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?

¿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.

¿De donde vienen las innovaciones en el calzado? 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

¿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

¿De donde vienen las innovaciones en el calzado? 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.

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.

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.

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”

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.

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.

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.

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

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

El Laboratorio de Biomecánica. 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

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

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)

Física de materiales acojinantes- Espuma EVA 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

Mientjes & Shorten (2003)

Suave = ¿Curvado? Más suave

Plano

kPa 200

Curvatura

150 100 50 0

Curvado

Mientjes & Shorten (2003)

Suave = ¿Curvado? Más suave

Plano

kPa 200

Curvatura

150 100 50 0

Curvado

Mientjes & Shorten (2003)

Suave = ¿Curvado? Distribución de presiones bajo el talón. Acojinamiento más suave

Acojinamiento más confortable

Plano

Mientjes & Shorten (2003)

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.

Morfología del pie & Calce. 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.

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.

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

Computadoras en Zapatos “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.

Computadoras en Zapatos • 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.

Computadoras en Zapatos

NIKE Plus

Adidas MiCoach

Smart Phone, iPod, PDA

Web

Computadoras en Zapatos • 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 • 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

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.

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.

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.

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. 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.

Zapato atlético ecológico. Brooks Green Silence • 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.

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

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.

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.

“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 • 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

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.