Desarrollo de Producto

Anonimizado: realizado para un fabricante portugués mostrado aquí como “el fabricante”. Las cifras son ilustrativas y no contienen datos de cliente ni detalles de producto identificables.

El reto

Con la estrategia de producto definida (véase el caso de estudio complementario, Calcular el coste de la estrategia antes de invertir en utillaje), la válvula de descarga todavía tenía que diseñarse, prototiparse y validarse. El objetivo era una exigente norma europea, la EN 14055, que fija ventanas de aceptación tanto para la descarga completa como para la reducida — gobernadas por efectos hidráulicos (flotabilidad, tensión superficial, el efecto pistón del flotador) difíciles de predecir solo a partir de los primeros principios. Equivocar el mecanismo significa incumplir la norma, o entregar de más o de menos agua en cada descarga, durante toda la vida del producto.

Qué hicimos

Ideación, modelado y prototipado — un modelo hidráulico paramétrico calibrado para guiar el diseño, iteración en CAD sobre un mapa de versiones vivo, y prototipos impresos en 3D probados en agua en cuestión de días.
DOE, causa raíz y ensayos de laboratorio — un experimento factorial 2³ y un análisis de causa raíz realizados en nuestro propio banco, seguidos de un modelo de regresión y una optimización frente a la norma europea de descarga.

Enfoque

1 — Idear, modelar y prototipar

Pasamos del problema al hardware en ciclos cortos. Definimos los objetivos funcionales — los volúmenes de descarga completa y reducida exigidos por la norma europea de descarga — e ideamos los mecanismos para alcanzarlos.

Para guiar el diseño en lugar de adivinar, construimos un modelo hidráulico paramétrico de la válvula — volúmenes, caudales, flotabilidad, peso y tiempos — y lo calibramos con mediciones de banco. El modelo predice cómo cada cambio geométrico desplaza el volumen de descarga (subir el flotador, estrechar un tubo, desplazar el punto de equilibrio), de modo que las decisiones de diseño se tomaron con base en el conocimiento físico, no por ensayo y error.

El modelo hidráulico paramétrico (línea) calibrado con mediciones de banco (puntos): volumen descargado a lo largo de una descarga completa. Una vez calibrado, predijo el efecto de cada cambio de diseño antes de imprimir ninguna pieza.

Después iteramos en CAD sobre un mapa de versiones vivo e imprimimos en 3D cada candidato para probarlo en agua en cuestión de días — diámetros de tubo, volúmenes de flotador, conos de sellado, contrapesos — manteniendo lo que funcionaba y archivando lo que no. Tras varias generaciones de prototipos, la descarga completa estaba en el objetivo y el diseño se consolidaba hacia menos piezas, más simples.

Piezas de prototipo impresas en 3D, embolsadas y etiquetadas, de sucesivas iteraciones de diseño, junto a dos mecanismos de válvula ensamblados y un portátil. — Sucesivas iteraciones de prototipos impresos en 3D, cada bolsa con una configuración en prueba — diámetro del pasador, diámetro del orificio — etiquetada y seguida generación a generación.

2 — Demostrarlo: DOE, causa raíz, y nuestro propio banco

Cuando los primeros prototipos se quedaron cortos en la descarga objetivo, no adivinamos. Hicimos un análisis de causa raíz, mapeando cada factor que contribuye al volumen de descarga — caudales, flotabilidad, peso, y efectos dinámicos como la tensión superficial y el efecto pistón del flotador — y probamos los sospechosos uno por uno.

Para determinar qué controla realmente la descarga, diseñamos un experimento factorial 2³ — tres factores (nivel de agua en el depósito, ventana de descarga completa, ventana de descarga reducida), ocho ensayos — y realizamos todas las pruebas nosotros mismos en un banco de ensayos, cronometrando cada descarga y midiendo a mano el volumen y el caudal descargados. Esta es la parte que la mayoría de las consultoras subcontrata u omite; nosotros hicimos el trabajo.

Efectos principales del experimento 2³. El nivel de agua domina ambas descargas; la ventana de descarga completa tiene un efecto secundario solo en la descarga completa. Las interacciones de orden superior fueron despreciables — el sistema es esencialmente lineal.

Como los efectos eran esencialmente lineales, ajustamos un modelo de regresión — un ajuste perfecto sobre el diseño ortogonal — y lo usamos para simular miles de descargas virtuales. Puntuando cada ajuste por su distancia a las ventanas de aceptación de la norma, una búsqueda de Monte Carlo encontró la regulación más cercana a la norma.

Cada descarga representada como volumen completo frente a reducido, contra las ventanas de aceptación de la norma. De 3.000 ajustes virtuales, el modelo localizó una única regulación que caía dentro de ambas — descarga completa y reducida satisfechas a la vez.

El resultado es una decisión de producto: una única regulación de fábrica puede satisfacer tanto la variante de 6/3 L como la de 4/2 L — menos códigos de producto, montaje más simple, y un camino para eliminar por completo las ventanas de ajuste.

Resultado

Llevamos el producto elegido hasta un prototipo validado y conforme a la norma, y dejamos al fabricante un modelo calibrado que le permite optimizar regulaciones sin volver al banco de ensayos. Este trabajo de ingeniería se derivó directamente de un análisis tecno-económico anterior que seleccionó la estrategia de producto — véase el caso de estudio complementario, Calcular el coste de la estrategia antes de invertir en utillaje.