Ciencia y Tecnología como Herramientas para el Desarrollo

Transcripción

Ciencia y Tecnología
como Herramientas para
el Desarrollo de
Producto.
Martyn R. Shorten, Ph.D.
BioMechanica, LLC
Portland, Oregon, USA
Ciencia, Tecnología, Desarrollo de Producto
Ciencia:
• Conocimiento
• El proceso de adquirir
conocimiento
(Investigación)
Tecnología:
• Creación y uso de
Invenciones
Procesos
Métodos
Producto:
• Resultado de un
Proceso
• Solución a un
Problema
Ciencia, Tecnología, Desarrollo de Producto
Ciencia:
Tecnología:
• Conocimiento
• El proceso de adquirir
conocimiento
(Investigación)
• Creación y uso de:
Invenciones
Procesos
Métodos
Ideas
Conceptos
Materiales
Componentes
Sistemas de
Producción
+
Producto:
• Resultado de un
Proceso
• Solución a un Problema
=
Ciencia
Biomecánica:
• Fuerza y movimiento
• Segmentos del cuerpo
• Huesos, articulaciones,
músculos
• Heridas, desempeño
Ciencia
Fisiología:
•
•
•
•
Efectos del ejercicio
Salud y condición
Salud de los huesos
Termoregulación
Ciencia
Ciencia de los Materiales:
• Química & Física
• Polímeros
• Materiales naturales
Ciencia
Psicología:
• Respuestas del consumidor
• Percepciones del consumidor
• Necesidades del consumidor
Ciencia
Biomecánica
Como trabaja el cuerpo
Fisiología
Como trabajan los materiales
Ciencia de los materiales
Que piensan los consumidores
Psicología
Que quieren los consumidores
Tecnología
Ingeniería de Producto:
•
•
•
•
Conceptos de diseño
Nuevos materiales
Componentes y sistemas
Métodos de producción
Tecnología
Tecnología de Información:
•
•
•
•
Diseño y desarrollo
Logistica
Administración
Comunicación
¿De donde vienen las innovaciones en el calzado?
Nuevos materiales
• Concepto desarrollado
por 1985
• Materiales durables para
el salto con propiedades
requeridas no
disponibles.
NIKE Shox
• El producto
eventualmente salió al
mercado en 2001
después de haberse
desarrollado un material
adecuado en la industria
automotriz.
Nueva tecnología
• Primer intento en 1986
• Limitado por el peso de la
bateria su tamaño y vida.
• Limitado por tamaño del
componente y el costo.
• Fue una realidad finalmente en
el 2005 por la tecnología MEMS
(Micro-sistemas electricomecánicos) y una pequeña pero
alta capacidad.
adidas 1
Nuevos procesos de manufactura.
• El concepto de “acabado sin
costuras” (Seamless upper)
requiere un nuevo patrón de
creación y nuevos métodos
de construcción del corte.
Pearl iZumi
Ciencia & Ingeniería
• Define necesidades
funcionales
• Ideas para conceptos de
producto.
• Prueba de producto
• Comercialización o beneficios
El Laboratorio de Biomecánica.
Biomecánica
“La aplicación de principios
físicos y mecánicos a los
sistemas biológicos.”
Biomecánica humana
• Movimiento
• Fuerza
• Respuestas fisiológicas.
Movimiento
Marcadores reflectivos
sujetados al cuerpo son
rastreados por un arreglo
de 12 cámaras de alta
velocidad para registrar el
movimiento en 3
dimensiones del cuerpo y
de las secciones del
zapato.
Movimiento
Marcadores reflectivos
sujetados al cuerpo son
rastreados por un arreglo de
12 cámaras de alta velocidad
para registrar el movimiento
en 3 dimensiones del cuerpo
y de las secciones del zapato.
Movimiento
Marcadores reflectivos sujetados
al cuerpo son rastreados por un
arreglo de 12 cámaras de alta
velocidad para registrar el
movimiento en 3 dimensiones del
cuerpo y de las secciones del
zapato.
Los datos se aplican a modelos
biomecánicos.
Ejemplo:
Un experto en la técnica del “camino
del punto interceptor” (Jeet Kwan Do)
realizando un “Golpe de una pulgada”
Fuerza
Sensores de presión en el calzado
(sobre el piso) y placas de fuerza
(en el piso) se usan para medir las
fuerzas y su distribución actuando
en el cuerpo.
Fuerza
en el cuerpo.
Ejemplo:
Distribución de presiones en el
zapato durante un golpe en Golf.
Fuerza
en el cuerpo.
Ejemplo:
Fuerza de reacción del suelo al correr,
medida con una placa de fuerza.
Intensidad del ejercicio.
Medición continua del ritmo cardiaco
y del volumen de oxigenación.
Actividad muscular
Sensores sujetos a la piel registran la
actividad eléctrica en los músculos
subyacentes.
- Coordinación del movimiento
- Fuerza muscular
- Fatiga
Productos
• Documentación del
cuerpo
humano
actividades.
funcionamiento del
durante
diferentes
• Determinación de requerimientos del calzado.
• Medición de los efectos del calzado en los
factores de riesgo del desempeño y las
lesiones.
Ejemplos de aplicaciones
• Acojinamiento
• Confort
• Protección
• Desempeño
• Materiales acojinantes
• Optimización de materiales
• La geometría como una alternativa de solución al
acojinamiento.
•
Tracción
• Requerimientos de tracción.
• Evaluación de desempeño de la suela.
• Morfología del pie y calce
Distribución de Presiones en el Zapato.
Talón
Punta del
pie
Medio
Cargas en la suela del pie al correr.
Cargas pico en el Pie.
Ejemplo de distribuciones pico de
presiones.
Los requerimientos de
acojinamiento dependen
de: …
• Deporte / Actividad
• Intensidad del movimiento
• Tamaño del cuerpo
• Género
• Región del pie.
Caminar
Correr
Basquetbol
Tenis
Ajustando el acojinamiento para el Confort.
Distribución de materiales apropiada para mínimos picos de presión.
Caminar
Correr
Basquetboll
Tenis
Confort en zapatos de tacón alto.
Los tacones altos...
• Incrementan la presión
y reducen el confort en
el antepie.
• Reducen las cargas en
el tacón
• Reducen la estabilidad
Ajustando el acojinamiento para Protección.
Distribución de materiales apropiada para mínimos golpe por impacto.
Caminar
Correr
Basquetboll
Tenis
Ajustando el acojinamiento para desempeño.
Distribución de materiales apropiada para un impulso máximo.
Caminar
Correr
Basquetboll
Tenis
Desempeño vs Confort
Confort:
Desempeño:
• Las propiedades ´´optimas de
acojinamiento para el “confort” son casi
exactamente las opuestas a las que se
requieren para el “desempeño”.
La Ciencia dice …
• No es posible tener verdadero confort y
verdadero desempeño en el mismo
sistema de acojinamiento.
Física de materiales acojinantes.
• Todos los materiales
acojinantes son no-lineales.
• El desempeño acojinado no
esta directamente relacionado
con la dureza o densidad del
material.
Espuma de EVA
Física de materiales acojinantes- Espuma EVA
• Las espumas acojinantes típicas
tienen propiedades
característicamente no-lineales.
• Las propiedades dependen de la
variación en la densidad.
• La rigidez varia con la compresión.
• Tres fases características.
Elasticidad linear
tienen propiedades
Pandeo de
altiplano
tienen propiedades
Densificación
(Tocando fondo)
Asker C
70
40
Efectos de la Dureza
(3)
(1)
(2)
1. Rigidez elástica mayor al inicio.
2. Mayor rigidez en etapa de
altiplano.
3. Menor tensión en la
densificación.
Espuma EVA – Desempeño acojinante.
• El desempeño acojinante varía con
la carga de entrada (energía)
• Para cargas menores, los materiales
“mas suaves” se comportan mejor.
• Para cargas más altas los materiales
más duros se comportan mejor.
(Energía/ Entrada)
Física de la Distribución de Presiones.
p0
La teoría de contacto de Hertz describe
la interacción entre superficies
elásticas..
• La distribución de presión se afecta
tanto por las propiedades de los
materiales (“suavidad”) como por la
curvatura de la superficie.
• La distribucipon de presiones es
elipsoidal y la presión pico, p0, esta
2
dada por:
1
p0
(6 F ) 3
π
E
R
*
*
3
Física de la Distribución de Presiones.
p0
• La teoría dice que la suavidad y la
curvatura reducen los picos de presión
de la misma forma.
• ¿Es esto verdad en la práctica?
p0
(6 F )
π
1
3
E
R
*
*
2
3
Suave = ¿Curvado?
Distribución de presiones bajo el talón.
Plano
kPa
200
150
100
50
0
Mientjes & Shorten (2003)
Suave = ¿Curvado?
Más suave
Plano
kPa
200
150
100
50
0
Suave = ¿Curvado?
Más suave
Plano
kPa
200
Curvatura
150
100
50
0
Curvado
Suave = ¿Curvado?
Más suave
Plano
kPa
200
Curvatura
150
100
50
0
Curvado
Suave = ¿Curvado?
Distribución de presiones bajo el talón.
Acojinamiento más suave
Acojinamiento más confortable
Plano
Curvado
Suave = Curvado
Suave = Curvado 
• Superficies mas contorneadas, distribuyen
las cargas, reducen los picos de presión e
incrementan el confort en la misma forma
que lo hacen los materiales mas suaves.
Aplicaciones
• En los productos en los que el grosor de la
suela esta limitado por los requerimientos
de estabilidad (i.e. futbol soccer), las
hormas contorneadas en su parte inferior
así como las suelas pueden ser usadas
para proveer acojinamiento en vez de una
espuma gruesa/suave.
Suave = Curvado
Aplicaciones
• En los productos en los que el grosor de la suela
esta limitado por los requerimientos de estabilidad
(i.e. futbol soccer), las hormas contorneadas en su
parte inferior así como las suelas pueden ser
usadas para proveer acojinamiento en vez de una
espuma gruesa/suave.
Zapatos de soccer: presión bajo el talón.
Placa de suela plana
Placa de suela contorneada.
Suave = Curvado
Aplicaciones
• En los productos en los que el grosor de la suela
esta limitado por los requerimientos de
estabilidad (i.e. futbol soccer), las hormas
contorneadas en su parte inferior así como las
suelas pueden ser usadas para proveer
acojinamiento en vez de una espuma
gruesa/suave.
• Las plantillas contorneadas pueden ser usadas
para reducir la presión en el pie y mejorar el
confort.
Suelas y Tracción
Las suelas de zapato para
correr varían ampliamente
en su diseño y no son
siempre óptimas para su
propósito pretendido.
Cargas en la suela del zapato para correr.
La fuerza de la
suela y los datos
de distribución de
presión pueden ser
combinados para
calcular
la
distribución de las
fuerzas de corte y
los requerimientos
de tracción.
Cargas en la suela del zapato para correr.
Los datos de requerimientos
de tracción pueden ser
usados para diseñar suelas
óptimas y mínimas.
Presión
Vectores de corte
Tracción
Suelas mínimas de zapato para correr.
Los datos de requerimientos
de tracción pueden ser
usados para diseñar suelas
ótimas y mínimas.
• Tracción adecuada.
• Durabilifad adecuada.
• Menos hule
= menor peso
= menor costo
Evaluación de suela– Botas de trabajo
Producto A:
• Las cargas se concentran en unos
relativamente pocos elementos
tensados, especialmente en el talón.
• Tracción reducida.
• Desgaste más rápido.
A
Evaluación de suela– Botas de trabajo
Producto A:
• Las cargas se concentran en unos
relativamente pocos elementos de
muñón, especialmente en el talón.
• Tracción reducida.
• Desgaste más rápido.
Producto B:
• Más distribución uniforme de las
cargas
• Mejor tracción
• Se reduce la tensión al material
A
B
• Mayor durabilidad.
Morfología del pie & Calce.
• Escáneres láser 3D proporcionan información detallada sobre la
forma del pie
• Los datos de grandes muestras de individuos se usan para modificar
las hormas.
Aplicaciones
• Patronaje
• Hormas específicas por tipo
de población.
•Detalles del calce.
Las hormas son herramientas para
fabricar calzado, no moldes. Una
horma moldeada al pie no calza
bien y tiene funcionalidad limitada.
Los datos de morfología del pie no
se usan para determinar la forma
de la horma, sino para adaptarla.
Variabilidad de las dimensiones del pie.
La variabilidad en los daros
de la forma del pie muestran
como los patrones del corte
requieren flexibilidad y/o
ajustabilidad.
Tecnología
• Computadoras en Zapatos
• Tecnología en Zapatos
• Ejemplo del zapato para correr
• Tendencias anti-tecnológicas
- Andar descalzo/ Mínimo correr
- Sustentabilidad
- Diseño “inteligente” y soluciones ingenieriles.
• Tecnología en Desarrollo de Producto
• Diseño virtual.
• Ingeniería virtual.
• Prototipado virtual.
Computadoras en Zapatos
“El Podómetro electrónico”
•Registro de pisadas y
tiempo
•Distancia estimada.
Zapato computarizado Puma 1986
“El Podómetro Electrónico”
•Sin retroalimentación visual.
•Conexión por cable a la
computadora.
•Funcionalidad limitada.
•Peso
•Costo
Zapato computarizado Pume 1986.
• Tecnología compleja, durable,
en un producto desechable.
• Impacto medido
• Acojinamiento ajustado en
el talón.
•Sin retroalimentación visual.
•Conexión por cable a la
computadora.
•Funcionalidad limitada.
Adidas 1, 2005
•Peso
•Costo
• Tecnología compleja, durable,
en un producto desechable.
NIKE Plus
Adidas MiCoach
Smart Phone,
iPod, PDA
Web
• Registra parámetros de la marcha y
ritmo cardiaco.
•Retroalimentación visual & auditiva.
•Conexión inalámbrica al PDA
• Amplia funcionalidad vía WWW
•Peso ligero
•Bajo costo
NIKE Plus
Adidas MiCoach
• Tecnología durable que puede
moverse de zapato en zapato.
Ya no se requiere un Zapato.
Tecnología
• Computadoras en los zapatos
• Tecnología en los Zapatos
- Andar descalzos/ zapatos deportivos minimalistas
- Sustentabilidad
• Diseño “inteligente” y soluciones ingenieriles.
• Tecnología en el Desarrollo de Producto.
• Diseño virtual
• Ingeniería virtual
• Prototipado virtual
Tecnología en los Zapatos
• Componentes del calzado para correr.
Un gran número de componentes
plásticos moldeados.
• Tecnologías de acojinamiento
Brooks Beast
• Dispositivos para estabilización.
• Diseños complejos de suela.
• Parte función, parte mercadotecnia
Mizuno Wave Prophecy
Tendencias Anti-Tecnológicas(1)
Descalzos/zapatos deportivos minimalistas
• Segmento del mercado del calzado en los USA con más sólido
crecimiento.
• Productos minimalistas que proporcionan una sensación similar a
la de correr descalzo.
Vibram Five Fingers
NIKE Free
Descalzos/Calzado deportivo minimalista– Tendencias
rectoras
NIKE Free
• Producto basado en investigación sobre
correr descalzos
• Introducido como una herramienta de
entrenamiento para el pie.
• Investigación independiente muestra
que…
• Se incrementa la fuerza de los músculos
del pie.
• Se incrementa la resistencia de las
extremidades inferiores al daño.
rectoras.
Nacidos para correr
• Libro exitoso que narra la historia de los
Tarahumaras en el Cañón del Cobre,
México.
• Los
Tarahumaras
tienen la tradición de
ser corredores de
largas distancias y
correr con simples
sandalias.
• “Nacidos para correr” enfatiza los
beneficios del calzado minimalista y es
critico de los diseños convencionales del
calzado deportivo para correr.
rectoras
Dan Lieberman
• Biólogo evolucionista de Harvard que
report evidencia de que los humanos
estan adapatados para correr distancias.
• Sugiere que correr descalzos y correr con
la punta del pie son procesos mas
naturales.
Ejemplos de calzado deportivo “Descalzo”
Vibram Five Fingers
TerraPlan Evo
New Balance Minimus
•Ligeros
•Flexibles
•Con poco o nulo acojinamiento.
Ejemplos de calzado deportivo “minimalista”
NIKE Free
Zoot
Adidas Chill
•Ligero
•Flexible
•Algún acojinamiento
Brooks Green Silence
Saucony Hattori
Tendencias anti-tecnológicas (2)
Sustentabilidad
• El consumidor demanda más productos amigables con el
medio ambiente.
Estrategias de diseño de producto Sustentable.
• Eliminar materiales peligrosos
• Usar menos materia prima y menos componentes
• Remplazar materiales no renovables por materiales mas
sustentables.
• Diseño para un consumo mínimo de energía.
• Se minimizan los materiales auxiliares, como los del
empaquetado.
• Se hacen productos más durables.
• Se provee reparación o reemplazo de componentes.
• Reciclabilidad incorporada.
• Se permite separación de componentes.
• Reciclado, reúso y reprocesado.
Tendencias anti-tecnológicas.
Descalzo/Calzado minimalista
Sustentabilidad
• Pocos componentes moldeados
• Tecnología minimalista
¿Minimalista o Funcional?
Minimalista / Zapatos ecológicos
Desempeño/Zapatos atléticos funcionales
Zapato atlético ecológico.
•
•
•
•
•
Plantilla biodegradable, y collares de hule espuma
Materiales reciclados en un 75%
Agujetas, lazos y cinchas son 100% recicladas
Adhesivos base agua; colorantes y tinturas no-tóxicas
50 % de reducción en las partes y menos moldes.
Zapato atlético ecológico.
• Ligero

Solamente apropiado
• Flexible

para un segmento
• Tracción
?
limitado de los
corredores.
• Acojinamiento
?
• Estabilidad

“Diseño “inteligente” y soluciones ingenieriles.
El diseño “inteligente”
y las
soluciones ingenieriles, pueden
mantener
el
desempeño
y
funcionalidad del calzado deportivo
reduciendo su complejidad, costo e
impacto ambiental.
Ejemplo de soluciones “inteligentes”
Estabilidad / Control de pronación.
Los diseños tradicionales usan
espuma de densidad variable y
componentes moldeados para
estabilizar el pie.
estabilizar el pie.
NIKE Lunar Glide
estabilizar el pie.
Una entresuela con dos
componentes provee control de
pronación y acojinamiento.
estabilizar el pie.
Las fibras bajo tensión y las capas
superpuestas de textiles
reemplazan los componentes
moldeados del corte.
“Diseño “inteligente” y soluciones ingenieriles.
El diseño “inteligente”
y las
soluciones ingenieriles, pueden
mantener
el
desempeño
y
funcionalidad
del
calzado
deportivo
reduciendo
su
complejidad, costo e impacto
ambiental.
Menos material = menor peso
Menos componentes = menor peso
Función optimizada
• Tracción
• Acojinamiento
• Estabilidad = mejor desempeño
Se reemplazan Componentes con
Sistemas
Soluciones funcionales con “menos
calzado” son más minimalistas,
sustentables y posibles.
Tecnología
• Computadoras en los zapatos
• Tecnología en los Zapatos
- Andar descalzos/ zapatos deportivos minimalistas
- Sustentabilidad
• Diseño “inteligente” y soluciones ingenieriles.
• Tecnología en el Desarrollo de Producto.
• Diseño virtual
• Ingeniería virtual
• Prototipado virtual
Desarrollo de Producto Virtual
Los procesos
basados en la tecnología
de información están
reemplazando
rápidamente los métodos
tradicionales de
desarrollo de producto.
•
•
•
•
Rapidez
Eficiencia
Costo
Globalización
Diseño Virtual
• El diseñador “dibuja” con una
pluma digital y un programa de
CAD
(diseño
asistido
por
computadora)
• Acceso a bases de datos




Materiales aprobados
Propiedades físicas
Estándares de calidad
Datos de costos.
Diseño Virtual
• El diseñador “dibuja” con una
pluma digital y un programa de
CAD
(diseño
asistido
por
computadora)
•
Acceso a bases de datos




Materiales aprobados
Propiedades físicas
Estándares de calidad
Datos de costos.
• Modelado en 3D y análisis
 Base de datos de hormas
 Base de datos de componentes.
Creación de Producto Virtual
• Desarrollo de especificaciones
en línea.
• Moldes & herramientas
generados de los datos de
CAD.
• Elaboración de horma &
patronaje automatizado
• Prototipado rápido
Probado Virtual
• Modelado en 3D
• Análisis de elementos
finitos.
• Desempeño de
componentes
• Durabilidad de
componentes
• Pruebas virtuales
/desempeño de producto.
Fuente de imágen: XYZ Scientific Appplications, Inc. (http://www.truegrid.com)
Probado Virtual
• Modelado en 3D
• Análisis de elementos
finitos.
• Desempeño de
componentes
• Durabilidad de
componentes
• Pruebas virtuales
/desempeño de producto.
• Análisis de flujo de
moldes.
Pre-Producción Virtual
• Los datos del CAD y las
especificaciones se transmiten
digitalmente al taller de máquinas y
a los sistemas de la fábrica.
• Herramientas CAM creadas
directamente del CAD.
• Provisión de materiales vía base
de datos de proveedores
aprobada.
• Logística de producción y
optimización de horarios.
Desarrollo Virtual de Producto
Alto costo de infraestructura
• Hardware y software
• Procesos automatizados
• Diseñadores y técnicos
calificados= mayores salarios
Ahorro de costos en línea
• Más rápido desarrollo de
producto
• Más rápido prototipado.
• Menores ciclos de
prototipado
• Reducción en el índice de
errores.
Ciencia, Tecnología, Desarrollo de producto
• La ciencia ha contribuido al desarrollo de calzado más
funcional, especialmente zapatos deportivos.
• Definiendo las necesidades del consumidor.
• Recursos para innovación.
• El rol de la ciencia madura conforme se establece el
cuerpo base de conocimiento, pero muchas preguntas
importantes quedan sin contestar.
• Rol futuro de la ciencia:
• Diseño inteligente– Cómo hacer más con menos.
• Soluciones sustentables.
Ciencia, Tecnología, Desarrollo de producto
• La innovación en la tecnología del calzado depende fuertemente de
la disponibilidad de nuevos materiales.
• La tecnología computacional en el calzado tiene limitada aplicación;
los sensores adheridos al cuerpo, enlazados inalámbricamente a un
PDA (Adquisición de datos para producción- Production Data
Acquisition) y al Internet, tienen potencialmente aplicaciones
ilimitadas.
• La tecnología de información está transformando el desarrollo de
producto y los procesos de manufactura. Típicamente, la tecnología
de información se vuelve más poderosa y más barata con el tiempo,
de forma que su uso se expandirá.
Gracias.

Ciencia y Tecnología como Herramientas para el Desarrollo

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