Ciencia y Tecnología como Herramientas para el Desarrollo de Producto.

Transcripción

1 Ciencia y Tecnología como Herramientas para el Desarrollo de Producto. Martyn R. Shorten, Ph.D. BioMechanica, LLC Portland, Oregon, USA

2 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

3 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 Ideas Conceptos Materiales Componentes Sistemas de Producción + =

4 Ciencia Biomecánica: Fuerza y movimiento Segmentos del cuerpo Huesos, articulaciones, músculos Heridas, desempeño

5 Ciencia Fisiología: Efectos del ejercicio Salud y condición Salud de los huesos Termoregulación

6 Ciencia Ciencia de los Materiales: Química & Física Polímeros Materiales naturales

7 Ciencia Psicología: Respuestas del consumidor Percepciones del consumidor Necesidades del consumidor

8 Ciencia Biomecánica Como trabaja el cuerpo Fisiología Como trabajan los materiales Ciencia de los materiales Que piensan los consumidores Psicología Que quieren los consumidores

9 Tecnología Ingeniería de Producto: Conceptos de diseño Nuevos materiales Componentes y sistemas Métodos de producción

10 Tecnología Tecnología de Información: Diseño y desarrollo Logistica Administración Comunicación

11 De donde vienen las innovaciones en el calzado?

12 De donde vienen las innovaciones en el calzado? Nuevos materiales NIKE Shox Concepto desarrollado por 1985 Materiales durables para el salto con propiedades requeridas no disponibles. El producto eventualmente salió al mercado en 2001 después de haberse desarrollado un material adecuado en la industria automotriz.

13 De donde vienen las innovaciones en el calzado? Nueva tecnología adidas 1 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.

14 De donde vienen las innovaciones en el calzado? 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

15 De donde vienen las innovaciones en el calzado? Ciencia & Ingeniería Define necesidades funcionales Ideas para conceptos de producto. Prueba de producto Comercialización o beneficios

16 El Laboratorio de Biomecánica. Biomecánica humana Movimiento Fuerza Biomecánica La aplicación de principios físicos y mecánicos a los sistemas biológicos. Respuestas fisiológicas.

17 El Laboratorio de Biomecánica. 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.

18 El Laboratorio de Biomecánica. 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.

19 El Laboratorio de Biomecánica. 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

20 El Laboratorio de Biomecánica. 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.

21 El Laboratorio de Biomecánica. 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. Ejemplo: Distribución de presiones en el zapato durante un golpe en Golf.

22 El Laboratorio de Biomecánica. 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. Ejemplo: Fuerza de reacción del suelo al correr, medida con una placa de fuerza.

23 El Laboratorio de Biomecánica. Intensidad del ejercicio. Medición continua del ritmo cardiaco y del volumen de oxigenación.

24 El Laboratorio de Biomecánica. Actividad muscular Sensores sujetos a la piel registran la actividad eléctrica en los músculos subyacentes. - Coordinación del movimiento - Fuerza muscular - Fatiga

25 El Laboratorio de Biomecánica. Productos Documentación del funcionamiento del cuerpo humano durante diferentes actividades. Determinación de requerimientos del calzado. Medición de los efectos del calzado en los factores de riesgo del desempeño y las lesiones.

26 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

27 Distribución de Presiones en el Zapato. Talón Punta del pie Medio Cargas en la suela del pie al correr.

28 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

29 Ajustando el acojinamiento para el Confort. Distribución de materiales apropiada para mínimos picos de presión. Caminar Correr Basquetboll Tenis

30 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

31 Ajustando el acojinamiento para Protección. Distribución de materiales apropiada para mínimos golpe por impacto. Caminar Correr Basquetboll Tenis

32 Ajustando el acojinamiento para desempeño. Distribución de materiales apropiada para un impulso máximo. Caminar Correr Basquetboll Tenis

33 Desempeño vs Confort Confort: Las propiedades optimas de acojinamiento para el confort son casi exactamente las opuestas a las que se requieren para el desempeño. Desempeño: La Ciencia dice No es posible tener verdadero confort y verdadero desempeño en el mismo sistema de acojinamiento.

34 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

35 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

36 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. Pandeo de altiplano

37 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. Densificación (Tocando fondo)

38 Física de materiales acojinantes- Espuma EVA Asker C (1) (2) (3) Efectos de la Dureza 1. Rigidez elástica mayor al inicio. 2. Mayor rigidez en etapa de altiplano. 3. Menor tensión en la densificación.

39 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)

40 Física de la Distribución de Presiones. p 0 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, p 0, esta dada por: p 0 (6 F) π 1 3 E R * * 2 3

41 Física de la Distribución de Presiones. p 0 La teoría dice que la suavidad y la curvatura reducen los picos de presión de la misma forma. Es esto verdad en la práctica? p 0 (6 F) π 1 3 E R * * 2 3

42 Suave = Curvado? Distribución de presiones bajo el talón. Plano kpa Mientjes & Shorten (2003)

43 Suave = Curvado? Más suave Plano kpa Mientjes & Shorten (2003)

44 Suave = Curvado? Más suave Curvatura Plano kpa Curvado Mientjes & Shorten (2003)

45 Suave = Curvado? Más suave Curvatura Plano kpa Curvado Mientjes & Shorten (2003)

46 Suave = Curvado? Distribución de presiones bajo el talón. Acojinamiento más suave Acojinamiento más confortable Plano Curvado Mientjes & Shorten (2003)

47 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.

48 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.

49 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.

50 Suelas y Tracción Las suelas de zapato para correr varían ampliamente en su diseño y no son siempre óptimas para su propósito pretendido.

51 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.

52 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

53 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

54 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

55 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 A B Se reduce la tensión al material Mayor durabilidad.

56 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.

57 Morfología del pie & Calce. Patronaje Aplicaciones 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.

58 Morfología del pie & Calce. 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.

59 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.

60 Computadoras en Zapatos El Podómetro electrónico Registro de pisadas y tiempo Distancia estimada. Zapato computarizado Puma 1986

61 Computadoras en Zapatos El Podómetro Electrónico Sin retroalimentación visual. Conexión por cable a la computadora. Funcionalidad limitada. Peso Costo Zapato computarizado Pume Tecnología compleja, durable, en un producto desechable.

62 Computadoras en Zapatos Impacto medido Acojinamiento ajustado en el talón. Sin retroalimentación visual. Conexión por cable a la computadora. Adidas 1, 2005 Funcionalidad limitada. Peso Costo Tecnología compleja, durable, en un producto desechable.

63 Computadoras en Zapatos NIKE Plus Adidas MiCoach Smart Phone, Web ipod, PDA

64 Computadoras en Zapatos Registra parámetros de la marcha y ritmo cardiaco. Retroalimentación visual & auditiva. Conexión inalámbrica al PDA Amplia funcionalidad vía WWW Peso ligero NIKE Plus Adidas MiCoach Bajo costo Tecnología durable que puede moverse de zapato en zapato. Ya no se requiere un Zapato.

65 Tecnología Computadoras en los zapatos Tecnología en los Zapatos Ejemplo del zapato para correr Tendencias anti-tecnológicas - Andar descalzos/ zapatos deportivos minimalistas - Sustentabilidad Diseño inteligente y soluciones ingenieriles. Tecnología en el Desarrollo de Producto. Diseño virtual Ingeniería virtual Prototipado virtual

66 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

67 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

68 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.

69 Descalzos/Calzado deportivo minimalista Tendencias 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.

70 Descalzos/Calzado deportivo minimalista Tendencias 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.

71 Ejemplos de calzado deportivo Descalzo Vibram Five Fingers TerraPlan Evo New Balance Minimus Ligeros Flexibles Con poco o nulo acojinamiento.

72 Ejemplos de calzado deportivo minimalista NIKE Free Zoot Adidas Chill Brooks Green Silence Saucony Hattori Ligero Flexible Algún acojinamiento

73 Tendencias anti-tecnológicas (2) Sustentabilidad El consumidor demanda más productos amigables con el medio ambiente.

74 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.

75 Tendencias anti-tecnológicas. Descalzo/Calzado minimalista Sustentabilidad Pocos componentes moldeados Tecnología minimalista

76 Minimalista o Funcional? Minimalista / Zapatos ecológicos Desempeño/Zapatos atléticos funcionales

77 Zapato atlético ecológico. Brooks Green Silence 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.

78 Ligero Flexible Tracción? Acojinamiento? Estabilidad Zapato atlético ecológico. Brooks Green Silence Solamente apropiado para un segmento limitado de los corredores.

79 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.

80 Ejemplo de soluciones inteligentes Estabilidad / Control de pronación. Los diseños tradicionales usan espuma de densidad variable y componentes moldeados para estabilizar el pie.

81 Ejemplo de soluciones inteligentes Estabilidad / Control de pronación. Los diseños tradicionales usan espuma de densidad variable y componentes moldeados para estabilizar el pie. NIKE Lunar Glide

82 Ejemplo de soluciones inteligentes Estabilidad / Control de pronación. Los diseños tradicionales usan espuma de densidad variable y componentes moldeados para estabilizar el pie. Una entresuela con dos componentes provee control de pronación y acojinamiento.

83 Ejemplo de soluciones inteligentes Estabilidad / Control de pronación. Los diseños tradicionales usan espuma de densidad variable y componentes moldeados para estabilizar el pie. Las fibras bajo tensión y las capas superpuestas de textiles reemplazan los componentes moldeados del corte.

84 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.

85 Tecnología Computadoras en los zapatos Tecnología en los Zapatos Ejemplo del zapato para correr Tendencias anti-tecnológicas - Andar descalzos/ zapatos deportivos minimalistas - Sustentabilidad Diseño inteligente y soluciones ingenieriles. Tecnología en el Desarrollo de Producto. Diseño virtual Ingeniería virtual Prototipado virtual

86 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

87 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.

88 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.

89 Creación de Producto Virtual Desarrollo de especificaciones en línea. Moldes & herramientas generados de los datos de CAD. Elaboración de horma & patronaje automatizado Prototipado rápido

90 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. (

91 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.

92 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.

93 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.

94 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.

95 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.

96 Gracias.

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