Diseño Estadístico de Experimentos

La importancia de planificar la experimentación

El objetivo de la experimentación consiste en conseguir información de calidad, por ello tiene un papel tan importante en todos los campos, tanto de investigación como de desarrollo. Es fundamental para la toma de decisiones, por ello es muy importante que esté bien diseñada.

¿qué es el diseño estadístico de experimentos?

Esta técnica consiste básicamente en estimar un modelo estadístico que relaciona los factores de diseño con la característica estudiada. Para ello se utiliza una matriz de diseño que establece el número de experimentos a realizar según los factores y sus niveles considerados. Por ejemplo, una matriz de diseño 32 indicaría que recoge dos factores con tres niveles cada uno, lo que supone un total de nueve experimentos diferentes. Cuando se utilizan los datos de cada experimento se obtienen los respectivos valores de la característica considerada y se puede seleccionar la combinación de niveles de los factores que optimiza el valor de la empresa. Los objetivos del diseño de experimentos son:

1. Seleccionar la estrategia experimental óptima que permita obtener la información buscada con el mínimo coste.
2. Evaluar los resultados experimentales obtenidos, garantizando la máxima fiabilidad en las conclusiones que se obtengan.

Un experimento se realiza por alguno de los siguientes motivos:

• Determinar las principales causas de variación en la respuesta.
• Encontrar las condiciones experimentales con las que se consigue un valor extremo en la variable de interés o respuesta.
• Comparar las respuestas en diferentes niveles de observación de variables controladas.
• Obtener un modelo estadístico-matemático que permita hacer predicciones de respuestas futuras.

pasos importantes a tener en cuenta

ES importante comprender y definir claramente el problema sobre el que queremos hacer la DEE, hay que identificar todos los factores que puedan influir en la función del objetivo, crear un plan de experimentación y responder a las preguntas planteadas.

Metodología

La metodología del diseño de experimentos se basa en la experimentación. Si se repite un experimento, en condiciones indistinguibles, los resultados presentan una variabilidad que puede ser grande o pequeña. Si la experimentación se realiza en un laboratorio donde la mayoría de las causas de variabilidad están muy controladas, el error experimental será pequeño y habrá poca variación en los resultados del experimento. Pero si se experimenta en procesos industriales, administrativos,... la variabilidad es grande en la mayoría de los casos.

La experimentación juega un papel fundamental en todos los campos de la investigación y el desarrollo. El objetivo de la experimentación es obtener información de calidad. Información que permita desarrollar nuevos productos y procesos, comprender mejor un sistema (un proceso industrial, un procedimiento analítico,...) y tomar decisiones sobre como optimizarlo y mejorar su calidad, comprobar hipótesis científicas, etc.

En la práctica

Un ejemplo de sistema experimental podría ser...
Una reacción química, cuyo rendimiento (y) puede ser función, entre otros, del tiempo de reacción (x1), la temperatura de la reacción (x2) y el tipo de catalizador (x3) utilizado. Otras variables que pueden influir son, por ejemplo, la pureza de los reactivos, la limpieza del material, la velocidad de agitación,....

El método Taguchi

Según Taguchi, el diseño estadístico de experimentos convencional no garantiza siempre que, finalmente, el producto satisfaga los deseos de los clientes. La razón es que aunque las características del producto sean las adecuadas, puede ocurrir que no lleguen correctamente al cliente. Es decir, hay unos factores que producen variación en los procesos y que degradan la señal ( lo que llega al cliente) de los productos. A estos factores de variación se les denomina “ruidos”, y pueden ser de dos tipos:

Externos; si se refiere a causas ambientales o debidas al uso, por ejemplo, la temperatura, la humedad, etc.
Internos; son de dos formas:
1. Por degradación de las prestaciones.

2. Por imperfecciones en la fabricación.

Un producto es “robusto” cuando es insensible a los ruidos o causas de variación. Según Taguchi, se pueden conseguir productos robustos que garanticen una calidad sólida, es decir, que proporcionen una bajo nivel de fallos del producto una vez está en manos del cliente. Para ello, los diseñadores deben concebir productos con el máximo ratio señal-ruido.

Procedimiento

1. Identificar y establecer los niveles para los factores de diseño y los ruidos. Los ruidos se consideran como otros factores más dentro del diseño de experimentos. Sus niveles se deben establecer de tal forma que garanticen que el producto va a ser insensible a los mismos.

2. Establecer las matrices de diseño para todos los factores.

3. Realizar los experimentos y calcular el ratio señal-ruido mediante la ordenación ortogonal.

4. Analizar la significación de los efectos. Utilizando matrices ortogonales el experto puede decidirse por aquellos niveles de los factores que reducen la variación del resultado o , si ésta se ha producido, los que le permitan alcanzar los objetivos de resultados. También puede utilizarse para encontrar variables que tienen poco efecto sobre la solidez de los productos.

5. Prueba de verificación del sistema. Consiste en construir los prototipos del producto en base a la optimización de los valores de diseño obtenidos en la etapa anterior. Estos prototipos son sometidos a las condiciones extremas que pueden darse en su uso real para comprobar que efectivamente se ha conseguido un producto robusto.

Bibliografía

Francisco Javier Lloréns Montes y María del Mar Fuentes Fuentes. Gestión de la calidad empresaria. Fundamentos e implantación. Ediciones Pirámide.

G.E.P. Box, W.G. Hunter, J.S. Hunter Estadística para experimentadores. Ed. Reverté S.A. Barcelona 1989.

Ferré, J., & Rius, F. X. (2002). Introducción al diseño estadístico de experimentos. TECNICAS DE LABORATORIO-BARCELONA-, 648-653