CÓMO SE DESARROLLAN LOS EQUIPOS DEPORTIVOS PERSONALIZADOS
Aknazar Arysbek, fundador, ingeniero biomédico (MSc, Universidad Tufts). LinkedIn ↗
Supongamos que usted entrena a un equipo de lacrosse. El entrenamiento termina con cien pelotas esparcidas por el campo. Alguien tiene que recogerlas. Usted tiene una idea para una máquina que lo haga. Esta nota muestra cómo el desarrollo de equipamiento deportivo lleva esa idea de un boceto a un producto en su caja, con las cifras calculadas en cada paso.
Tres cosas que resolver primero
Cada proyecto para construir equipamiento deportivo personalizado comienza con tres cosas: intenciones, restricciones y un sistema.
La intención es lo que usted quiere que cambie el producto. Para nuestra máquina es sencillo. El entrenador debería dejar de pasar el final de cada entrenamiento agachado sobre un campo lleno de pelotas.
Las restricciones son los límites dentro de los cuales debe moverse el producto. Cada una funciona como una valla alrededor del diseño. Nuestra máquina debe funcionar sin motor. Debe poder manejarla una sola persona. Debe caber en un coche.
El sistema es el método que se repite en cada decisión, y el nuestro es el método del resultado ideal. Con él, se imagina cada posible solución funcionando a la perfección dentro de las leyes de la física y después se juzga. Si ni siquiera la versión perfecta le convence, descártela; si le convence, averigüe cómo llegar a ella. Este método elimina las malas ideas mientras todavía son baratas.
Los seis pasos del desarrollo de productos deportivos
Todo producto de hardware, desde un casco hasta una máquina recogepelotas, pasa por los mismos seis pasos. Cada paso responde a una pregunta.
Seguiremos una máquina a lo largo de los seis: un recolector para pelotas pequeñas. Tiene piezas móviles. Toca el suelo. Vuelve a casa en un coche. Además, tiene que costar menos que la alternativa, que es un segundo entrenador cansado con un cubo.
Vamos a analizar dos deportes, lacrosse y squash. Ambos usan pelotas pequeñas. Las diferencias entre esas pelotas deciden gran parte del diseño.
Paso 1: requisitos
Antes de hacer ningún dibujo, se anota lo que debe hacer la máquina. Esta lista son los requisitos. Las decisiones posteriores se contrastan con ella.
Un buen requisito incluye una cifra. “Recoge pelotas rápido” es un deseo. “Recoge 100 pelotas en 10 minutos o menos” es un requisito.
Empiece por la pelota.
| Propiedad | Pelota de lacrosse | Pelota de squash |
|---|---|---|
| Diámetro | 62,7 a 64,7 mm | 39,5 a 40,5 mm |
| Masa | 142 a 149 g | 23 a 25 g |
| Construcción | Goma maciza | Hueca, dos mitades de goma pegadas |
| Dónde queda | Césped natural o artificial, al aire libre | Suelo de madera, entre cuatro paredes |
Las cifras de lacrosse provienen de la norma de la pelota, NOCSAE ND049. Establece un peso de 5,0 a 5,25 oz y una circunferencia de 7,75 a 8,0 in, y los valores métricos son conversión nuestra. Las cifras de squash son la especificación de la pelota de World Squash tal como se publica.
La pelota de lacrosse es aproximadamente 1,6 veces más ancha que la pelota de squash. Pesa unas seis veces más. Una máquina hecha para ambas es más difícil de fabricar que dos máquinas hechas cada una para una.
Para este ejemplo, desarrollamos un recolector de pelotas de lacrosse. Aquí está la lista.
| No. | Requisito | Cómo se comprueba |
|---|---|---|
| R1 | Recoge pelotas de lacrosse de césped natural y artificial | Prueba de campo en ambas superficies |
| R2 | Recoge 100 pelotas en 10 minutos o menos | Cronómetro, 100 pelotas repartidas en un área de 30 m por 30 m |
| R3 | Contiene al menos 100 pelotas | Prueba de llenado |
| R4 | Una persona puede operarlo | Prueba de campo con un solo usuario |
| R5 | Cabe en el maletero de un coche de tamaño medio | Medición frente a un tamaño de maletero especificado |
| R6 | Se vacía en un cubo de pelotas estándar | Demostración |
| R7 | Dura una temporada de uso al aire libre | Prueba de durabilidad, definida en el paso 4 |
| R8 | Se vende por menos de $250 | Modelo de coste, paso 5 |
Las cifras de R2, R3, R5 y R8 son supuestos para este ejemplo. En un proyecto real las aporta usted, la persona que está en el campo cada día.
Ahora ponemos cifras a los requisitos, y la lista de deseos se convierte en un problema de ingeniería que se puede resolver con un lápiz.
¿Qué peso tiene una carga completa?
Cien pelotas de lacrosse de aproximadamente 145 g cada una pesan unos 15 kg. Eso es una sandía gigante. El chasis, las ruedas y el mango deben sostenerla. El operador debe empujarla.
¿Cuánto espacio ocupan las pelotas?
Una pelota de lacrosse tiene un volumen de unos 135 cm³. Las pelotas vertidas en un contenedor dejan huecos entre ellas, y un montón aleatorio de esferas llena solo alrededor del 64% del espacio que ocupa (empaquetamiento compacto aleatorio). Así que 100 pelotas necesitan unos 21 litros de espacio. Es el tamaño de una mochila pequeña.
¿A qué velocidad hay que caminar?
Supongamos que la máquina recoge todas las pelotas de una franja tan ancha como ella. Despejar un área de 30 m por 30 m con una máquina de 0,6 m de ancho significa caminar 1500 m. A un paso constante supuesto de 1,2 m/s, eso lleva unos 21 minutos. Eso incumple R2. Una máquina de 1,2 m de ancho reduce la caminata a la mitad, a unos 10 minutos. Pero una máquina de 1,2 m debe plegarse para cumplir R5.
Así que dos requisitos chocan entre sí. Aquí hay una salida. Supongamos que las pelotas están agrupadas, como podrían estarlo cerca de la portería tras un ejercicio de tiro. Entonces se camina de un grupo a otro. No se barre cada metro cuadrado. R2 puede cumplirse, pero solo si su prueba distribuye las pelotas tal como quedan en realidad. El método de prueba de R2 debe indicar cómo.
La regla: contraste sus requisitos entre sí antes de contrastarlos con el mundo.
Paso 2: conceptos
Con los requisitos establecidos, el diseñador hace bocetos de todas las formas razonables de cumplirlos. Estos bocetos son los conceptos. Todos ellos se ponen sobre la mesa antes de que alguien elija uno favorito.
Nuestro recolector tiene cuatro conceptos. Todos fallan en algo. El trabajo consiste en elegir el fallo que se puede asumir.
| Concepto | Cómo funciona | Coste de fabricación | El fallo |
|---|---|---|---|
| A. Tubo de recogida | Un tubo con labios flexibles, que se vende como recogedor de pelotas de lacrosse; se presiona sobre cada pelota | El más bajo; ya se vende | Una pelota cada vez; incumple R2 |
| B. Rodillo empujador | Una jaula de alambres de resorte que se hace rodar por el suelo; las pelotas pasan a presión entre los alambres y quedan atrapadas dentro | Bajo | La separación entre alambres sirve solo para un tamaño de pelota |
| C. Barredora remolcada | Un rodillo ancho arrastrado por un vehículo utilitario, como las máquinas recogepelotas de los campos de prácticas de golf | Alto | Necesita un vehículo; incumple R4 y R5 |
| D. Robot | Una máquina con ruedas localiza las pelotas con una cámara y se desplaza hasta ellas | El más alto | Baterías, software y meteorología; incumple R8 |
Ahora aplique el método del resultado ideal. Imagine cada concepto funcionando a la perfección.
El tubo de recogida perfecto sigue levantando una pelota por cada vez que uno se agacha. Cien agachadas es el problema del que partimos. Se descarta.
La barredora remolcada perfecta sigue necesitando un vehículo en el campo. Un equipo que no lo tenga no puede usarla. Se descarta.
El robot perfecto encuentra todas las pelotas. También necesita una batería, motores, una cámara y un software que distinga una pelota de un diente de león. Incluso en su forma perfecta incumple el límite de precio de R8. Se descarta.
El rodillo empujador perfecto recoge todas las pelotas en una sola pasada sin ningún motor. Supera la prueba. El veredicto es el concepto B.
Fíjese en por qué ganó. De los conceptos que superan la prueba, B es el que tiene menos piezas. Cada pieza que se elimina es una menos que diseñar, comprar o que se pueda romper.
El concepto B ya está a la venta, en un tamaño más pequeño. El Kollectaball K-Field es un rodillo de jaula de alambre diseñado para pelotas de lacrosse, béisbol, hockey sobre césped y críquet. Tiene capacidad para 25 pelotas y su precio de lista es de $99.95. Demuestra que el principio funciona con una pelota de lacrosse. Incumple R3: cien pelotas obligan a vaciarlo cuatro veces. El trabajo que queda es una jaula cuatro veces más grande. Revise lo que ya existe en el mercado antes de que cualquier proyecto avance.
Dentro del rodillo empujador
La jaula es un tambor de alambres de resorte tensados entre dos discos laterales. Cuando el tambor rueda sobre una pelota, dos alambres contiguos la presionan desde arriba. La pelota es más ancha que el hueco entre ellos. Así que los alambres se separan y la pelota pasa entre ellos. Luego los alambres vuelven a su sitio. Ahora la pelota está dentro y no puede salirse.
Todo depende de la separación. Si es demasiado ancha, las pelotas se vuelven a salir. Si es demasiado estrecha, los alambres no pueden doblarse lo suficiente para dejar entrar una pelota. Un punto de partida útil es una separación de aproximadamente el 80% del diámetro de la pelota. Para una pelota de lacrosse de 64 mm, eso son unos 51 mm. Para una pelota de squash de 40 mm, unos 32 mm. Ambas cifras son supuestos que hay que comprobar en el paso 3.
Ahora vuelve la pelota de squash. Con una separación pensada para la pelota de lacrosse, la de squash se cuela directamente. Con una separación pensada para la de squash, la de lacrosse nunca entra. Una sola jaula no sirve para ambos deportes. Un recolector de pelotas de squash necesita su propia jaula, o un bastidor que admita jaulas intercambiables.
El squash plantea una segunda pregunta. Una pista tiene quizá 30 pelotas entre cuatro paredes. Aplique de nuevo el resultado ideal. Una máquina perfecta le ahorra a un entrenador de squash uno o dos minutos. Puede que una cesta ya haga el trabajo. La máquina más barata es la que se evita construir.
La regla: anote el objeto más pequeño y el más grande que debe manejar la máquina antes de dibujar nada.
Paso 3: prueba de concepto
Una prueba de concepto es un modelo aproximado construido para responder a una pregunta. ¿Funciona la idea central?
En el caso del rodillo empujador, la pregunta es concreta. ¿Entran las pelotas de lacrosse en la jaula y se quedan dentro cuando esta rueda sobre la hierba? El mango, la pintura y el plegado pueden esperar.
El modelo puede ser unos cuantos alambres de resorte doblados alrededor de dos discos de contrachapado. Hágalo rodar sobre un trozo de hierba con diez pelotas. Cuente cuántas acaban dentro. Luego cambie la separación en 2 mm y vuelva a hacerlo rodar, en un rango de 45 a 57 mm. Represente el recuento frente a la separación. La mejor separación es aquella en la que entran todas las pelotas y no sale ninguna.
La hierba añade una segunda prueba. Una pelota de lacrosse se hunde en la hierba. La jaula debe presionar la pelota con fuerza suficiente para hacerla pasar entre los alambres antes de que la pelota simplemente ruede y se aleje. Ese empuje viene del peso del tambor. Un tambor demasiado ligero salta por encima de las pelotas en la hierba alta. Pruebe en la hierba más alta que vaya a encontrar la máquina.
Este es el punto del proyecto en el que equivocarse sale más barato. Una idea que falla aquí cuesta algo de contrachapado, un rollo de alambre y unas cuantas tardes en el césped. La misma idea fallando después de fabricar los moldes cuesta miles.
Paso 4: prototipo de ingeniería y pruebas
Una vez que la idea funciona, el diseñador construye un prototipo con el aspecto y el comportamiento del producto real. Cada pieza se dibuja primero en un modelo informático. Se especifican cada dimensión, material y elemento de fijación.
El prototipo tiene cinco partes principales. Cada una tiene su propia pregunta de ingeniería.
| Parte | Qué hace | La pregunta de ingeniería |
|---|---|---|
| Jaula | Atrapa las pelotas | Material, diámetro y separación de los alambres |
| Discos laterales | Sujetan los alambres en su sitio | Lo bastante rígidos para mantener la separación uniforme con 15 kg |
| Eje y ruedas | Permiten que la jaula ruede | Rodamientos que toleren hierba, barro y lluvia |
| Bastidor y mango | Permite que una persona lo empuje | Altura del mango y plegado para el maletero |
| Puerta de vaciado | Libera las pelotas | Se abre sin herramientas y permanece cerrada mientras rueda |
Tomemos los alambres como ejemplo. Cada pelota que entra dobla dos de ellos. Doble un clip hacia delante y hacia atrás, y pronto se rompe. El metal se cansa con las flexiones repetidas. Los ingenieros llaman a esto fatiga.
Así que cuente las flexiones. Supongamos 100 pelotas por entrenamiento, cinco entrenamientos a la semana y una temporada de 30 semanas. Eso suma 15.000 pelotas, y cada pelota dobla dos alambres. El acero para muelles mantenido muy por debajo de sus límites soporta muchas más flexiones. Los alambres también ruedan sobre hierba mojada. Deben ser de acero inoxidable o estar recubiertos contra el óxido.
El prototipo se prueba entonces según los requisitos, línea a línea.
| Prueba | Método | Criterio de aprobación |
|---|---|---|
| Tasa de recogida (R2) | 100 pelotas agrupadas en un área de 30 m por 30 m, un operador | 10 minutos o menos |
| Capacidad (R3) | Llenar hasta que se caigan pelotas | 100 pelotas o más |
| Durabilidad (R7) | Hacer rodar la jaula sobre 15.000 pelotas en césped artificial; dejarla caer desde la altura del portón trasero | Ningún alambre roto ni pieza agrietada |
| Vaciado (R6) | Volcar en un cubo estándar | Todas las pelotas fuera sin herramientas |
La mayoría de los prototipos fallan al menos una prueba la primera vez. Para eso están las pruebas. Cada fallo se anota. Se cambia el diseño. Luego se repite la prueba. Prevea dos o tres rondas.
Paso 5: diseño para la fabricación
Un prototipo se construye de uno en uno, con lo que se tiene a mano. Las fábricas producen por cientos o por miles. El diseño para fabricación es el paso en el que el diseño cambia para que una fábrica pueda producirlo rápido, barato y siempre de la misma manera.
Aquí aparece la cifra que decide la mayoría de los presupuestos de hardware: el utillaje. El utillaje son los moldes y accesorios que una fábrica necesita antes de poder fabricar la primera pieza. Se paga antes de que se envíe una sola unidad. Un molde para una pieza de plástico cuesta desde unos $1,500 para un molde sencillo de aluminio hasta $100,000 para uno grande y complejo.
El coste de una unidad es:
C es el coste de una unidad. N es el número de unidades fabricadas. T es el coste del utillaje, pagado una vez. M son los materiales y piezas por unidad. L es la mano de obra de montaje por unidad.
Compare dos formas de fabricar los discos laterales y las piezas del bastidor del recolector. El método 1 los imprime en una impresora 3D y los monta a mano. Su utillaje es la impresora. El método 2 utiliza piezas moldeadas por inyección. Todas las cifras son supuestos para este ejemplo, no presupuestos.
| Método 1: impreso | Método 2: moldeado | |
|---|---|---|
| Utillaje, T | $600 | $30,000 |
| Material y piezas, M | $60 | $18 |
| Montaje, L | $25 | $10 |
| Coste unitario con 100 unidades | $91 | $328 |
| Coste unitario con 500 unidades | $86 | $88 |
| Coste unitario con 5000 unidades | $85 | $34 |
Con 100 unidades, cada recolector moldeado carga con $300 de molde. Con 5000 unidades, el mismo molde añade $6. Los dos métodos cuestan lo mismo en torno a las 516 unidades. Es la diferencia de $29,400 en utillaje dividida entre los $57 que el moldeo ahorra en cada unidad.
Así que la forma de fabricar un producto depende de cuántas unidades espere vender. Una liga que necesita 50 recolectores no debería pagar un molde. Con 5000 unidades, imprimir cuesta $51 más por recolector que moldear.
Aquí está también la respuesta a una pregunta habitual: ¿cuánto cuesta hacer un prototipo? El prototipo en sí es la cifra pequeña. El utillaje que viene después es el factor decisivo.
Paso 6: serie piloto y producción
Antes del pedido completo, la fábrica produce un pequeño lote llamado serie piloto, normalmente de 30 a 300 unidades según el proceso. El diseño quedó fijado en el paso 4. Ahora lo que se pone a prueba es la fábrica. ¿Encajan las piezas en la línea de montaje, y la unidad número cien es igual que la primera? Incluso la caja se comprueba con el producto.
Un problema detectado en una serie piloto cuesta unas pocas unidades. El mismo problema detectado tras el envío está en 5000 cajas.
Luego comienza la producción. A partir de aquí el trabajo es de comprobación. Las piezas se inspeccionan a medida que llegan. Las unidades terminadas se prueban al azar. Cada cambio queda registrado.
Límites de este ejemplo
- Todos los costes y el precio objetivo de $250 son supuestos elegidos para mostrar la aritmética. Un proyecto real obtiene presupuestos reales.
- El recolector de pelotas de squash no se desarrolla más allá de la fase de concepto.
- No se tratan la electrónica, el software ni la certificación de seguridad. Un rodillo empujador no necesita ninguno de ellos. Muchos productos deportivos necesitan los tres.
Preguntas comunes
¿Necesito una patente antes de hablar con un diseñador? No. Un acuerdo de confidencialidad protege la conversación. Si conviene presentar una patente es otra cuestión, para un abogado de patentes.
¿Puedo saltarme la prueba de concepto? Rara vez. Es el paso más barato. Cada paso posterior depende de la respuesta que dé.
¿Debería una sola máquina servir para dos deportes? No al principio. Construya para el deporte con el problema más claro y luego adapte.
¿Cuánto dura todo el proceso? Puede durar entre 2 meses y 2 años. Depende de sus requisitos, su presupuesto y su tenacidad.
Dónde encajamos
Fuentes: NOCSAE ND049-19, standard performance specification for newly manufactured lacrosse balls · Squash ball specification, as summarised by Wikipedia · Random close packing of spheres · Kollectaball K-Field ball collector · Protolabs: injection molding pricing · Xometry: injection molding cost · Fictiv: pilot production · StudioRed: product design cost · Cad Crowd: design and prototyping rates. Relacionado: cuánto cuesta un prototipo de hardware · cómo convertir una idea en un producto.