El diseño de experimentos como herramienta para la mejora de los procesos. Aplicación de la metodología al caso de una catapulta

 El diseño de experimentos como herramienta para la mejora de los procesos. Aplicación de la metodología al caso de una catapulta

ELISABETH VILES,MARÍA JESÚS ÁLVAREZ SÁNCHEZ-ARJONA,LAURA ILZARBE IZQUIERDO,MARTÍN TANCO

Tecnura 2007,  10 (20)

RESUMEN 

Con este artículo se pretende resaltar la planificación de la investigación como parte importante en el desarrollo de un diseño de experimentos; para ello se muestra una metodología para la aplicación práctica de esta clase de diseños. El procedimiento recomendable para llevarlo a cabo se presenta de forma teórica y, paralelamente, es aplicado al caso práctico de mejorar el alcance del tiro de una catapulta. 

ABSTRACT 

This article tries to emphasize in research planning like a basic part of experiments designo Therefore, it offers a method to apply the design of experiments. First we show the recommended methodology to follow, theoretically; after, it is applied in the practice to a design of experiment to improve a catapults shot.

1. Introducción 

El diseño de experimentos (DOE) es una técnica que consiste en realizar tilla serie de experimentos en los que se inducen cambios deliberados en las variables de un proceso, de manera que es posible observar e identificar las causas de los cambios en la respuesta de salida [1]. Con esta técnica se puede conseguir, por ejemplo, mejorar el rendimiento de un proceso y reducir su variabilidad o los costos de producción. Su aplicación en la industria comprende campos como la Química [2-5], la Mecánica [6-9], los materiales [10-13], la Ingenieria Industrial [14-17] o la Electrónica [18, 19]. 

A pesar de que el DOE se define como una herramienta eficaz para mejorar y optimizar procesos y productos, su aplicación no es muy habitual en las industrias. Los ingenieros utilizan limitadamente las técnicas estadísticas avanzadas para solucionar sus problemas, pues están condicionados por no tener conocimientos estadísticos [20-28]. En consecuencia, es objeto de este artículo mostrar, de una manera sencilla, la metodología que sería recomendable seguir para llevar a cabo un DOE. 

La mayoría de los artículos científicos publicados sobre DOE se han enfocado en modelos, criterios y otros temas que se refieren casi exclusivamente a la etapa de elección del modelo o diseño para efectuar el experimento y el análisis de datos. Por el contrario, este artículo se centra en explicar, en forma teórica, la importancia de los pasos necesarios para la experimentación, en qué consiste cada 128 Tecnura l año 10 I No. 20 I primer semestre de 2007 uno y su aplicación al caso práctico de mejorar el lanzamiento de una pelota con una catapulta. La utilización de este prototipo no es una idea original. La catapulta empleada en un artículo de Anthony [29] junto con el helicóptero de Box [30] son los ejemplos didácticos más utilizados en temas de calidad y estadística. 

El artículo se estructura de la siguiente manera: primero se muestra una reseña histórica sobre la técnica del diseño de experimentos; a continuación, se presenta la catapulta objeto de la aplicación práctica; en seguida se describen, teóricamente y aplicadas al ejemplo de la catapulta, las etapas recomendadas para aplicar un diseño de experimentos. Finalmente, se muestran las conclusiones del artículo. 

2. Reseña histórica del diseño de experimentos 

El diseño de experimentos fue aplicado por primera vez por R. A. Fisher en Inglaterra en los años veinte en el campo de la agricultura; sus experiencias le llevaron a publicar en 1935 su libro Design 01 Experiments [31]. Desde entonces, varios investigadores han contribuido al desarrollo y aplicación de la técnica en diferentes campos. 

Montgomery [1] considera que ha habido cuatro etapas en el desarrollo del diseño de experimentos. La primera etapa -iniciada en la década del veinte por Fisher- se caracteriza por la introducción sistemática del pensan1iento científico y la aplicación del diseño factorial completo y fraccionado y el análisis de varianza en las investigaciones experimentales científicas. La segunda etapa -iniciada por Box y Wilson [32]- se caracteriza por el desarrollo de la superficie de respuesta (RSM). Estos autores notaron que los experimentos industriales diferían de los de la agricultura en dos aspectos: 

• Inmediatez, porque la respuesta se puede observar bastante rápido, sin tener que esperar tanto como en la agricultura. 

• Secuencialidad: el experimentador puede realizar unos pocos experimentos y planificar los siguientes en función de los resultados. 

En esta última etapa surgen diseños como: 

• Diseños compuestos centrales (CCD). 

• Diseños compuestos centrales centrado en las caras (FCD). • Diseños de Box-Behnken. 

Durante los siguientes años, la RSM y otras técnicas de diseño se extendieron a la industria química y a los procesos industriales, en especial en las áreas de investigación y desarrollo (I&D). 

La tercera etapa comienza a finales de la década del setenta con el creciente interés de las industrias en la mejora de sus procesos. Los trabajos de Taguchi [33, 34] sobre diseño robusto de parámetros (RPD) sirvieron para difundir el interés y el uso del DOE en otras áreas como automoción, industria aeroespacial, electrónica o industria de semiconductores. Aunque los análisis propuestos por Taguchi fueron fuertemente criticados [35-41] por ser ineficientes y en algunos casos poco efectivos, ellos sirvieron para desarrollar el concepto de robustez y extender el empleo del diseño de experimentos a otras áreas, lo que ha dado pie al comienzo de la cuarta etapa del diseño de experimentos en la década del noventa; en ella surgen los diseños óptimos y se han desarrollado numerosas herramientas software para el análisis del DOE. 

3. Descripción de la catapulta 

La metodología para llevar a cabo el experimento se explica a través de un ejercicio práctico que tiene por objetivo la optimización del lanzamiento de una pelota con un prototipo de catapulta. El prototipo que ha sido utilizado (figura 1) es de madera y consta de una base de la que parten dos brazos. El brazo móvil está sujeto al brazo fijo de la catapulta mediante una goma; éste además contiene en su parte superior una cazoleta que sirve de apoyo para la pelota. ASÍ, al extender el brazo hacia atrás cuantos grados se desee, la pelota sale despedida debido a la fuerza elástica que le transmite la goma al chocar el brazo móvil con el tope (punto negro en la figura). 

Este diseño de catapulta permite modificar las posiciones de distintas partes de ella. Por ejemplo, la cazoleta donde irá posicionada la pelota está sujetada al brazo móvil por medio de un tomillo y una tuerca. Esta cazoleta puede estar situada en la posición (+), esto es, la posición actual que se muestra en la figura 1, o se puede desenroscar y colocar en el agujero inferior del brazo móvil, indicado en la figura con el signo (-). Lo mismo sucede con la posición del tope o la extensión de la goma. El ángulo de tiro, sin embargo, puede adoptar cualquier valor.  

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