca ruidos molestos

La interacción de componentes no produce ruidos en el parque.

Que posea bebederos de agua

Dentro del parque se puede beber agua.

Medio Ambiente

Seguridad Desempeño Medio Ambiente Desempeño

Tabla 1: Preguntas para las entrevistas, que permiten obtener, por medio de la interpretación de las respuestas, las necesidades de los clientes, que conforman los atributos del producto. Luego, se clasifican según su categoría.

Tabla 3: Objetivos de diseño, restricciones, y funciones del producto. Objetivo de diseño 1. está disponible durante el día 2. es atractivo y seguro para los niños. 3. El recinto posee árboles, plantas y pasto. 4. puede ser utilizado por todo tipo de gente. 5. tiene iluminación de noche. 6. es de fácil instalación para las personas encargadas. 7. El parque de juegos puede ser cubierto cuando haya precipitaciones. 8. es cómodo para los usuarios. 9. posee buena visibilidad desde cualquier punto. 10. Dentro del parque se puede beber agua. 11. El diseño es llamativo en sus formas. 12. es de colores brillantes. 13. El almacenaje de energía es transportable. 14. será impermeable al óxido. 15. se mantiene en buen estado por un periodo considerable de tiempo y funciona cuando se requiere. 16. tiene contenedores considerables para basura.

Restricción 17. Debe se realiza en un terreno de 15x15 m. 18. La altura de los juegos no excede los 12 pies. 19. El proyecto es de bajo costo. 20. Los juegos son fácil limpieza 21. La interacción de componentes no produce ruidos en el parque. 22. El parque posee vértices curvos. 23. Los juegos tienen apoyos acolchados. 24. El parque de juegos posee una buena ubicación.

Función 25. permite hacer ejercicios en sus juegos. 26. El recinto tiene buenos accesos. 27. La cantidad de energía producida es suficiente como para iluminar las calles. 28. Dentro del parque se puede descansar. 29. entrega diversión. 30. permite generar energía.

Tabla 4: Clasificación de los objetivos de diseño según sus categorías y por prioridad. 1. Desempeño 1.1 entrega diversión. 1.2 permite generar energía. 1.3 permite hacer ejercicios en sus juegos. 1.4 contiene juegos de 12 pies de alto. 1.5 es cómodo para los usuarios. 1.6 es impermeable al óxido. 1.7 puede ser cubierto cuando haya precipitaciones. 1.8 El diseño tiene apoyos acolchados. 1.9 se puede descansar. 1.10 se puede beber agua. 1.11 está disponible durante el día. 1.12 puede ser utilizado por todo tipo de gente.

2. Seguridad 2.1 tiene buenos accesos. 2.2 posee buena visibilidad desde cualquier punto de él. 2.3 tiene iluminación de noche. 2.4 contiene los componentes de almacenamiento de energía fuera del alcance de las personas. 2.5 posee vértices curvos.

3. Costos 3.1 es de bajo costo. 3.2 La cantidad de energía producida es suficiente para iluminar las calles.

5. Medio Ambiente 5.1 posee árboles, plantas y pasto. 5.2 es limpio, no posee basura. 5.3 La interacción de los componentes no produce ruido en el parque.

4. Mantención 4.1 se mantiene en buen estado por un periodo considerable de tiempo y funciona cuando se requiere. 4.2 es de rápido mantenimiento. 4.3 es de fácil instalación

6. Aspecto. 6.1 es de colores brillantes. 6.2 El diseño es llamativo en sus formas. 6.3 está disponible durante el día.

Tabla 5: Clasificación de los objetivos de diseño según sus categorías y por prioridad. Categoría 1 2 3 4 5 6

1 1.0 0.333 0.2 0.66 0.166 0.125

2 3.0 1.0 0.5 0.25 0.142 0.142

3 4 5.0 6.0 2.0 5.0 1.0 4.0 0.2 1.0 0.166 0.333 0.125 0.25 Gran Total.

5 6.0 7.0 6.0 3.0 1.0 0.5

6 8.0 7.0 8.0 4.0 2.0 1.0

Peso 0.34 0.26 0.23 0.11 0.04 0.02 1

Tabla 6: Cálculo del peso de cada objetivo de diseño de la categoría Desempeño (Peso: 0.337). Cate gorí a 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12

1.1

1.2

1.3

1.4

1.0 0.5 0.333 0.333 0.25 0.2 0.166 0.143 0.143 0.125 0.125 0.111

2.0 1.0 0.333 0.25 0.25 0.2 0.166 0.166 0.143 0.143 0.125 0.125

3.0 3.0 1.0 0.5 0.5 0.25 0.2 0.2 0.166 0.143 0.125 0.125

3.0 4.0 2.0 1.0 0.333 0.25 0.25 0.2 0.2 0.166 0.143 0.142

1.5

1.6

1.7

4.0 5.0 6.0 4.0 5.0 6.0 2.0 4.0 5.0 3.0 4.0 4.0 1.0 2.0 4.0 0.5 1.0 3.0 0.25 0.333 1.0 0.2 0.25 0.5 0.2 0.25 0.25 0.166 0.2 0.2 0.143 0.166 0.2 0.142 0.142 0.166 Gran total:

1.8

1.9

1.10

1.11

1.1 2

Peso

7.0 6.0 5.0 5.0 5.0 4.0 2.0 1.0 0.5 0.25 0.2 0.166

7.0 7.0 6.0 6.0 5.0 4.0 4.0 2.0 1.0 0.333 0.25 0.2

8.0 7.0 7.0 7.0 6.0 5.0 5.0 4.0 3.0 1.0 0.333 0.25

8.0 8.0 8.0 7.0 7.0 6.0 5.0 5.0 4.0 3.0 1.0 0.5

9.0 8.0 8.0 7.0 7.0 7.0 6.0 6.0 5.0 4.0 2.0 1.0

0.059 0.055 0.045 0.042 0.036 0.029 0.023 0.019 0.014 0.009 0.004 0.003 0.337

Tabla 7: Cálculo del peso de cada objetivo de diseño de la categoría Seguridad (Peso: 0,26). Categoría 2.1 2.2 2.3 2.1 1.0 4.0 5.0 2.2 0.25 1.0 3.0 2.3 0.2 0.333 1.0 2.4 0.166 0.2 0.25 2.5 0.125 0.143 0.166 Gran Total:

Tabla 8: Cálculo del peso de cada objetivo 0,20). Categoría 3.1 3.1 1.0 3.2 0.5 Gran Total:

2.4 6.0 5.0 4.0 1.0 0.2

2.5 8.0 7.0 6.0 5.0 1.0

Peso 0.1039 0.0704 0.0499 0.0287 0.0071 0.26

de diseño de la categoría Costos (Peso: 3.2 Peso 2.0 0.1333 1.0 0.0667 0.20

Tabla 9: Cálculo del peso de cada objetivo de (Peso: 0,12) Categoría 4.1 4.2 4.1 1.0 3.0 4.2 0.333 1.0 4.3 0.2 0.25 Gran Total:

diseño de la categoría Mantención 4.3 Peso 5.0 0.0684 4.0 0.0405 1.0 0.0111 0.12

Tabla 10: Cálculo del peso de cada objetivo de diseño de la categoría Medio Ambiente (Peso: 0,07). Categoría 5.1 5.2 5.3 Peso 5.1 1.0 2.0 5.0 0.0398 5.2 0.5 1.0 3.0 0.0224 5.3 0.333 0.25 1.0 0.0078 Gran Total: 0.07

Tabla 11: Cálculo del peso de cada objetivo 0.019). Categoría 6.1 6.2 6.1 1.0 2.0 6.2 0.5 1.0 6.3 0.2 0.33 Gran Total:

de diseño de la categoría Aspecto (Peso: 6.3 5.0 3.0 1.0

Peso 0.012 0.005 0,002 0.019

Tabla 12: Clasificación de los objetivos de diseño según sus categorías, con sus respectivos pesos. 1. Desempeño (0.34) 1.1 El parque de juegos entrega diversión. (0.059) 1.2 El parque permite generar energía. (0.055) 1.3 El parque permite hacer ejercicios en sus juegos. (0.045) 1.4 El parque contiene columpios. (0.042) 1.5 El parque posee una ruleta. (0.036) 1.6 El parque es cómodo para los usuarios. (0.029) 1.7 El parque es impermeable al óxido. (0.023) 1.8 El parque puede ser cubierto cuando haya precipitaciones. (0.019) 1.9 El diseño del parque tiene apoyos acolchados. (0.014) 1.10 Dentro del parque se puede descansar. (0.009) 1.11 Dentro del parque se puede beber agua. (0.004) 1.12 puede ser utilizado por todo tipo de gente. (0,003)

2. Seguridad (0.26) 2.1 El parque de juegos tiene buenos accesos. (0.1039) 2.2 El parque posee buena visibilidad desde cualquier punto de él. (0.0704) 2.3 El parque tiene iluminación de noche. (0.0499) 2.4 El parque contiene los componentes de almacenamiento de energía fuera del alcance de las personas. (0.0287) 2.5 El parque posee vértices curvos. (0.0071)

5. Medio Ambiente (0.04) 5.1 El parque de juegos posee árboles, plantas y pasto. (0.0398) 5.2 El parque es limpio, no posee basura. (0.0224) 5.3 La interacción de los componentes no produce ruido en el parque. (0.0078)

3. Costos 4. Mantención (0.23) (0.11) 3.1 El parque es 4.1 El parque se de bajo mantiene en buen costo para estado por un los isleños. periodo (0.1333) considerable de 3.2 La cantidad tiempo y de energía funciona cuando producida se requiere. es (0.0684) suficiente 4.2 El parque es de para rápido iluminar las mantenimiento calles. para la persona (0.0667) encargada. (0.0405) 4.3 El parque es de fácil instalación para las personas encargadas. (0.0111)

6. Aspecto (0.02) 6.1 El parque es de colores brillantes. (0.12) 6.2 El diseño del parque es llamativo en sus formas. (0.005) 6.3 Está disponible durante el dia. (0,002)

1. Estructura funcional Caja Negra

- Energía mecánica EEner - Energía solar

Generación de energía renovable, limpia y económica

EEner

- Energía eléctrica EEner

La estructura funcional del parque de juegos para niños, en base a la forma de Caja Negra, se considera solamente el ingreso de energía, y no de materia ni de información, ya que no se considera la entrada y salida de niños al sistema como una materia (ellos no sufren cambios físicos ni químicos durante su estadía en el parque, solo consiguen diversión y hacen funcionar el sistema, pero no forman parte de su estructura), ni la entrada y salida de información (hay parámetros que evidentemente hay que controlar dentro de la máquina, pero no son parámetros que se deban ingresar, sino que controlar que se mantengan dentro de límites establecidos para que el parque funcione correctamente).

Caja Transparente

-2.Energía mecánica 3. EEner

Transformar energía

-4.Energía solar 5. EEner 6.

Colectar energía

Almacenar energía

Conducir energía

- Energía eléctrica EEner

Generación de energía renovable, limpia y económica

La estructura funcional del parque de juegos para niños, en base a la forma de Caja Transparente, considera (al igual que el modelo de caja negra), la entrada y salida de energía, y los procesos (o acciones) que se realizan con dicha energía para poder obtener lo que el cliente (en este caso, los isleños) requieren: energía eléctrica para suministrar a la Isla para abaratar costos de traslado de petróleo y tiempos de traslado de dicho combustible.

Tabla 13: Lista de especificaciones definidas para el producto. Categoría Geometría

Energía

Performance

Fuerzas Costos

Seguridad

Especificación Área Altura N° Juegos Potencia de salida Voltaje de salida Frecuencia de salida Capacidad de almacenamiento Eficiencia Edad de uso Capacidad Número de partes Velocidad Peso total Peso que soporta Costo de fabricación Costo de reemplazar piezas Costos de mantención Nivel Ruido Puntas curvadas Recubrimiento anticorrosión

Valor 225 m^2 12 pies 5 220 kW 110 V 60 Hz 350 kW

Parámetro Máximo Máximo Mínimo Mínimo Mínimo Mínimo Mínimo

80% 4 años 60 niños 100 2 m/s 20000 N 5000 N 30000 US 500 US 50 US 40 dB No aplica No aplica

Mínimo Mínimo Máximo Máximo Máximo Máximo Máximo Máximo Máximo Máximo Máximo No aplica No aplica

Análisis QFD Una vez definidas las especificaciones de diseño, éstas se relacionan con los objetivos de diseño por medio de la matriz QFD. Además, se compara el producto con otros dos competidores: Competidor A: http://www.globalinheritance.org/energy-playground. Competidor B: http://www.coroflot.com/ananyatantia/Energy-Generating-Playground. La matriz QFD se adjunta a continuación.

I

Matriz de Correlaciones QFD SIMBOLOGÍA DE CORRELACIONES CORRELACIÓN POSITIVA CORRELACIÓN NEGATIVA DIRECCIÓN DE MEJORA CRECIENTE NEUTRA DECRECIENTE SIMBOLOGÍA DE RELACIONES RELACIÓN FUERTE (9) RELACIÓN MEDIA (3) RELACIÓN DÉBIL (1)

DIRECCIÓN DE LA MEJORA

Peso total

Peso que soporta

Costo de fabricación

Costo de reemplazar piezas

Costo de mantención (mensual)

Nivel de ruido

Puntas curvadas

Recubrimiento anticorrosión

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

Percentage of total

Velocidad

6

Overall Weight

Número de partes

5

Sales point

Capacidad de uso

4

Improvement Factor

Edad mínima de uso

3

Planned rating

Eficiencia total

2

Producto Competidor B

Capacidad de almacenamiento

1

REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE

PLANNING MATRIX

Producto Competidor A

Frecuencia de salida

Seguridad

Voltaje de salida

Costos

Potencia de salida

Fuerzas

N° juegos

Performance

Altura

Energía

Área

IMPORTANCIA

Geometría

4

5

5

1

1,0

5

8

5

3

4

1

1,3

5,2

9

2

3

3

1

1,3

6,5

11

1

2

4

1

1,2

2,4

4

1

1

3

1

1,1

1,1

2

4

1

3

1

1,1

2,2

4

2

4

5

1

1,3

2,6

4

4

4

4

1

1,0

1

2

3

3

4

1

1,3

5,2

9

2

3

3

1

1,4

4,2

7

2

4

4

1

1,5

6

10

3

3

3

1

1,1

2,2

4

1

5

4

1

1,2

3,6

6

4

2

3

1

1,0

2

3

4

2

5

1

1,5

6

10

3

2

5

1

1,5

4,5

8

Total (100%)

49,5

83

Está disponible durante el día.

Desempeño

5

3

9

Es atractivo y seguro para los niños. 3

4

9

3

9

9

3

9

3

1

1

Es cómodo para los usuarios 5

9

3

3

2

3

9

1

3

2

9

3

3

2

9

9

3

1

1

1

1

9

3

1

4

3

Es de fácil instalación para las personas encargadas.

3

3

Se conserva operativo por un periodo considerable de tiempo.

4

Puede ser utilizado por todo tipo de gente. 1

9

9

9

1

Seguridad

Puede ser cubierto cuando haya precipitaciones.

1

9

1

1

1

3

3

Posee buena visibilidad desde cualquier punto.

Costos

Dentro del parque se puede beber agua

Mantención

REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE Generación de energía limpia, renovable y económica

Tiene iluminación de noche.

3

1

3

El almacenaje de energía es transportable. 3

3

9

9

9

3

3

9

9

1

3

3

3

9

9

Será impermeable al óxido. 2

3

9

Medio Ambiente

El recinto posee árboles, plantas y pasto. 3

3

2

3

4

3

3

1

9

1

Tiene contenedores para basura. 1

9

3

9

3

3

1

3

Es de colores brillantes.

20

7

250

220

50

350

80

7

70

170

4

20000

5000

10000

500

70

60

SÍ

SÍ

10

4

200

220

50

300

80

6

30

90

3

15000

4000

4000

500

50

40

SÍ

SÍ

Design Targets

12

5

220

110

60

350

80

4

60

100

2

20000

5000

3000

500

50

40

Sí

Sí

Unidades

pies

juegos

kW

V

Hz

kW

%

años

personas

partes

m/s

N

N

US

US

US

dB

-

-

9

200

9

150

3

225

3

m^2

Technical Benchmarking

Aspecto

El diseño es llamativo en sus formas.

Competitor A's product

Competitor B's product

4. Revisión del estado del problema Se busca diseñar un parque de juegos, con al menos 5 estructuras de juego, para generar 220 kW de potencia para la comunidad Orika, un pueblo de 300 habitantes situado en el medio de Isla Grande, que pertenece a un grupo de islas llamadas “Del Rosario”, cerca de Cartagena, Colombia. Para ello se dispone de un área de 225 m^2, en el deben ubicarse los juegos, los generadores y la capacidad de almacenaje, que debe ser de 350 kW. La edad mínima de uso debe ser 4 años, pero debe poder usarse por personas de cualquier edad, con una capacidad de 60 personas. Además, se busca que el parque sea de fácil ensamblaje y costo de fabricación (3000 $US) y mantenimiento (50 $US/MES), por lo que se busca un número reducido de piezas (no mayor a 100). Respecto a la seguridad, los juegos deben tener puntas redondeadas, tener una altura menor o igual a 12 pies, y girar a no más de 2 m/s. El nivel de ruido no debe superar los 40 dB. Por otro lado, el diseño debe ser atractivo para los niños, con colores brillantes, y llamativo en sus formas. El parque debe contar con características adicionales como contenedores para basura, áreas verdes, bebederos, poder cubrirse cuando haya precipitaciones, tener buena visibilidad desde cualquier punto del parque, ser impermeable al óxido, y tener iluminación de noche. Por último, el parque debe mantenerse operativo por un largo periodo de tiempo, en buenas condiciones, con costos de reemplazo de piezas bajo (500 $US). Con esto en mente, creamos un Row Geometric Layout, esquematizando el parque de acuerdo a los requerimientos, objetivos de diseño y especificaciones desarrolladas.

Así, estamos listos para entrar a la fase de generación y selección de conceptos de diseño.

5 Generación y selección de conceptos La generación de conceptos, concebida como un método, puede ser de dos formas: mediante métodos básicos (o intuitivos), o mediante métodos directos (o lógicos). De los métodos básicos se pueden destacar la “lluvia de ideas” o Brainstorming, el método Delphi, las cartas morfológicas entre otros; y de los métodos directos se destacan el pensamiento innovador, la metodología TRIZ, el diseño axiomático, y SCAMPER. La conceptualización de nuestro producto, se enmarca dentro de una búsqueda externa e interna de información que sirva para poder dar una descripción preliminar de formas, funciones, principios y tecnologías requeridas para la solución.

5.1 Búsqueda externa Benchmarking Dentro de la búsqueda externa, se considera el Benchmarking, viendo otros parques de juegos que logren generar energía, con el objetivo de considerar conceptos existentes, como también patentes e información de productos para obtener información. Una de las opciones de parque, es el Competidor A mencionado en el análisis QFD, en el sitio http://www.globalinheritance.org/energy-playground, que muestra juegos como por ejemplo bicicletas (bikes) que, mediante el pedaleo permiten generar energía cinética que mediante un alternador se transforma en electricidad, columpios (swings) que mediante el movimiento oscilatorio capturan la energía y la transforman en una fuente de energía de 12 volts, balancines (seesaws) que capturan y almacenan energía en baterías, ruedas para correr (similares a las que se utilizan en jaulas de hamsters), manivelas (hand cranks) que permiten la generación de energía para usos de bajo consumo como por ejemplo escuchar música, y una pista de baile (dance floor) que absorbe la energía potencial de los saltos y de los pasos para transformarlas en electricidad.

Otra opción de parques de juegos, es el Competidor B mencionado en el QFD, del sitio: http://www.coroflot.com/ananyatantia/Energy-Generating-Playground, en el cual se considera la generación de energía mediante mecanismos mecánicos que transmitan el movimiento, el cual mediante generadores permiten generar la energía requerida. Algunos de sus mecanismos se muestran a continuación.

Análisis de Patentes Respecto al análisis y revisión de patentes relacionadas con el tema, se revisó la patente US4538802, la cual muestra una generación alternativa de energía mediante columpios, que mediante la rotación del columpio en sí mismo (cuando se enredan sus cuerdas), permita la generación de energía.

Otro dispositivo mostrado en la patente US7005757 (designación B), muestra un balancín, que mediante el movimiento de resortes, pistones, y movimiento oscilatorio, más un sistema neumático, permite la generación y almacenamiento de energía. Por otra parte, dicha patente muestra una ruleta y una bicicleta que mediante alternadores permiten transformar la energía cinética en energía eléctrica.

Otro dispositivo mostrado en la patente US 2008/0252180 A1, muestra una estructura de juegos del tipo “Mery-go-round” o rueda, que consta de una parte móvil que se conecta a un generador eléctrico que aprovecha el movimiento de rotación cíclico de la estructura.

Otro dispositivo, mostrado en la Patente US7504737 B2, muestra un sistema de conversión electromecánico, diseñado para aparatos del tipo bicicleta, caminadora elíptica o manivela, en que el movimiento oscilatorio se conecta a un generador eléctrico.

Otro dispositivo, mostrado en la Patente US 2013/0017888 A1, muestra un sistema de generación eléctrica a partir de una bicicleta estática, como se muestra en las siguientes figuras.

Otro dispositivo, mostrado en la Patente US 8282794 B2, permite generar, convertir y almacenar energía eléctrica, a partir de una estación de juego conocido como dance floor, en que las personas saltan y realizan coreografías que mueven masa dentro del dispositivo, produciendo la energía.

Otro dispositivo, mostrado en la Patente US 2011/0210563 A1, muestra un sistema de generador magnético, pensado para equipos como bicicletas estáticas, que aumenta la capacidad de generación eléctrica incrementando el número de polos magnéticos, y adicionando sustancias ferromagnéticas.

5.2 Búsqueda interna Como parte de la búsqueda interna, se utiliza el pensamiento creativo (Creative Thinking), en los siete pasos que define Wallas: (1) Encontrar: El problema es la costosa y difícil generación de energía que se utiliza en la isla. (2) Preparación: El envío de petróleo hacia la isla es costoso para los isleños, como también el tiempo de traslado desde donde se adquiere el petróleo hasta la isla es de aproximadamente de tres horas por vía marítima. (3) Concentración: En la búsqueda de parques similares, descubrimos que se utiliza mucho la generación de energía mediante movimientos rotativos y movimientos oscilatorios, los cuales mediante dispositivos electro-mecánicos, mecanismos mecánicos y paneles solares permiten la generación de energía a partir del uso de los juegos. (4) Incubación: No se tiene claro aún qué temática tendrá dicho parque, ya que puede ser un tema selvático, como también uno futurista, que llame la atención y haga que los niños visiten el parque. (5) Iluminación: Concebir un parque con un diseño fuera de lo común para los isleños, en este caso, no con la selva ni con animales (ya que conviven con ellos), sino que un diseño con curvas bien definidas, de estilo futurista, y de colores llamativos para atraer la atención a primera vista de los niños. (6) Verificación: La solución es apropiada ya que los dispositivos mecánicos, si son bien diseñados, son de fácil y rápido mantenimiento (a diferencia de dispositivos eléctricos o electrónicos), además que todas las soluciones parciales que se pueden concebir, son mecanismos sencillos de ensamblar, calcular y de comprender su movimiento. Por otra parte, los dispositivos eléctricos utilizados en almacenamiento y transporte de energía, son equipos ampliamente usados en la industria en general, por lo que se confía en su buen desempeño a pequeña escala. (7) Persuasión: Esta solución es la mejor opción debido a su simplicidad de aplicación, más mecánica que eléctrica, por lo que su mantención es de costo menor, como también su instalación y ensamble. Los dispositivos utilizados generan energía sin emitir sustancias contaminantes al medio ambiente ni producen efectos nocivos en las personas que utilizan dichos juegos, y no requieren una inversión previa para poder generar energía, simplemente que los niños y sus padres puedan recrearse en un parque y paralelamente aporten energía a la isla. Por otro lado, el pensamiento innovador posee ocho dimensiones alrededor del problema: -Experimentación: Para poder estimar ayuda en este juego, se deberían realizar varias simulaciones CAD en ellos, para analizar su comportamiento y puntos críticos de control, con el objetivo de mantenerlos bajo la mira y así poder ir mejorando cada vez más nuestro producto.

-Dimensionalidad: Tiene más curvas y colores llamativos, tiene más espacio para jugar, es de menor costo y posee más juegos. -Direccionalidad: Lo que está hecho son todos los juegos, pero sin el enfoque de generación de energía. -Consolidación: Los canales de generación de energía están unidos para poder almacenarla solo un lugar y no tener almacenamientos varios dentro del parque. -Segmentación: Existen juegos orientados tanto para niños pequeños de hasta diez años, como también otros dispositivos que pueden utilizar los padres de estos niños (mientras vigilan a sus hijos), o adultos que quieran visitar el parque para ejercitar. -Modificación: Las modificaciones realizadas son la inclusión de más formas curvas y de colores llamativos, como también más juegos, y que el parque esté disponible tanto para niños como para adultos. -Similaridad: Todos los juegos basan su generación mediante el uso de juegos tradicionales de plaza o parque, pero con un enfoque de generación de energía mediante pequeñas modificaciones o la inclusión de dispositivos que permitan la generación. Las formas de dichos juegos no varían mayormente, sino que son muy parecidas si es que no son iguales. -Unicidad: Este parque, tiene la particularidad de tener una temática futurista que llame la atención de los niños, como también que los dispositivos (mecanismos) usados sean calculados para que a menor trabajo, produzca mayor movimiento y con ello una mayor eficiencia. Lo que no cambia son las formas de los juegos utilizados, ya que la gran mayoría están basados en la rotación y oscilación de partes del juego.

Con éste análisis en mente, se realizó un Brainstorming, cuyos resultados se muestran a continuación.

Almacenar agua en altura (Central de acumulación por bombeo)

Almacenar Hidrógeno y Oxígeno

Batería

Almacenamiento

Playground nd

Columpios

Balancines

Resbalín Columpio para 4 Juego con mazo

Casa del árbol con polea para subir Poleas con asiento Poleas con las que puedes levantar tu propio peso

Canopi en espiral

Canopi pero con correa/cadena

Barra

Castillo

Casita

Teclado en el suelo

Caminadora

Casa del árbol

Ruletas

Dinosaurios

Isleño

Princesa

Monstruos agradables

Bicicleta

Ruedas

Llamativo

Colores fuertes

Buena accesibilidad

Paneles fotovoltaicos

Caballito con resorte

Futurista Formas definidas pero curvas

Canoas

Juegos.

Concepto de diseño.

Selva

Safari

5.3 Selección de conceptos Elección de un concepto En base a la lluvia de ideas presentada en la Entrega anterior, se seleccionan 4 conceptos para elegir de entre ellos el concepto que guiará el diseño. Las opciones fueron elegidas por medio del sistema Multivoting, donde cada miembro del equipo votó por cada opción, eligiéndose entre las principales opciones los siguientes conceptos (o en este caso, temática) de nuestro diseño de parque: 1) 2) 3) 4)

Dinosaurios Medieval Colores fuertes Futurista

De entre ellos, por medio del método de Pros and Cons, se analizaron las fortalezas y debilidades de cada concepto, determinando que el más trascendental a todo tipo de niños, y el más versátil a la hora del diseño específico, al mismo tiempo que divertido y atractivo a la hora de jugar, sería la opción 2, diseño medieval. Las otras opciones se desecharon por, estar poco relacionadas con la realidad de la isla (un concepto futurista en una isla de carácter rural, puede ser llamativo en un principio, pero después costará que la población originaria aterrice el concepto como para asimilarlo de mejor manera), como también porque no son lo suficientemente llamativas tanto para adultos como niños (dinosaurios, que para interactuar con algo relacionado con ellos, es algo más de interés de niños en particular, que de adultos, siendo que nuestro parque buscamos que esté orientado hacia todo público). Posteriormente, se observará el desarrollo del concepto elegido y las alternativas de este mismo. Generación de alternativas Con el concepto de diseño medieval en mente, se diseñaron 3 alternativas de diseño grueso, pudiendo seleccionar 5 juegos de entre un grupo de 7, que se extrajeron de la lluvia de ideas por medio del método de Pros and Cons. El motivo de esto fue permitir elegir más fácilmente entre las opciones más viables y convenientes, como también las que más ayudan funcionalmente al objetivo global del parque a diseñar: generar energía, si no, el parque no cumpliría a cabalidad su función principal (para la cual es diseñado), como tampoco cumpliría con las expectativas de los habitantes de la isla. Los 7 juegos elegidos para esta etapa fueron: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)

Bicicleta Balancín Ruleta Caminadora Polea Rueda Cuerda

Las alternativas desarrolladas se presentan a continuación. Los juegos anteriormente mencionados, si bien son estructuras ya utilizadas antes en juegos convencionales, y otras en otros parques de generación de energía, se busca ejecutar sobre ellas una serie de modificaciones que permitan que, además de lograr entretener y satisfacer dicha necesidad de los niños, satisfaga la necesidad de electricidad que poseen los habitantes de la isla. Algunos bocetos preliminares creados durante la generación de alternativas son mostrados a continuación.

Alternativa A

Alternativa B

Alternativa C

Posteriormente, para evaluar y seleccionar la alternativa de diseño, se realizó una Matriz de Decisión, por medio del método de Pugh. Tabla 13: Matriz de decisión para el parque de juegos.

CRITERIO DE SELECCIÓN

PESO

CONCEPTO ALTERNATIVA ALTERNATIVA ALTERNATIVA A B C

Entrega diversión

5,9

1

0

0

Permite generar energía

5,5

0

0

0

Permite hacer ejercicios en sus juegos

4,5

0

0

0

Contiene juegos de 12 pies de alto

4,2

0

0

0

Es cómo para los usuarios

3,6

1

0

-1

Es impermeable al óxido

2,9

0

0

0

Puede ser cubierto cuando haya precipitaciones

2,3

0

0

0

El diseño tiene apoyos acolchados

1,9

1

0

1

Se puede descansar

1,4

0

0

0

Se puede beber agua

0,9

0

0

0

Está disponible durante el día

0,4

0

0

0

Puede ser utilizado por todo tipo de gente

0,3

0

0

0

Tiene buenos accesos

10,3

0

0

0

Posee buena visibilidad desde cualquier punto de él

7

1

0

-1

Tiene iluminación de noche

5

0

0

0

Contiene los componentes de almacenamiento de energía fuera del alcance de las personas

2,9

0

0

0

Posee vértices curvos

0,7

-1

0

0

Es de bajo costo

13,3

-1

0

0

La cantidad de energía producida es suficiente para iluminar las calles

6,6

0

0

0

Se mantiene en buen estado por un periodo considerable y de tiempo y funciona cuando se requiere

6,8

1

0

0

4

1

0

0

Es de fácil instalación

1,1

1

0

1

Posee árboles, plantas y pasto

3,9

0

0

0

Es limpio, no posee basura

2,2

0

0

0

La interacción de los componentes no produce ruido en el parque

0,7

1

0

1

Es de colores brillantes

1,2

-1

0

-1

El diseño es llamativo en sus formas

0,5

0

0

0

TOTAL SCORING

100

15,8

0

-8,1

1

2

3

Es de rápido mantenimiento

RANK

En base a la Matriz, notamos que la Alternativa A es la que mejor satisface los Objetivos de Diseño, por lo que dicha alternativa es la seleccionada. Por lo tanto, los juegos a desarrollar serán: Balancín, Cuerda, Castillo, Rueda, Ruleta y Columpio.

6. Diseño Final En base al diseño conceptual, y a los bocetos creados, se procede al diseño de detalle, donde cada juego es diseñado, los materiales son seleccionados, las distintas partes son dimensionadas por medio de una memoria de cálculo, y posteriormente analizadas por medio de modelos computacionales con el software ANSYS para su validación. A continuación se presenta el detalle de cada juego diseñado. 1) Balancín Se considera un balancín con un diseño similar a los usuales, vistos en las patentes estudiadas, pero añadiendo dos mecanismos para recolectar energía: el primero recolecta la energía obtenida por el giro en el pasador central, por medio de una bobina; y el segundo recolecta la energía de los costados, añadiendo un pistón a cada lado, accionado por la viga principal del juego.

Selección de materiales y diseño de detalle Para la selección de materiales, se consideraron las cargas a las que estarían sometidas las distintas partes de los juegos, considerando el tipo de carga, su intensidad, y su variación en el tiempo. Para el caso del balancín, se requiere de una alta resistencia mecánica, debido a las cargas cíclicas de los niños, que se ejercen hacia arriba y abajo oscilantemente, produciendo fatiga sobre los componentes del ensamblaje. Además, se requiere que el material sea además resistente a la corrosión debido a la humedad y salinidad ambiente. En cada lado del juego, pueden actuar fácilmente 800 N, además de momentos en las manillas de 230 N.m, alcanzando una fuerza en el pasador central de más de 1500 N, lo que convierte a dicho pasador en el elemento más solicitado del conjunto, tal como se detalla en la memoria de cálculo. Se dimensiona el pasador con un Factor de Seguridad de fatiga a vida infinita de 2,70, fijándose en 45 mm, y se escoge acero inoxidable por sus prestaciones para las necesidades descritas. Dado que el pasador gobierna el diseño del conjunto, se calcula todo en base a esta medida, dimensionando la viga principal, con un espesor de 60mm para asegurar la estabilidad del pasador, un ancho de 250mm para que caiga apropiadamente un niño sentado, y un largo de 3000mm. Debido a las cargas de flexión altas a las que está sometida esta pieza, además del propio peso, se considerando acero inoxidable para su diseño, y se obtiene un Factor de Seguridad de fatiga a vida infinita de 6,80, por lo que los valores son validados. No se considera disminuir este factor debido a que reducir el tamaño afectaría el buen funcionamiento del juego, y, por otro lado, al tratarse de vidas humanas, es mejor realizar cálculos conservadores. En base a esta pieza, son dimensionadas las otras del juego. El detalle de los cálculos se muestra en la memoria de cálculo adjunta. Modelo computacional Por medio del software ANSYS, se busca realizar un análisis de esfuerzos y deformación que permita validar el dimensionado hecho por medio de la memoria de cálculo. Así, se obtienen los resultados presentados a continuación.

Figura: Deformación total calculada en el modelo del balancín por medio del software ANSYS.

Figura: Esfuerzo equivalente de Von-Mises calculada en el modelo del balancín por medio del software ANSYS.

Figura: Intensidad del esfuerzo calculada en el modelo del balancín por medio del software ANSYS.

La deformación máxima del conjunto se aprecia en la zona del pasador, donde se alcanza un valor de 0,2537mm, lo que es aceptable. Por otro lado, el esfuerzo máximo llega a 6,69MPa en los pistones, y 2,66MPa en la viga, lo que concuerda con la memoria de cálculo. Así, el diseño responde bien a las solicitaciones, por lo que es validado, y se realizan los planos de fabricación correspondientes.

2) Rueda Para la rueda, se consideró un diseño del tipo “rueda de hámster”, con una variante. Hay una rueda exterior que permanece fija, y otra interior que se mueve producto del caminar del niño. Ambas ruedas se conectan por medio de polines, los cuales son los encargados de transmitir el movimiento, que es captado para generar energía. Para la seguridad del niño, se considera un ancho de 1029mm. Para un correcto funcionamiento del sistema, se considera un diámetro exterior de 2300mm y un diámetro interior de 2100mm.

Selección de materiales y diseño de detalle Para el caso de la rueda, se consideró de la misma forma dos materiales distintos. Para la rueda exterior se consideró acero inoxidable, mientras que para la rueda interior se consideró PVC, debido a que se requiere que sea resistente, pero de bajo peso, y el acero generaría un peso muy alto sobre los polines. Para los polines, se considera que realizarán un giro constante, por lo que el roce, la torsión, y la necesidad de resistencia, llevan a decidir que el material sea acero. Debido a que este elemento es crítico, se realiza un análisis de cargas. Se considera que la velocidad máxima será de 3,5m/s, y que la aceleración máxima será 7m/s2. Así, se tendrá un momento torsor de 53 N.m. Dado que este elemento debe permitir el movimiento de la rueda interior, su diámetro no puede ser mayor a 60mm, ni menor a 30mm. Se escoge un diámetro de 50mm, con lo que el esfuerzo de corte sobre el mismo llega a 2MPa, y se obtiene un Factor de Seguridad para fatiga a la

vida infinita de 82,87. Si bien este valor es excesivo, sirve para verificar un valor, puesto que la restricción de diseño en este caso es mayor que la solicitación mecánica. Modelo computacional Por medio del software ANSYS, se busca realizar un análisis de esfuerzos y deformación que permita validar el dimensionado hecho por medio de la memoria de cálculo. Así, se obtienen los resultados presentados a continuación. En primer lugar, analizamos el rodillo, que, como se mencionó, es un elemento crítico del diseño.

Figura: Esfuerzo equivalente de Von-Mises calculado en el modelo del rodillo de la rueda por medio del software ANSYS.

Figura: Intensidad del esfuerzo, calculada en el modelo del rodillo de la rueda por medio del software ANSYS.

Figura: Deformación total, calculada en el modelo del rodillo de la rueda por medio del software ANSYS. Se puede observar que para el modelo del rodillo se obtiene una deformación máxima en el medio de 0,132mm, lo que es aceptable. Por otro lado, el esfuerzo máximo asciende a 8,74MPa. Así, el modelo para los rodillos o polines es validado. Posteriormente, se analiza la rueda interna.

Figura: Esfuerzo Equivalente de Von-Mises, calculado en el modelo del cilindro interior de la rueda por medio del software ANSYS.

Figura: Intensidad del esfuerzo, calculada en el modelo del cilindro interior de la rueda por medio del software ANSYS.

Figura: Deformación total, calculada en el modelo del cilindro interior de la rueda por medio del software ANSYS. Se observa que la deformación máxima es de 7mm, en el peor de los casos en que el elemento está libre, sin embargo en la realidad no es así, por lo que el resultado es aceptado. Por otro lado, el esfuerzo máximo es de 2,84MPa, lo que se condice con la memoria de cálculo. Así, el modelo es validado. Por último, se analiza la rueda exterior.

Figura: Intensidad del esfuerzo, calculada en el modelo del soporte exterior de la rueda por medio del software ANSYS.

Figura: Esfuerzo Equivalente de Von-Mises, calculado en el modelo del soporte exterior de la rueda por medio del software ANSYS.

Figura: Deformación total, calculada en el modelo del soporte exterior de la rueda por medio del software ANSYS. Notamos que la deformación total es de 0,0000191mm, que es aceptada. Por otro lado, el esfuerzo máximo es de 0,02MPa. Así, el diseño responde bien a las solicitaciones, por lo que es validado, y se realizan los planos de fabricación correspondientes. 3) Columpio

El diseño del columpio contempla un asiento doble, donde un niño se sienta a cada lado de éste, el cual es soportado por dos pasadores y cuatro tirantes, dos en cada pasador, los cuales llegan a otros dos pasadores en la parte superior, que son unidos mediante una estructura a cuatro soportes. Así, mediante la oscilación del columpio, se genera energía eléctrica. Selección de materiales y diseño de detalle Debido a que se requiere rigidez y resistencia en la estructura, soportando a los niños de manera segura, se consideró acero inoxidable para ésta. Además, para el asiento se consideró un material plástico de menor peso, PVC, el cual también entrega mayor adherencia a los niños al asiento, y es más cómodo para su uso. Para el dimensionamiento de este conjunto, se consideró una carga de 490N, referente a dos niños más el peso de la estructura. Así, se calculó los soportes. Dado que se dividen la carga en cuatro, y que la soportan de manera exéntrica, es preciso tener una buena resistencia, aunque al mismo tiempo disminuir el peso, por lo que se consideran tubos de acero, de 1 pulgada de diámetro y 1,5mm de pared, con lo que se obtiene un Factor de Seguridad de 7,50. Se verifica además que este valor responde bien a fatiga de compresión, y fatiga por fuerzas laterales que cambian de dirección, con Factores de seguridad para vida infinita de 77,83 y 26,08 respectivamente. El elemento más solicitado del conjunto es el pasador, pues se ve sometido a grandes fuerzas de corte, además del roce y la torsión. Por esta razón, se dimensiona por resistencia, obteniendo un diámetro de 23,046mm, sin embargo al verificar por fatiga para vida infinita dicho valor produce falla. Así, diseñando el eje para fatiga, se obtiene un diámetro de 45mm con un Factor de Seguridad para fatiga a la vida infinita de 7,07, valor que se fija alto por la seguridad de dicho elemento, y su solicitación. Modelo computacional Por medio del software ANSYS, se busca realizar un análisis de esfuerzos y deformación que permita validar el dimensionado hecho por medio de la memoria de cálculo. Así, se obtienen los resultados presentados a continuación.

Figura: Deformación total, calculada en el modelo del asiento del columpio, por medio del software ANSYS.

Figura: Esfuerzo equivalente de Von-Mises, calculado en el modelo del asiento del columpio, por medio del software ANSYS.

Al analizar el asiento, se observa que el modelo responde bien pues se encuentra una baja deformación (0,0194mm) y un bajo esfuerzo máximo (0,065MPa). Así, es aceptado el diseño del elemento.

Figura: Esfuerzo equivalente de Von-Mises, calculado en el modelo del pasador del columpio, por medio del software ANSYS.

Figura: Deformación total, calculada en el modelo del pasador del columpio, por medio del software ANSYS.

Respecto al pasador, notamos que se obtiene un esfuerzo máximo de 1,70MPa, valor que se condice con el calculado en la memoria de cálculo, de 1,23MPa. Por otro lado, la deformación es de 0,00157mm, valor aceptado para este elemento.

Figura: Esfuerzo equivalente de Von-Mises, calculado en el modelo del tirador del columpio, por medio del software ANSYS.

Figura: Deformación total, calculada en el modelo del tirador del columpio, por medio del software ANSYS.

Para el tirador, se obtiene un esfuerzo de 1,29MPa, coherente con la memoria de cálculo. Por otro lado, la deformación máxima es de 0,00515mm, aceptable para el elemento. Así, el diseño responde bien a las solicitaciones, por lo que es validado, y se realizan los planos de fabricación correspondientes.

4) Ruleta Para el diseño de la ruleta, se considera un sistema en el que todos los elementos van soldados, y diseñados para girar a una velocidad de 14 m/s, con 6 niños encima del asiento, el cual es soportado por los elementos de tipo tubo. El giro de la ruleta es el que genera energía por medio de una bobina en la parte inferior de la misma. Para contener la capacidad de niños deseada, se desea que el diámetro externo sea de 1525mm y el interno de 1025mm.

Selección de materiales y diseño de detalle Debido a la alta torsión y velocidad angular a la que se verá sometida la ruleta, a la vez que fuerzas centrífugas de casi 200N cuando funcione a su máxima capacidad, es que se requiere un material resistente como el acero para su construcción. El diseño deberá reducir al mínimo posible la cantidad de material, para así reducir el peso, manteniendo la seguridad de los niños. Considerando el asiento, se tiene un momento importante de flexión, de 155 N.m, sobre los 250mm de ancho que posee. Al tomar en cuenta un espesor de 10mm para el asiento, lo cual es ergonómico, y viable económicamente, se obtiene un factor de seguridad para fatiga

a la vida infinita de 50,22. No es necesario reducir más este espesor, por lo que se el espesor es fijado en 10mm. Para las varillas, se considera tubos macizos de acero, que deben poder resistir el peso de la estructura más los niños. Al calcular los tiradores, se determina que se requieren 3 tiradores con un diámetro de 25mm, con lo que se obtiene un momento flectante de 120 N.m, y un Factor de Seguridad para fatiga a la vida infinita de 2,32. Al respecto, el Esfuerzo total máximo es de 163 MPa. Posteriormente, es necesario dimensionar el eje, que soporta toda la estructura y transmite el movimiento a una bobina para generar energía. Considerando un largo de 320mm, se obtiene un diámetro de 80mm con un Factor de Seguridad para fatiga a la vida infinita de 9,32. Modelo Computacional Por medio del software ANSYS, se busca realizar un análisis de esfuerzos y deformación que permita validar el dimensionado hecho por medio de la memoria de cálculo. Así, se obtienen los resultados presentados a continuación.

Figura: Esfuerzo equivalente de Von-Mises, calculado en el modelo de la ruleta, por medio del software ANSYS. Se puede apreciar que el esfuerzo máximo es de 175MPa, coherente con el obtenido en la memoria de cálculo, de 163MPa. Considerando el factor de armadura, se obtiene que el esfuerzo se reparte adecuadamente en la estructura, y el diseño es aprobado. Respecto a la deformación máxima, se obtiene 6,1mm, considerando el peor de los casos, el cual nunca se dará en la realidad, por lo que el valor es aceptado. Así, el diseño responde bien a las solicitaciones, por lo que es validado, y se realizan los planos de fabricación correspondientes.

Figura: Deformación total calculada en el modelo de la ruleta, por medio del software ANSYS. 5) Cuerda El diseño de la cuerda, considera una cuerda usual para saltar, amarrada a un disco de manera exéntrica, al que transmite su movimiento, produciendo la rotación de éste. El disco a su vez está unido a un eje que, por medio de bobinas, convierte el movimiento de giro en energía eléctrica. El disco de giro está contenido en un contenedor circular, que permite a su vez fijarlo al castillo. Una de las funciones secundarias del disco es dar estabilidad al movimiento y a la generación de energía, por medio de su momento de inercia, que obtiene por su masa.

Selección de materiales y diseño de detalle Para el caso de la cuerda, se tiene que el eje central estará sometido a un giro constante y grandes esfuerzos de torsión, debido al giro, que considera una velocidad de 2 [rev/s], y flexión, debido a las fuerzas producidas por la oscilación de la cuerda, que alcanzarán casi 20 N.m. Estas cargas generarán fatiga, por lo que el eje no puede ser de un material plástico, sino de acero inoxidable. Esto generará que la masa del disco sea un elemento crítico en el diseño, pues al ser muy pesado la cuerda girará con dificultad, y al ser muy liviano no se generará energía suficiente. Dado que el diámetro del disco debe ser lo suficientemente grande como para permitir el giro de la cuerda, el espesor del disco es un elemento gobernante en el diseño, junto al diámetro del eje de giro. En base a la memoria de cálculo, se dimensiona el eje con 180mm de diámetro, valor que no puede ser menor para un correcto funcionamiento, y eso implica que el espesor óptimo será 12mm. Con este valor, la masa del disco de inercia será 2,29kg. Así, el momento torsor alcanzado será de 233 N.m. Dado que el largo del eje debe permitir la ubicación de una bobina a su alrededor, se considera una extensión de 300mm, por lo que el eje es dimensionado de 25mm, con un Factor de Seguridad a la fatiga para vida infinita de 2,44. Como el casquete exterior no tiene mayores cargas, se dimensiona con un material de resistencia media, y más liviano que el acero, PVC. 6) Castillo El diseño del castillo obedece en primer lugar a requerimientos del diseño conceptual. Debido a que se busca que aproximadamente 10 niños o más puedan jugar cómodamente en su interior, emulando un castillo medieval, se fija como restricción el tamaño de los espacios interiores. Se considera un primer piso al que se accede por adelante y atrás, por medio de una puerta de 500mm de ancho, y dos ventanas, una a cada lado. En el interior de esta primera habitación, dimensionada de 3720mm de largo, y 2100mm de ancho, con un alto de 1350mm. Esta habitación permite acceder al primer piso de las torres, de 2100mm de diámetro. La primera habitación también posee una escalera para subir al segundo piso del castillo, que posee entradas para el segundo piso de las torres, igual a los primeros. En cada segundo piso de las torres hay escaleras para llegar al tercer piso de éstas. Así, la altura total de las torres llega a 3200mm. Este dimensionado fue restringido por las condiciones de seguridad.

Selección de materiales y diseño de detalle Dado que se requiere de una alta resistencia en un conjunto de gran tamaño, reducir el peso es vital. Por otro lado, en caso de una caída de un niño dentro del juego, un material lacerante sería muy poco ventajoso, por lo que se descarta acero. Frente a esta disyuntiva, se considera PVC, puesto que este material posee una alta resistencia con una mejor densidad que el acero, y al mismo tiempo es seguro para los niños. Por otro lado, posee una buena resistencia a la corrosión. Un elemento crítico, tanto para la alta resistencia como para el bajo peso de la estructura, es el espesor de paredes y techos. Se calcula una carga de 8000N sobre el castillo, considerando 10 niños jugando más el peso de la estructura, por lo que se dimensiona el piso del segundo y tercer nivel con un espesor de 50mm, con un Factor de Seguridad de 2,02 para fatiga a la vida infinita. No se sobrevalorará el factor de seguridad debido a que el cálculo se realizó en la peor de las condiciones, en la práctica no factible, considerando todos los niños como una carga puntual en el centro de la estructura, saltando de manera cíclica sobre ella, una y otra vez. Por otro lado, no se tomó en cuenta la estructura tridimensional del castillo, que genera un efecto armadura que eleva considerablemente la resistencia. Así, elevar más el espesor innecesariamente implicaría aumentar el peso y los costos de la estructura considerablemente. Para el caso de las paredes, se consideró igualmente el caso más crítico, obteniéndose un espesor de 35mm de pared con un Factor de Seguridad por pandeo de 12,25. Se considera un valor apropiado, pues no se analizó la fatiga de las paredes por no ser una de sus cargas principales.

1. Conclusiones El presente proyecto contempló el diseño mecánico aplicado a mecanismos que se utilizan fuera de una industria, en este caso, juegos para un parque, comenzando desde el análisis inicial de un problema, pasando por las necesidades de los usuarios, la estructura funcional, las restricciones y las limitantes de diseño, el diseño conceptual, la generación y selección de conceptos, hasta llegar al diseño de detalle. Así, se aplicaron los conocimientos adquiridos a lo largo de todos los años de estudio, como dibujo técnico, diseño conceptual, métodos de resolución de problemas de diseño, simulaciones numéricas, cálculo y dimensionado de partes de máquinas, entre otros, además del Inglés, que permitió realizar un FeedBack con alumnos de la universidad PennState en Estados Unidos que realizaban el mismo proyecto. Así, el proyecto permite aplicar los distintos conocimientos y habilidades ingenieriles que se han adquirido lo largo de la carrera a un problema real, para el cual se ofrece una solución concreta y validada por la ingeniería respectiva. Respecto a la solución presentada, la alternativa de parque temático basada en Medieval, con castillos y elementos similares, se considera atractiva para los usuarios. Por otro lado, se diseñaron 5 juegos más un castillo, que permiten diversión a medida que los niños entregan energía a su comunidad, por lo que el

la Edad posibles entregar objetivo

del proyecto se cumple apropiadamente, al mismo tiempo que se verifican las restricciones de diseño impuestas. Por medio del software ANSYS se logró verificar el dimensionado realizado manualmente por medio de la memoria de cálculo, obteniendo resultados muy similares. Al respecto, el modelo computacional es una herramienta poderosa para el análisis de esfuerzos, deformaciones, y fallas, así como el comportamiento de diferentes materiales. Una de las mayores conclusiones que se pueden obtener, es que el diseño es un proceso en que constantemente hay que volver atrás para corregir detalles, errores, o cosas que no se tomaron en cuenta la primera vez. Por ejemplo, al crear el diseño preliminar de los juegos, luego se hicieron modificaciones, y al pre-dimensionarlos sin ningún cálculo previo, luego de verificar los esfuerzos, se debió redimensionar los cálculos, en algunas ocasiones más de una vez para las distintas piezas de los juegos. De la misma forma, fue necesario revisar aspectos del diseño conceptual, de las restricciones, las alternativas presentadas, y de otros aspectos del proceso de diseño. Se puede concluir que mientras más avanzado está el proceso de diseño, más costoso es un cambio en las etapas anteriores, tanto en tiempo como en dinero. Por último, el diseño es una labor apasionante que requiere de gran creatividad, pero sobre todo, gran perseverancia, persistencia, y tolerancia a la frustración, para dar a luz diseños que tanto en el aspecto económico, mecánico, y también artístico, sean exactamente lo que los clientes y las empresas buscan.

APÉNDICE A: MEMORIA DE CÁLCULO 1) Castillo

Material: Segundo piso PVC F 8000 l 3720 l2 2100 h 1350 espesor 50 Módulo de Elasticidad E 2943 densidad 1400 q S_y S_u S_e V_p V_c V_max M_p M_c M_max I_theta W_theta Esfuerzo normal max Esfuerzo normal min Esfuerzo_m Esfuerzo_a FS Goodman FS Gerber

44 7,2648576 2696,112594 4000 6696,112594

N mm mm mm mm MPa PVC kg/m3 N/m m MPa MPa MPa N N N

1671589,808 3720000 5391589,808 21875000 875000 6,161816924 0 3,080908462 3,080908462 2,023863566 2,297024227

N.mm N.mm N.mm mm4 mm3 MPa MPa MPa MPa [-] [-]

1,4495229 [-]

Ka Kb Kc Kd Ke Se '

0,90 0,70 0,65 1,00 0,80 22,17 6

Paredes Material: PVC P 4000 N e 1860 mm l 1350 mm c 1,2 [-] espesor pared 35 mm S_yc 47,8728 Mpa A I_theta k P_crit1 P_crit2 FS

73500 7503125 10,10 48980,84 48980,84 12,25

mm2 mm4 N N [-]

Área 56000 efectiva

Superficie Tamaño y forma Tipo de carga Temperatura Concentración de esfuerzos

2) Columpio

Soportes Material: Acero Módulo de Elasticidad E 207000 MPa P 490,5 N E 450 mm L 2500 mm C 1,2 [-] D 22,4 mm D 25,4 mm S_y S_u S_yc A I_theta K P_crit1 FS Soporte compresión fatiga Esfuerzo min Esfuerzo max Esfuerzo a Esfuerzo m S_e FS

Soporte fatiga lateral F_corte1 F_corte2 Esfuerzo min Esfuerzo max Esfuerzo a Esfuerzo m S_e FS

310,26 655 279,234 112,6260966 8073,320172 8,47 3680,83 7,50

MPa MPa Mpa mm2 mm4

Emp-Emp Catálogo Catálogo Acero inoxidable 310

N [-]

3,33621435 4,35511853 0,50945209 3,84566644 73,0085806 77,8257235

MPa MPa MPa MPa MPa [-]

315,287323 315,287323 2,79941623 2,79941623 2,79941623 0 73,0085806 26,0799305

N N MPa MPa MPa MPa MPa [-]

Ka Kb Kc Kd Ke Se'

0,53 0,98 0,75 0,95 0,60 330,12

Superficie Tamaño y forma Tipo de carga Temperatura Concentración de esfuerzos

Pasador d T_adm kf kt Mf A I k alfa F_a M_t I_o W_o T d_resistencia Gm' Ga' Se FS ASME FS Goodman FS Soderberg

Material: Acero 45 93,078 3 1,5 73575 1590,431281 201288,959 11,25 1,047120419 981 22072,5 402577,918 17892,35191 1,233627648 23,046 2,136705764 8,224184319 61,13780501 7,424181878 7,257897477 7,071854426

mm Mpa

N.mm mm2 mm4

N N.mm mm4 mm3 MPa mm MPa MPa MPa [-] [-] [-]

Ka Kb Kc Kd Ke Se'

0,52976757 0,81774241 0,75 0,95 0,6 330,12

3) Balancín

Balancín Material: Acero Módulo de Elasticidad E 207000 MPa S_y 310,26 MPa S_u 655 MPa S_yc 279,234 Mpa Se 59,4810216 MPa densidad 7500 kg/m3 F 784,8 N R 1569,6 N M 223668 N.mm largo 3000 mm espesor 60 mm ancho 250 mm q 1,10932875 N/mm Mfmax 2648862,84 N.mm I_theta 4500000 mm4 W_theta 150000 mm3 Esfuerzo normal maximo 17,6590856 MPa Mfmin 294462,844 N.mm Esfuerzo normal minimo 1,96308563 MPa Esfuerzo a 7,848 MPa Esfuerzo m 9,81108563 MPa FS Goodman 6,80642522 [-]

Ka Kb Kc Kd Ke Se'

0,80 0,70 0,65 0,90 0,55 330,12

Superficie Tamaño y forma Tipo de carga Temperatura Concentración de esfuer

Pasador d T_adm kf kt Mf A I k alfa F_a M_t I_o W_o T d_resistencia Gm' Ga' Se FS ASME FS Goodman FS Soderberg

Material: Acero 45 93,078 3 1,5 196200 1590,43128 201288,959 11,25 1,04712042 1569,6 35316 402577,918 17892,3519 1,97380424 31,93 3,41872922 21,9311582 61,137805 2,78640011 2,74773405 2,70463451

mm Mpa

N.mm mm2 mm4

N N.mm mm4 mm3 MPa mm MPa MPa MPa [-] [-] [-]

Ka Kb Kc Kd Ke Se'

0,52976757 0,81774241 0,75 0,95 0,6 330,12

Superficie Tamaño y forma Tipo de carga Temperatura Concentración de esfuer

4) Cuerda Eje Módulo de Elasticidad E S_y S_u S_yc Se densidad w w alfa d disco l disco d eje l eje Masa disco I M_t Mfdisco Mfpersona Mfmax T_adm kf kt A I k alfa I_o W_o T d resistencia Tm Ta Ga Gm Ga' Gm' Se FS ASME FS Goodman FS Soderberg

Material: Acero 207000 MPa 310,26 MPa 655 MPa 279,234 Mpa 0 MPa 7500 kg/m3 2 rev/s 12,5663706 rad/s 25,1327412 rad/s^2 180 mm 12 mm 25 mm 300 mm 2,29022104 kg 9275,39523 kg.mm2 233116,108 N*mm 2246,70684 N*mm 18639 N*mm 20885,7068 N*mm 93,078 MPa 2 3 490,873852 mm2 19174,7598 mm4 6,25 1,02564103 38349,5197 mm4 3067,96158 mm3 75,9840377 MPa 13,71 mm 0 MPa 75,9840377 MPa 13,615364 MPa 0 MPa 20,3305251 MPa 0 MPa 49,5912753 MPa 2,43925206 [-] 2,43925206 [-] 2,43925206 [-]

Ka 0,529767567 Superficie Kb 0,413129889 Tamaño y forma Kc 0,85 Tipo de carga Kd 0,95 Temperatura Ke 0,85 Concentración de esfuerzos Se' 330,12

5) Ruleta

Asiento Módulo de Elasticidad E S_y S_u S_yc Se densidad F Mt l espesor Detx Dint q Mfmax A I_theta W_theta Esf n max Esf n min Esfuerzo_m Esfuerzo_a FS Goodman

Material: Acero 207000 MPa 310,26 MPa 655 MPa 279,234 Mpa 105,374304 MPa 7500 kg/m3 3000 N 1043000 N.mm 250 mm 10 mm 1525 mm 1025 mm 0,46467454 N/mm 155146,0794 N.mm 2651700,549 mm2 32724923,47 mm4 42917,93243 mm3 3,61494766 MPa 0 MPa 1,80747383 MPa 1,80747383 MPa 50,21998391 [-]

Tirador l d A I_theta W_theta Factor armadura Mf Esf n max Esf n min Esf m Esf a FS Goodman

Metal: Acero 400 25 490,8738521 19174,75985 1533,980788 0,3 120000 78,22783763 0 39,11391881 39,11391881 2,320690675

mm mm mm2 mm4 mm3 N.mm Mpa MPa MPa [-]

Ka Kb Kc Kd Ke Se'

0,80 0,75 0,70 0,95 0,80 330,12

Superficie Tamaño y forma Tipo de carga Temperatura Concentración de esfuerzos

Eje d largo T_adm kf kt Velocidad F_centrifuga Mf A I k alfa F_a M_t I_o W_o T d_resistencia T_max T_min T_a T_m Esf n max Esf n min Esf n a Esf n m Gm' Ga' Se FS ASME FS Goodman FS Soderberg

Metal: Acero 80 320 93,078 1,5 1,5 14,37278639 193,3174807 61861,59382 5026,548246 2010619,298 20 1,086956522 7000 1043000 4021238,597 100530,9649 10,37491285 19,83 10,37491285 -10,3749129 10,37491285 0 2,623303058 0,795774715 0,913764171 1,709538887 17,99309354 1,709538887 34,72587765 13,14560529 13,03782511 9,326345506

mm mm MPa

m/s N N.mm mm2 mm4

N N.mm mm4 mm3 MPa mm Mpa Mpa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa [-] [-] [-]

Ka 0,529767567 Superficie Kb 0,603733617 Tamaño y forma Kc 0,577 Tipo de carga Kd 0,95 Temperatura Ke 0,6 Concentración de esfuerzos Se' 330,12

6) Rueda Rodillos densidad S_y S_u S_yc Peso disco interno Peso niño Fuerza niño d rodillo v_max a_max largo I M_t F_tot I_o W_o T T_max T_min T_a T_m Esf n max Esf n min Esf n a Esf n m Gm' Ga' Se FS ASME

Material: Acero 7500 kg/m3 310,26 MPa 655 MPa 279,234 Mpa 1050 N 800 N 800 N 50 mm 3,5 m/s 7 m/s2 1029 mm 7,57663791 kg.m2 53036,4654 N.mm 2015,56444 N 613592,315 mm4 24543,6926 mm3 2,1609 MPa 2,1609 Mpa -2,1609 Mpa 2,1609 MPa 0 MPa 0,1 MPa -0,1 MPa 0,1 MPa 0 MPa 3,74412425 MPa 0 MPa 43,4073471 MPa 82,8658396 [-]

Ka 0,52976757 Superficie Kb 0,60373362 Tamaño y forma Kc 0,577 Tipo de carga Kd 0,95 Temperatura Ke 0,75 Concentración de esfuerzos Se' 330,12

APÉNDICE B: PLANOS DE FABRICACIÓN A continuación se adjuntan los planos de fabricación de cada juego.