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Seminario de Manufactura Sustentable

Sesión 7

Diseño de Productos Sustentables

Héctor Domínguez Aguirre16 de Noviembre 2011

UPIITA-IPN

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Introducción

El ecodiseño no es solo crear productos más atractivos, sino crear soluciones a necesidades reales que sean amigables al medio ambiente y la sociedad.

El Ecodiseño es una aproximación al diseño de un producto con una consideración especial en los impactos ambientales durante todo el ciclo de vida del producto.

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Antecedentes

Los esfuerzos iniciales de producción limpia se enfocaron en reducir los impactos de la contaminación y desperdicio después de ser producidos. Métodos de “Fin de la tubería”.

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Nissen en 1995 generó una lista de tendencias con las cuales se caracteriza un producto ecológico:

1) El material usado se encuentra abundantemente en la naturaleza2) Los procesos de manufactura requieren pequeño consumo de recursos naturales3) Las emisiones de desechos peligrosos en la producción son mínimas

Tendencias de un producto ecológico

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Tendencias de un producto ecológico

4) Cuando se usan, el producto es amigable al medio ambiente5) procesos de remanufactura o reciclaje deben de ser amigables al ambiente6) Cuando finalmente se eliminan, el impacto ambiental de desechos o incineración es mínimo.

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A partir del 2000 se empezó a analizar la sustentabilidad del diseño de los productos y su manufactura, mientras se presentó el concepto de lazos cerrados para la industria y el retorno de los desechos al medio ambiente debe de ser minimizado o eliminado.

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Todo el ciclo de vida de un producto debe de ser comprendido integralmente para predecir el impacto ambiental del mismo:

Desarrollo del producto avanzadoDiseño

ProducciónMercadotecnia

ComprasAdministración del proyecto

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Parámetros que deben de ser analizados:

Consumo de recursos (energía, materiales, agua o área de tierra.

Emisiones al aire, agua y la tierra al ser relevante al medio ambiente y salud humana

Análisis misceláneo (ruido, vibraciones, etc.)

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Debe tomarse cuenta:

Las necesidades y deseos de los clientes

Requerimientos legales o del mercado (competidores)

Datos referentes al producto y los procesos de manufactura

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El concepto de ecodiseño

“Soluciones Sustentables son productos, servicios, híbridos o cambios del sistema para minimizar los impactos negativos y

maximizan los positivos – economía, medio ambiente, social y ético – a través y mas

allá del ciclo de vida de productos o soluciones existentes, mientras se cubren

las necesidades y demandas de la sociedad”

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Mejoras al implementar los ecodiseños

●Mejoras en los procesos tecnológicos y los productos.

●Reducción de costos a través de verificación y modificación de productos en etapas tempranas de desarrollo.

●Seguimiento de las necesidades de los clientes.

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Mejoras al implementar los ecodiseños

• Creación de nuevas necesidades y requerimientos del cliente.

• Decrementos del consumo de energía y materiales en los productos en todo el ciclo de vida.

• Reducción del peso del producto y sus empaques.

• Reducción de costos productivos y de explotación.

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Guías para realizar el Ecodiseño

• No diseñar productos sino ciclos de vida: Diseñar ciclos de vida de productos ambientalmente amigable. Pensar en las entradas de materiales y la energía usada en un producto durante todo su ciclo de vida.

• Usar materiales mínimos: Considerar la reducción de recursos y materiales usados. Optimizar las dimensiones, fuerza requerida y técnicas de producción. Fomentar reducción de transporte y consumo de combustibles.

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Guías para realizar el Ecodiseño

• El consumo de energía: Considerar los consumos de energía en cada etapa del ciclo de vida.

• Incremento del tiempo de vida del producto: Promover la utilidad del producto por largo tiempo.

• Usar materiales reciclados: No solamente hacer el producto reciclable, sino usar materiales reciclados lo más posible. Reducción de uso de materiales nuevos y de los desechos.

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Metodologías del Ecodiseño

El proceso de diseño es diferente para diversas compañías y productos. Diferentes industria usan diferentes formas y herramientas para el ecodiseño y desarrollo de sus productos.

En pequeñas organizaciones el producto puede ser desarrollado por una sola persona, de manera más intuitiva que formal.

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Etapas del Ecodiseño

• Planeación• Concepción• Diseño de detalle• Estimación del producto• Introducción al mercado• Investigación / Prototipo

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Planeación• Concepción de la idea del producto• Prioridad económica, tecnológica y ecológica

para el producto• Producto nuevo o modernización• Estrategia total de la compañía ambiental.• Referencia al sistema de administración

ambiental • Negocios para el medio ambiente, expectación

del cliente o mercado, legislación, ecoetiquedo planeado, y competencia de productos.

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Concepción

• Integración de los aspectos de ecodiseño• Verificar las posibilidades ejecutivas• Aplicar guías, listas de verificación de

acción dedicadas al ajuste de especificaciones

• Contacto con proveedores

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Diseño de detalle

• Herramientas de ecodiseño y aplicación de bases de datos

• Búsqueda de materiales alternativos • Revisión de los análisis de ciclo de vida

para un mejor entendimiento del producto

• Diseño considerando ensamble/desensamble

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Estimación del producto

• Estimación del éxito del producto• Definición de nuevas versiones• Definición de innovaciones• Comparación con competidores

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Introducción al mercado

• Información sobre las mejoras ecológicas en el producto

• Presentación de las ventajas competitivas (calidad, costos de ciclo de vida)

• Mejora en la concienciación de los clientes

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Investigación / Prototipo

• Estimaciones basadas en generaciones previas del producto

• Verificación de los objetivos originales

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Análisis del Ciclo de vida del producto

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a) Materiales

La fase de materiales incluye tanto la extracción de los materiales, como el tipo de material utilizado en los productos. Se tiene en cuenta también la cantidad de material utilizado y algunos otros factores quizá de menor importancia.

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Reducir el impacto ambiental de los materiales utilizados

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Reducir la cantidad de material usado y el consumo de recursos

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b) Producción

• La reducción del consumo energético en los procesos de producción (modificando el proceso o aplicando nuevas técnicas de producción, p.e., nuevas técnicas de soldadura).

• La reducción de la generación de residuos durante la producción (uno de los mejores métodos es el reciclaje in situ).

• La reducción del impacto ambiental de los procesos productivos.

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c) Transporte

• Transportar los productos en partes separadas, que pueden ser acopladas, es una forma eficiente de maximizar la carga.

• La reducción de la cantidad de material utilizado y de consumo de combustible y energía de transporte

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d) Uso

• Reducir el consumo de energía• Incrementar la vida útil, reduciendo

el consumo adicional de materiales• Fácil utilización• Fácil mantenimiento

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e) Fin de vida

• Los productos deberán ser diseñados para facilitar su reciclabilidad, separabilidad, desensamble y reutilización.

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Reciclabilidad (no mezclar materiales incompatibles para el reciclaje)

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Identificación y Separabilidad (marcando las piezas plásticas)

Ejemplo de marcado: Identificación de plásticos en concordancia con la ISO 1043-2. Poliamida (PA) tipo 66 más un 30% en peso de fibra de vidrio (GF).

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Reutilización (Reutilizar partes de aparatos o aparatos enteros)

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Siete pasos hacia la mejora medioambiental

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Paso 1. Usar el Contexto

¿Cómo es el producto utilizado? ¿Por quién? ¿Por cuanto tiempo?

La idea central es descubrir los impactos medioambientales relacionados con la funcionalidad del producto para el usuario.

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Paso 2. GeneralidadesSe expande el análisis al ciclo de vida completo. Incluye la forma en que el producto se manufactura, distribuye y desecha.

¿Cuáles son los impactos ambientales de estos procesos?

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Paso 3. Eco-Descripción

Los impactos medio-ambientales deben de ser separados en cuatro categorías para comparar: Materiales, Energía , Químicos y Otros

¿Cuáles son las causas-raíz de los impactos?

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Paso 4. Red de Actores

Se dibuja la red de todos los involucrados que tienen influencia en el producto. Se identifican las conexiones entre ellos y sus impactos ambientales

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Paso 5. Cuantificación

Se ponen las figuras de impactos ambientales. Se crean escenarios para procesos, materiales y ciclos de vida alternativos

Se consideran los escenarios mas probables.

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Paso 6. Conceptualización

Se intenta remover o reducir los impactos ambientales creando soluciones hacia los cambios del producto o el ciclo de vida.

Se usan los principios de ecodiseño dados como eco-conceptos.

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Paso 7. Eco-estrategia

Se crea un plan de acción para los esfuerzos medioambientales de su compañía, especialmente para el desarrollo del producto.

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Caso de estudio: Una maceta

Una compañía introduce un nuevo producto en el mercado y desea vender una maceta para flores con semillas de girasol incluidas.

La descripción del producto:

Maceta hecha de barroDiámetro: 27 mm de base, 47 mm de bocaAltura: 40 mmPeso: 32 g

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La tarea es diseñar un producto para encontrar el empaque mas eficiente, apropiado e innovativo en el mercado de la maceta de flores y al mismo tiempo considerar los aspectos ambientales.

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Los requerimientos de la compañía son:

El diseño debería ir con la maceta de flores y ser innovador

La maceta y el empaque debería ser usados como un medio de difusión

La maceta de barro tiene que estar bien protegida contra daños

El empaque debería reflejar la imagen de la compañía

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Análisis de la competencia

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Elección de estrategia

Se inicia con la reducción de materiales de entrada para mejorar el empaquetado.

Lo siguiente es seleccionar las medidas que deberían tener mayor prioridad y potencial de mejora.

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Resultados

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Herramientas de Diseño

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Herramientas Diseño de producto Tradicional

●Requerimientos funcionales●Restricciones de costos, tiempos y materiales●Herramientas CAE de diseño:

●Diseño funcional●División en elementos●Procesamiento optimizado●Análisis de Elementos/Diferencias Finitas

●2D .. 2.5D .. 3D .. 4D●Esfuerzos sólidos/Térmicos / Fluidos●Propiedades de los materiales: Isotrópicos y Anisotrópicos

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Herramientas de Manufactura Tradicional

• Maquinados• Corte en puntos simples o múltiples• Uniones, Conformados, fundiciones, etc.• Metrología• Nivel de Automatización: Manual,

Automático, Híbrido

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Herramientas computacionales

• CAM• Integración CAD-CAM• CNC's• Simulaciones fuera de línea:

• Desgaste/falla de herramienta de corte• Precisión dimensional• Efectos de temperatura• Deformación elástica

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Flujo de Diseño

Borradores e ideas originales

Análisis de Elemento/Diferencias FinitasDinámica de Fluidos Computacional

Análisis Cinemático y DinámicoVisualización del Diseño y Animación

CAM

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Ejemplo de un proceso en Manufactura

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Solidificación

●Fundición●Calentamiento de 800 a 3000 °C●Creación de Aleación●Fase de estabilidad●Metalurgia Química: Inclusiones e Impurezas●Mezclado y agitación●Flotabilidad y tensión superficial del flujo●Burbujas en la Fundición

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Solidificación

Fundición de Arena

Inyector de Fundición

SeparadoresNucleo de Arena

Línea deDivisón

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SolidificaciónPara la solidificación se requiere:

Tiempo – Temperatura – ComposiciónEnfriado - Análisis simple de parámetros de salida

T es en función del tiempo, T0 es la temperatura

inicial y Tγ la temperatura ambiente, h, A

s, ρ, V y

Cp, son el coeficiente de calor convectivo, el Área

de la superficie, la densidad, el Volumen y la capacidad de calor específico, respectivamente.

T ( τ)−T γ

T 0−T γ=e

( −h AsρV C p

τ)

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Caso de Estudio: Ensamble maquinado

Un sub-ensamble simple consiste de tres componentes: A, B y C. A y B son maquinados directamente por la compañía y el componente C es obtenido de un proveedor.

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MétricaLa energía es usada como indicador métrico. Puede ser calculada con los parámetros de maquinado como la fuerza de corte, la velocidad de avance, el ritmo de remoción de material, el tiempo de corte, etc.

k es un factor de conversión, F es la fuerza de corte, v es la velocidad de avance y Vr y Rr son el

Volumen y ritmo de remoción de material.

E=k (F⋅vt )=k⋅F⋅v⋅(V r

Rr )

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Procesos en cada pieza

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Procesos en cada pieza

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Ensamble general

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Resultados

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Normas y especificaciones medioambientales

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Normas de impacto

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REACH

REACH significa Regulation on Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals (Regulación en el Registro, Evaluación, Autorización y Restricción de Químicos). Entró en vigor el 1o de Julio del 2007.

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REACH

Los principales objetivos de REACH son el asegurar un alto nivel de protección de la salud humana y el medio ambiente desde los riesgos que significan usar químicos, promoción de métodos alternativos de pruebas, la circulación libre de sustancias en el mercado internos y la competitividad e innovación mejorada.

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REACH

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WEEE

Directiva sobre el Desperdicio en Equipo Eléctrico y Electrónico

Es una ley en vigor desde el 2005 en la Unión Europea. Pretende promover el reciclaje, la reutilización y la recuperación de los residuos de estos equipos para reducir su contaminación.

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RoHS

Restricciones en el Uso de Ciertas Sustancias Peligrosas. Se aplica a Equipo Eléctrico y electrónico.

Adoptada en febrero de 2003 por la Union Europea. Restringe el uso de seis materiales peligrosos en la fabricación de varios tipos de equipos eléctricos y electrónicos.

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RoHS

Restringe el uso de las siguientes seis sustancias:

PlomoMercurioCadmioCromo VI (conocido como cromo hexavalente)PBB - Polibromobifenilos o Bifenilos polibromadosPBDE - polibromodifenil éteres

PBB y PBDE son sustancias retardantes de las llamas usadas en algunos plásticos.

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Conclusiones

El diseño ecológico es una estrategia de la industria de la manufactura de brindar una oferta al mercado mas competitiva y una oportunidad para la Eco-innovación.

Existen diferentes herramientas desarrolladas para asistir en este proceso, las cuales siguen metodologías que facilitan el análisis de impacto al medio ambiente.

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Conclusiones

Los gobiernos están generando normas de control medioambiental como REACH, WEEE y RoSH, a las cuales los fabricantes deben de ajustarse y redefinir sus procesos y productos.

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BibliografíaEcoDesign Awareness Raising Campaign for Electrical & Electronics SMEs. A Guide for EcoDesign Tools.2nd Edition, August 2005

Feng, Shaw C y Joung, Che B. An Overview of a Proposed Measurement Infrastructure for Sustainable Manufacturing. The 7th Global Conference on Sustainable Manufacturing. Manufacturing Engineering. Laboratory National Institute of Standards and Technology

Gaurav Ameta et al. Carbon Weight Analysis for Machining Operation and Allocation for Redesign. NISTIR 7560. National Institute of Standards and Technology. December 2009.

Irad Ben-Gal, Roni Katz and Yossi Bukchin. Robust eco-design: A new application for air quality engineering. IIE Transactions (2008) 40, 907–918

Morán González, Iñigo; Mínguez Gabiña, Rikardo; Arias Coterillo, Agustín; Barrenetxea Apraiz, Lander; Sierra Uria, Egoitz. Guía práctica de ecodiseño para el sector eléctrico y electrónico. Departamento de Expresión Gráfica y Proyectos de Ingeniería Euskal Herriko Unibertsitatea - Universidad del País Vasco - The University of the Basque Country

McAloone, Tim y Bey, Niki. Environmental improvement through product development - a guide. Technical University of Denmark.

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¡GRACIAS!