UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN FACULTAD FACULTAD DE CIENCIAS CIEN CIAS Y TECNOLOGÍA CARRERA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL
DISEÑO DE UNA IMPRESORA 3D DE PLASTICO PARA EMPRESAS INDUSTRIALES INDUSTRIALES EN EL DEPARTAMENTO DE COCHABAMBA (PERFIL DE PROYECTO DE GRADO)
Materia ateria::
TALLER DE TESIS I
Presentado por: Univ. Jhael Patricia Miranda Rojas Fecha: Fecha:
10 de Agosto de 2016
Cochabamba – Bolivia
0
1. ANTECEDENTES 1.1.
ANTECEDEN NT ECEDENTE TES S GENERA GENER ALES
Una impresora 3D es un dispositivo capaz de generar un objeto sólido tridimensional mediante (y ahí radica la principal diferencia con los sistemas de producción tradicionales) la adición de material. Los métodos de producción tradicionales son sustractivos, es decir, generan formas a partir de la eliminación de exceso de material. Las impresoras 3D se basan en modelos 3D para definir qué se va a imprimir. Un modelo no es sino la representación digital de lo que vamos a imprimir mediante algún software de modelado. Por dar un ejemplo de lo anterior, con c on una impresora impres ora 3D se podría podría generar una cuchara, c uchara, o cualquier otro objeto que se pueda imaginar, usando tan solo la cantidad estrictamente necesaria de material, y para hacerlo se deberá tener la representación del objeto en un formato de modelo 3D reconocible para la impresora. Los materiales que actualmente pueden utiliz arse para ‘imprim ir’ son variados variados y lo cierto es
que influyen influyen bastante en el coste cos te de la impresora. im presora. Cualquier impresora im presora de bajo coste suele funcionar con termoplásticos term oplásticos como com o el el PLA o ABS. ABS. Pero se encuentran impresoras capace c apacess de trabajar con metal, fotopolímeros o resina líquida, aunque resultan prohibitivas para entornos no industriales.
1.2.
ANTECEDENTES NTECEDEN TES ESPECIFICOS
En el mercado actual del departamento de Cochabamba la oferta de impresoras 3D se da por parte del sector privado, empresas como 3D PRINTER ofrecen este tipo de máquinas modernas a precios elevados, presentando su diseño más simple a un costo total de 1.200 Sus. Las industrias en relación relac ión a los los requisitos r equisitos de rapidez y exactitud de diseños han hecho que este mercado entre de forma repentina provocando que el mercado de impresoras e impresiones de piezas 3D vaya creciendo y además diversificándose, ante el bajo nivel de ofertantes se constituyen pequeños monopolios con los participantes actuales y para nosotros una oportunidad para el desarrollo de este nuevo tipo de tecnología. tecnología.
2. CARA CARACT CTERIZA ERIZACION CION DEL D EL PROBLEMA PROB LEMA 2.1.
IDENTIFICA IDENT IFICACION CION DEL PROBLEMA PROB LEMA
1
1. ANTECEDENTES 1.1.
ANTECEDEN NT ECEDENTE TES S GENERA GENER ALES
Una impresora 3D es un dispositivo capaz de generar un objeto sólido tridimensional mediante (y ahí radica la principal diferencia con los sistemas de producción tradicionales) la adición de material. Los métodos de producción tradicionales son sustractivos, es decir, generan formas a partir de la eliminación de exceso de material. Las impresoras 3D se basan en modelos 3D para definir qué se va a imprimir. Un modelo no es sino la representación digital de lo que vamos a imprimir mediante algún software de modelado. Por dar un ejemplo de lo anterior, con c on una impresora impres ora 3D se podría podría generar una cuchara, c uchara, o cualquier otro objeto que se pueda imaginar, usando tan solo la cantidad estrictamente necesaria de material, y para hacerlo se deberá tener la representación del objeto en un formato de modelo 3D reconocible para la impresora. Los materiales que actualmente pueden utiliz arse para ‘imprim ir’ son variados variados y lo cierto es
que influyen influyen bastante en el coste cos te de la impresora. im presora. Cualquier impresora im presora de bajo coste suele funcionar con termoplásticos term oplásticos como com o el el PLA o ABS. ABS. Pero se encuentran impresoras capace c apacess de trabajar con metal, fotopolímeros o resina líquida, aunque resultan prohibitivas para entornos no industriales.
1.2.
ANTECEDENTES NTECEDEN TES ESPECIFICOS
En el mercado actual del departamento de Cochabamba la oferta de impresoras 3D se da por parte del sector privado, empresas como 3D PRINTER ofrecen este tipo de máquinas modernas a precios elevados, presentando su diseño más simple a un costo total de 1.200 Sus. Las industrias en relación relac ión a los los requisitos r equisitos de rapidez y exactitud de diseños han hecho que este mercado entre de forma repentina provocando que el mercado de impresoras e impresiones de piezas 3D vaya creciendo y además diversificándose, ante el bajo nivel de ofertantes se constituyen pequeños monopolios con los participantes actuales y para nosotros una oportunidad para el desarrollo de este nuevo tipo de tecnología. tecnología.
2. CARA CARACT CTERIZA ERIZACION CION DEL D EL PROBLEMA PROB LEMA 2.1.
IDENTIFICA IDENT IFICACION CION DEL PROBLEMA PROB LEMA
1
En la figura 1 se muestra el árbol de problemas en función al proyecto que nos permitirá desarrollar la descripción y formulación del problema.
EFECTOS
Generación de Generación cuellos de botella en procesos dependientes
Demanda insatisfecha
Piezas y/o productos defectuosos
TIEMPOS DE
PROBLEMA
FABRICACION
CENTRAL
LARGOS
Mano de obra desactualizada
Elevado costos de mano de obra
Piezas de diseños complejos
CAUSAS
Trabajos artesanales de precisión con pocos ofertantes
Figura 1: Árbol Árbol de problemas Fuente: Elaboración propia
2.2.
DESCRIPCION DEL PROBLEMA
Los tiempos de fabricación largos debido a piezas de diseños com plejos y de alta precisión, realizadas como trabajos artesanales de pocos ofertantes a elevados costos y la mano de obra desactualizada tiene como efectos el crecimiento de una demanda insatisfecha, la generación de cuellos de botella en procesos dependientes dependientes y a su vez piezas y/o productos defectuosos.
2
2.3.
FORMULA FORM ULACION CION DEL PROBLEMA PROB LEMA
¿Podrá el diseño de una impresora de plástico 3D reducir los tiempos de fabricación de piezas artesanales de alta precisión en las empresas industriales en el departamento de Cochabamba?
3. OBJETIVOS 2.4.
OBJETIVO OBJET IVO GENERA GENER AL
Diseñar una impresora 3d de plástico para empresas industriales en el departamento de Cochabamba.
2.5.
OBJETIVOS ESPECIFICOS ESPECIFICOS
•
Dividir en partes el diseño de la impresora 3D.
•
Dimensionar Dimens ionar y seleccionar selecc ionar componentes com ponentes mecánicos mec ánicos de movimiento.
•
Seleccionar Selecc ionar la electrónica de control.
•
Escoger Esc oger el software de control.
•
Realizar el diseño mecánico. mec ánico.
•
Determinar el costo de fabricación.
4. JUSTIFICA JUST IFICACION CION Y ALCANCE LCANCE 4.1.
JUSTIFICACIÓN
4.1.1. 4.1.1. JU STIFI STIFICA CA CION CION TECN ICA
El desarrollo de la industria ha llevado a la misma a buscar soluciones rápidas y relativamente económicas a los problemas esporádicos así también como a los problemas durante el desarrollo secuencial de operaciones, atacando estas debilidades el diseño de una impresora 3D para este mercado nos permitirá proponer una solución rápida y económica para este tipo de problemas.
4.2.
ALCANCE 3
4.2.1. AL CAN CE TEMA TICO
El proyecto se enfocara en el diseño mecánico y electrónico de una Impresora 3D además de la evaluación de los costos de fabricación de la misma. No se incluirá el diseño y desarrollo del software de control, se trabajara sobre la base de código abierto. En la tabla 1 se definen las asignaturas de la carrera de ingeniería industrial para el desarrollo del proyecto. Tabla 1
Asignaturas de la carrera de Ingeniería Industrial aplicadas al proyecto. AREA DE ESTUDIO
ALCANCE TEMATICO
RESISTENCIA DE MATERIALES
Para el análisis de esfuerzos y torques para el dimensionamiento de piezas, aplicación de análisis de Von Mises en ejes y tornillos sin fin. Para la selección de los materiales para las piezas
CIENCIAS DE LOS MATERIALES
sometidas a grandes esfuerzos, desde el punto de vista económico y vida útil.
TECNOLOGIA MECANICA
DISEÑO ASISTIDO POR COMPUTADORA
AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL
Para la descripción de tecnologías de fabricación de piezas y componentes de la impresora 3D. Para el diseño por medio del Software de diseño en computadora, aplicando SolidWorks y técnicas de diseño computacional bajo normas DIN. Para la selección de componentes electrónicos, termistores y finales de carrera.
4
COSTOS
Para la evaluación de costos y desarrollo de presupuestos.
Fuente: Elaboración propia (Norton, 2011) 4.2.2. AL CAN CE ESPACIAL
Ante el potencial creciente en cuanto al desarrollo de la industria del plástico en Bolivia, debido a la industrialización de los hidrocarburos, y ante una demanda creciente de las impresiones 3D planteando soluciones rápidas a empresas industriales en el departamento de Cochabamba para prototipos de piezas o diseños, para piezas finales o moldes. El proyecto se centrará en esta demanda estableciéndose como una alternativa para dar solución a estas empresas industriales del Departamento de Cochabamba. 4.2.3. AL CAN CE TEMPORA L
El diseño de una maquina 3D debe contemplar la parte mecánica y electrónica del mismo, así como los costos de fabricación o adquisición de piezas o componentes electrónicos, con el objetivo de dar la m ejor alternativa en cuanto a estas tres perspectivas el proyecto de diseño tendrá un tiempo de duración de 6 meses.
5. MARCO TEORICO 5.1.
IMPRESIÓN 3D
Una impresora 3D es una máquina capaz de realizar réplicas de diseños en 3D, creando piezas o maquetas volumétricas a partir de un diseño hecho por ordenador, desc argado de internet o recogido a partir de un escáner 3D. Surgen con la idea de convertir archivos de 2D en prototipos reales o 3D. Comúnmente se ha utilizado en el prototipado o en la prefabricación de piezas o componentes, en sectores como la arquitectura y el diseño industrial. En la actualidad se extiende su uso en la fabricación de prótesis médicas, ya que la impresión 3D permite adaptar cada pieza fabricada a las características exactas de cada paciente. La impresión 3D en el sentido original del término se refiere a los procesos en los que secuencialmente se acumula material en una cama o plataforma por diferentes m étodos de 5
fabricación, tales como polimerización, inyección de aporte, inyección de aglutinante, extrusión de material, cama de polvo, laminación de metal, depósito metálico. Existen múltiples modelos comerciales: Sinterización láser , donde un suministrador va depositando finas capas de polvo de
diferentes metales (acero, aluminio, titanio...) y un láser a continuación funde cada capa
con la anterior. Estereolitografía, donde una resina fotosensible es curada con haces de luz ultravioleta, solidificándola. Compactación, con una masa de polvo que se compacta por estratos. Adición, o de inyección de polímeros, en las que el propio material se añade por capas. Según el método empleado para la compactación del polvo, se pueden clasificar en:
Impresoras 3D de tinta: utilizan una tinta aglomerante para compactar el polvo. El uso
de una tinta permite la impresión en diferentes colores. Impresoras 3D láser: Es un láser que transfiere energía al polvo haciendo que se polimerice. Después se sumerge en un líquido que hace que las zonas polimerizadas se solidifiquen.
Una vez impresas todas las capas sólo hay que sacar la pieza. Con ayuda de un aspirador se retira el polvo sobrante, que se reutilizará en futuras impresiones.
5.2.
EL DISEÑO
Diseñar es formular un plan para satisfacer una necesidad específica o resolver un problema. Si el plan resulta en la creación de algo físicamente real, entonces el producto debe ser funcional, seguro, confiable, competitivo, útil, que pueda fabricarse y comercializarse. El diseño es un proceso innovador y altamente iterativo. También es un proceso de toma de decisiones. Algunas veces éstas deben tomarse con muy poca información, en otras con apenas la cantidad adecuada y en ocasiones con un exceso de información parcialmente contradictoria. Algunas veces las decisiones se toman de manera tentativa, por lo cual es conveniente reservarse el derecho de hacer ajustes a medida que se obtengan más datos. Lo importante es que el diseñador en ingeniería debe sentirse personalmente cómodo cuando ejerce la función de toma de decisiones y de resolución de problemas. El diseño es una actividad de intensa comunicación en la cual se usan tanto palabras como imágenes y se emplean las formas escritas y orales. Los ingenieros deben comunicarse en 6
forma eficaz y trabajar con gente de muchas disciplinas. Éstas son habilidades importantes el éxito de un ingeniero depende de ellas. Las fuentes personales de creatividad de un diseñador, la habilidad para comunicarse y la destreza para resolver problemas están entrelazadas con el conocimiento de la tecnología y sus principios fundamentales. Las herramientas de la ingeniería (como las matemáticas, la estadística, la computación, las gráficas y el lenguaje) se combinan para producir un plan, que cuando se lleva a cabo crea un producto funcional , seguro, confiable, competitivo, útil , que se puede fabricar y comercializar , sin importar quién lo construya o lo use.
5.3.
EL DISEÑO EN LA INGENIERIA MECÁNICA
Los ingenieros mecánicos están relacionados con la producción y el procesamiento de energía y con el suministro de los medios de producción, las herramientas de transporte y las técnicas de automatización. Las bases de su capacidad y conocimiento son extensas. Entre las bases disciplinarias se encuentran la mecánica de sólidos, de fluidos, la transferencia de masa y momento, los procesos de manufactura y la teoría eléctrica y de la información. El diseño en la ingeniería mecánica involucra todas las áreas que componen esta disciplina. Los problemas reales se resisten a la especialización. Un simple muñón y cojinete involucran flujo de fluidos, transferencia de calor, fricción, transporte de energía, selección de materiales, tratamientos termo-mecánicos, descripciones estadísticas, etc. La construcción debe respetar el medio ambiente. Las consideraciones de calefacción, ventilación y de acondicionamiento del aire son lo suficientemente especializadas que algunos hablan del diseño de la calefacción, ventilación y del acondicionamiento del aire como si estuvieran separados y fueran distintos del diseño en la ingeniería mecánica. En forma similar, algunas veces el diseño de motores de combustión interna, de turbomaquinaria y de motores de reacción se considera entidades discretas. La serie de adjetivos que siguen a la palabra diseño sólo es una ayuda para describir el producto. De manera similar, hay frases como diseño de máquinas, diseño de elementos de máquinas, diseño de componentes de máquinas, diseño de sistemas y diseño de potencia hidráulica. Todas ellas son ejemplos un poco más enfocados del diseño en la ingeniería mecánica. Se basan en las mismas fuentes de conocimiento, se organizan en forma similar y requieren habilidades semejantes. 7
5.4.
FASES E INTERACCIONES DEL DISEÑO
Las interfaces para el diseño de cualquier tipo de máquinas sigue el esquema presentado en la figura 2.
Figura 2: Fases del proceso de diseño que reconocen múltiples retroalimentaciones e iteraciones. Fuente: Diseño en ingeniería mecánica (Shingley, 2008)
5.5.
CONSIDERACIONES DEL DISEÑO
Algunas veces la resistencia que requiere un elemento de un sistema significa un factor importante para determinar su geometría y dimensiones. En esa situación se dice que la resistencia es una consideración de diseño importante. Cuando se emplea la expresión consideración de diseño se involucra de manera directa alguna característica que influye en el diseño del elemento, o tal vez en todo el sistema. A menudo se deben considerar muchas de esas características en una situación de diseño dada. Entre las m ás importantes se pueden mencionar (no necesariamente en orden de importancia):
1 Funcionalidad
14 Ruido
2 Resistencia/esfuerzo
15 Estilo 8
3 Distorsión/deflexión/rigidez
16 Forma
4 Desgaste
17 Tamaño
5 Corrosión
18 Control
6 Seguridad
19 Propiedades térmicas
7 Confiabilidad
20 Superficie
8 Manufacturabilidad
21 Lubricación
9 Utilidad
22 Comercialización
10 Costo
23 Mantenimiento
11 Fricción
24 Volumen
12 Peso
25 Responsabilidad legal
13 Vida
26 Capacidad de reciclado/ recuperación de recursos.
Algunas de estas propiedades se relacionan de manera directa con las dimensiones, el material, el procesamiento y la unión de los elementos del sistema. Algunas características pueden estar interrelacionadas, lo que afecta la configuración del sistema total.
5.6.
HERRAMIENTAS DE DISEÑO
En la actualidad, el ingeniero tiene una gran variedad de herramientas y recursos disponibles que le ayudan a solucionar problemas de diseño. Las microcomputadoras poco caras y los paquetes robustos de software proporcionan herramientas de gran capacidad para diseñar, analizar y simular componentes mecánicos. Además de estas herramientas, el ingeniero siempre necesita información técnica, ya sea en forma de desempeño básico en ciencias/ingeniería o las características de componentes especiales recién lanzados. En este caso, los recursos pueden ir desde libros de ciencia/ingeniería hasta folletos o catálogos de los fabricantes. También la computadora puede jugar un papel importante en la recolección de información.
9
5.6.1. HERRA MIENTAS COM PUTACIONA LES
El software para el diseño asistido por computadora (CAD) permite el desarrollo de diseños tridimensionales (3-D) a partir de los cuales pueden producirse vistas ortográficas convencionales en dos dimensiones con dimensionamiento automático. Las trayectorias de las herramientas pueden generarse a partir de los modelos 3-D y, en algunos casos, las partes pueden crearse directamente desde una base de datos 3-D mediante el uso de un método para la creación rápida de prototipos y manufactura (estereolitografía): manufactura sin papeles! Otra ventaja de este tipo de base de datos es que permite cálculos rápidos y exactos de ciertas propiedades como la masa, la localización del centro de gravedad y los momentos de inercia de masa. Del mismo modo, pueden obtenerse con facilidad otras propiedades como áreas y distancias entre puntos. Existe una gran cantidad de software de CAD disponible como Aries, AutoCAD, CadKey, IDeas, Unigraphics, Solid Works y ProEngineer, sólo por mencionar algunos.
5.7.
NORMAS Y CODIGOS
Una norma es un conjunto de especificaciones para partes, materiales o procesos establecidos a fin de lograr uniformidad, eficiencia y cantidad especificadas. Uno de los propósitos importantes de una norma es poner un límite al número de artículos en las especificaciones para proporcionar un inventario razonable de herramientas, tamaños, formas y variedades. Un código es un conjunto de especificaciones para analizar, diseñar, manufacturar y construir algo. El propósito de un código consiste en lograr un grado específico de seguridad, eficiencia y desempeño o calidad. Es importante observar que los códigos de seguridad no implican seguridad absoluta. De hecho, la seguridad absoluta es imposible de obtener. Algunas veces realmente acontece un suceso inesperado. Diseñar un edificio para que resista un viento de 120 mi/h no significa que el diseñador piense que un viento de 140 mi/h es imposible; sólo significa que piensa que es muy improbable. Todas las organizaciones y sociedades que se presentan enseguida han establecido especificaciones para normas y códigos de diseño o seguridad. El nombre de la organización proporciona una guía de la naturaleza de la norma o código. Algunas de las
10
normas y códigos, así como las direcciones, se pueden obtener en la mayor parte de las bibliotecas técnicas. Las organizaciones de interés para los ingenieros mecánicos son: American Institute of Steel Construction (AISC) American Iron and Steel Institute (AISI) American National Standards Institute (ANSÍ) ASM International6 American Society of Mechanical Engineers (ASME) American Society of Testing and Materials (ASTM) American Welding Society (AWS) American Bearing Manufacturers Association (ABMA) British Standards Institution (BSI) Industrial Fasteners Institute (IFI) Institution of Mechanical Engineers (I. Mech. E.) International Bureau of Weights and Measures (BIPM) International Standards Organization (ISO) National Institute for Standards and Technology (NIST) Society of Automotive Engineers (SAE)
5.8.
INCERTIDUMBRE
En el diseño de maquinaria abundan las incertidumbres. Entre los ejemplos de incertidumbres concernientes al esfuerzo y la resistencia están: • La composición del material y el efecto de las variaciones en las propiedades. • Las variaciones de las propiedades de lugar a lugar dentro de una barra de material.
11
• El efecto del procesamiento local, o cercano, en las propiedades. • El efecto de ensam bles cercanos, como soldaduras y ajustes por contracción, en las
condiciones del esfuerzo. • El efecto del tratamiento termomecánico en las propiedades. • La intensidad y distribución de las cargas. • La validez de los modelos matemáticos que se utilizan para representar la realidad. • La intensidad de las concentraciones de esfuerzos. • La influencia del tiempo sobre la resistencia y la geometría. • El efecto de la corrosión. • El efecto del desgaste. • La incertidumbre respecto de la longitud de cualquier lista de incertidumbres.
Los ingenieros deben adecuarse a la incertidumbre, pues ésta siempre acompaña al cambio. Entre los aspectos que conciernen a los diseñadores se pueden mencionar las propiedades de los materiales, la variabilidad de carga, la fidelidad de la fabricación y la validez de los modelos matemáticos. Existen métodos matemáticos para enfrentar las incertidumbres. Las técnicas básicas son los métodos determinísticos y estocásticos. El método determinístico establece un factor de diseño basado en las incertidumbres absolutas de un parámetro de pérdida de función y un parámetro máximo permisible. En ciertos casos el parámetro puede ser la carga, el esfuerzo, la deflexión, etc. Por lo tanto, el factor de diseño nd se define como
é ó = á á á
(1)
Si el parámetro es la carga, entonces la carga máxima permisible puede encontrarse con
á = ó
5.9.
(2)
FACTOR DE DISEÑO Y FACTOR DE SEGURIDAD 12
Un enfoque general del problema de la carga permisible contra la carga de pérdida de función es el método del factor de diseño determinístico, al que algunas veces se le llama método clásico de diseño. La ecuación fundamental es la ecuación (1), donde nd se conoce como factor de diseño. Deben analizarse todos los modos de pérdida de función, y el modo que conduzca al factor de diseño más pequeño será el modo gobernante. Después de terminar el diseño, el factor de diseño real puede cambiar como resultado de cambios como el redondeo a un tamaño estándar de una sección transversal o el uso de componentes recién lanzados con clasificaciones más altas en lugar de emplear lo que se había calculado usando el factor de diseño. En este caso, el factor se conoce como factor de seguridad , n, que tiene la misma definición que el factor de diseño, pero por lo general difiere en su valor numérico. Como el esfuerzo puede no variar en forma lineal con la carga, el uso de la carga como el parámetro de pérdida de función puede no ser aceptable. Entonces, es más común expresar el factor de diseño en términos del esfuerzo y una resistencia relevante. Así, la ecuación (1) puede reescribirse como
é ó = =
(3)
Los términos esfuerzo y resistencia de la ecuación (3) deben ser del mismo tipo y tener las mismas unidades. También, el esfuerzo y la resistencia deben aplicarse a la misma ubicación crítica en la parte.
5.10. DIMENSIONES Y TOLERANCIAS Por lo general para dimensionar se emplean los siguientes términos: • Tamaño nominal. Tamaño para designar un elemento. Por ejemplo, se especifica un tubo
de 112 pulg o un perno de 12 pulg. El tamaño teórico o el tamaño real medido puede ser muy diferente. El tamaño teórico de un tubo de 112 pulg tal vez sea 1.900 pulg en su diámetro exterior. Y el diámetro del perno de 12 pulg, en realidad puede medir 0.492 pulg. • Limites. Dimensiones máximas y mínimas establecidas. • Tolerancia. Diferencia entre los dos límites.
13
• Tolerancia bilateral. Variación en ambas direcciones a partir de la dimensión básica. Es
decir, el tamaño básico se encuentra entre los dos límites; por ejemplo, 1.005 ± 0.002 pulg. No es necesario que las dos partes de la tolerancia sean iguales. • Tolerancia unilateral. Dimensión básica que se toma como uno de los límites, de la cual
se permite una variación sólo en una dirección; por ejemplo, 1.005 +0.004−0.000 pulg • Holgura. Término general que se refiere al acoplamiento de partes cilíndricas como un perno y un agujero. La palabra “holgura” sólo se emplea cuando el diámetro del elemento
interno es menor que el del elemento externo. La holgura diametral es la diferencia medida en los dos diámetros. La holgura radial es la diferencia entre los dos radios. • Interferencia. Es lo opuesto de la holgura, para el acoplamiento de partes cilíndricas,
donde el elemento interno es mayor que el elemento externo. • Margen. Es la holgura mínima o la interferencia máxima establecida para partes
ensambladas. Cuando se ensamblan varias partes, la holgura (o interferencia) depende de las dimensiones y tolerancias de las partes individuales.
5.11. MATERIALES La selección de un material para construir una parte de máquina o elemento estructural es una de las más importantes decisiones que debe tomar el diseñador. Por lo general, la decisión se toma antes de establecer las dimensiones de la parte. Después de seleccionar el proceso para crear la geometría deseada y el material (éstos no pueden estar separados), el diseñador puede proporcionar el elemento de manera que se evite la pérdida de funcionalidad o que la probabilidad de dicha pérdida de funcionalidad se mantenga a un nivel de riesgo aceptable. 5.11.1. SELEC CIÓN DEL MA TERIA L
La selección de un material para construir una parte de máquina o un elemento estructural es una de las decisiones más importantes que debe tomar el diseñador. La selección real de un material para una aplicación de diseño particular puede ser fácil, por ejemplo, con base en aplicaciones previas (el acero 1020 siempre es un buen candidato 14
debido a sus múltiples atributos positivos), o el proceso de selección puede ser tan complicado y desalentador como cualquier problema de diseño con la evaluación de muchos parámetros físicos, económicos y de procesamiento del material. Existen enfoques sistemáticos y de optimización para seleccionar el material. Con propósitos ilustrativos, aquí sólo se verá cómo abordar algunas propiedades de los materiales. Una técnica básica consiste en enlistar todas las propiedades importantes de los materiales asociadas con el diseño, por ejemplo, resistencia, rigidez y costo. Esto puede priorizarse usando una medida de ponderación que dependerá de cuáles propiedades son más importantes que otras. Enseguida, para cada propiedad, s e hace una lista de todos los materiales disponibles y se ordenan de acuerdo con cuál de ellos es el mejor material; por ejemplo, para la resistencia, el acero de alta resistencia como el 4340 debería estar en la parte alta de la lista. Para tener una lista completa de materiales, se podría requerir de una gran fuente de datos de materiales. Después de haber formado la lista, se selecciona una cantidad manejable de m ateriales de la parte alta de la lista. De cada lista reducida se escogen los materiales que figuran en todas las listas para someterlos a una revisión más profunda. A los materiales incluidos en las listas reducidas pueden asignárseles grados y después ponderarlos de acuerdo con la importancia de cada propiedad. M. F. Ashby ha desarrollado un método sistemático poderoso que se basa en el empleo de gráficas de selección de materiales.16 Este método también ha sido implementado en un paquete de software llamado CES Edupack.17 Las gráficas representan datos de diferentes propiedades para las familias y clases de materiales incluidas en la tabla 2. Por ejemplo, considerando las propiedades de rigidez del material, en la figura 3 se muestra una gráfica de barras sencilla con el módulo de Young E sobre el eje y . Cada línea vertical representa el rango de valores de E de un material particular. Sólo se etiquetan algunos de los materiales. Ahora, puede desplegarse más información si el eje x representa otra propiedad de material, por ejemplo la densidad. La figura 4, que se conoce como una gráfica de “burbuja”, representa el módulo de Young E graficado contra la densidad ρ . Los rangos
lineales de cada propiedad de material graficada adecuadamente en dos dimensiones forman elipses o burbujas.
15
Tabla 2. Familias y clases de material.
16
Fuente: Diseño en Ingeniería Mecánic a (Shingley, 2008)
17
Figura 3: Módulo de Young E de diferentes materiales. Fuente: Diseño en ingeniería mecánica (Shingley, 2008)
Figura 4: Módulo de Young E versus densidad ρ de diferentes materiales. Fuente: Diseño en ingeniería mecánica (Shingley, 2008)
18
Esta gráfica es más útil que las dos gráficas de barras por separado de cada propiedad. Ahora, también se observa cómo se relacionan la rigidez/peso de diferentes materiales. En la figura 4 también se muestran grupos de burbujas esquematizadas de acuerdo con las familias de materiales de la tabla 2. Además, las líneas punteadas en la esquina inferior derecha de la gráfica indican las relaciones de Eβ /ρ, que ayuda a seleccionar materiales para el diseño de masa mínima. Las líneas paralelas a estas rectas representan valores diferentes de Eβ /ρ. Para ver cómo se ajusta β a la mezcla, considere lo siguiente. La medida de desempeño P de un elemento estructural depende de 1) los requerimientos funcionales, 2) la geometría y 3) las propiedades de los materiales de la estructura. Esto es,
, á , = [ ]
(4)
5.12. EJES Los ejes de transmisión, o sólo ejes, se usan prácticamente en todas las piezas giratorias de las máquinas para transmitir movimiento de giro y torque de una ubicación a otra. Como mínimo, un eje normalmente transmite el torque desde un dispositivo impulsor (motor eléctrico o de gasolina) hacia la máquina. Algunas veces, los ejes impulsan engranes, poleas o ruedas dentadas, los cuales transmiten el movimiento de giro, a través de engranes conectados, bandas o cadenas, de un eje a otro. El eje puede ser una parte integral del impulsor, como el eje de un motor o el cigüeñal de una máquina o un eje independiente conectado a su vecino por algún tipo de acoplamiento. 5.12.1. DISEÑO D E EJ ES
En el diseño de ejes deben considerarse tanto los esfuerzos como las deflexiones. La deflexión suele ser el factor crítico, pues las deflexiones excesivas provocarán un desgaste rápido de los cojinetes del eje. Los engranes, las bandas o las cadenas impulsadas por el eje también tienen problemas por la desalineación introducida por las deflexiones del eje. Los esfuerzos en un eje se pueden calcular localmente para varios puntos a lo largo del eje con base en las cargas conocidas y suponiendo secciones transversales. No obstante, los cálculos de la deflexión requieren que se defina la geometría total del eje, de modo que por lo general un eje se diseña aplicando consideraciones de esfuerzo y, luego, se calcula la 19
deflexión una vez que la geometría está totalmente definida. También puede resultar crítica la relación entre las frecuencias naturales del eje (tanto a la flexión como a la torsión) y la frecuencia contenida en las funciones de fuerza y torque-tiempo. Si las funciones de fuerza son cercanas en frecuencia, a las frecuencias naturales del eje, la resonancia podría crear vibraciones, esfuerzos altos y deflexiones grandes. 5.12.1.1.
CONSIDERACIONES GENERALES
Para el diseño de ejes, se consideran algunas reglas prácticas generales como sigue: 1.
Para minimizar tanto las deflexiones como los esfuerzos, la longitud del eje debe
mantenerse tan corta como sea posible y se tiene que minimizar los voladizos. 2.
Una viga en voladizo tiene mayor deflexión que una simplemente soportada
(montada sobre silletas) con las mismas longitudes, carga y sección transversal, por lo que habrá de utilizarse el montaje sobre silletas a menos que, por requerimientos de diseño, sea obligatorio el eje en voladizo. (La figura 5 muestra una situación donde, por cuestiones prácticas, se requiere una parte del eje en voladizo. La polea del extremo derecho del eje transporta una banda en V sinfín. Si la polea se montara entre los cojinetes, entonces el montaje del eje debería ser desarmado para cambiar una banda, lo cual no es razonable. En tales casos, el eje en voladizo sería el menor de los males.) 3.
Un eje hueco tiene una mejor razón rigidez/masa (rigidez específica), así con
mayores frecuencias naturales que un eje sólido de rigidez o resistencia comparables, pero será más costoso y de mayor diámetro. 4.
Si es posible, intentar ubicar los incrementadores de esfuerzos alejados de las
regiones con momentos de flexión altos, luego minimizar sus efectos con radios y alivios generosos. 5.
Si la preocupación principal es minimizar la deflexión, entonces el material indicado
sería un acero al bajo carbono, puesto que su rigidez es tan alta como la del más costoso de los aceros, mientras un eje diseñado para bajas deflexiones suele tener bajos esfuerzos. 6.
Las deflexiones en los engranes transportados sobre el eje no deberían exceder
0.005 in aproximadamente, en tanto que la pendiente relativa entre los ejes de los engranes debería ser menor de 0.03°, aproximadamente. 20
7.
Si se emplean cojinetes de manguito simple, la deflexión del eje a través de la
longitud del cojinete debe ser menor que el espesor de la película de aceite en el cojinete. 8.
Si se utilizan cojinetes con elementos giratorios excéntricos y no de auto-cierre, la
pendiente del eje en el cojinete deberá mantenerse por debajo de 0.04°, aproximadamente. 9.
Si hay cargas de empuje axial, deberán transferirse a tierra a través de un solo
cojinete de empuje por cada dirección de carga. No divida las cargas axiales entre varios cojinetes de empuje, ya que la expansión térmica sobre el eje puede sobrecargar dichos cojinetes. 10.
La primera frecuencia natural del eje debería ser por lo menos tres veces la
frecuencia de la mayor fuerza esperada durante el servicio, y preferiblemente mucho más. (Un factor de 10 o más es preferible, pero con frecuencia es difícil de lograr en sistemas mecánicos.)
Figura 5. Va rios métodos para sujetar ele mentos giratorios a los ejes. Fuente: Diseño de Máquinas – Un enfoque integrado (Norton, 2011)
5.12.1.2. MÉTODO DE VON MISES El esfuerzo efectivo de Von Mises para las componentes alternativa y media del esfuerzo aplicado en cargas de esfuerzo multiaxial simple. Es posible aplicar los factores adecuados (y posiblemente diferentes) de concentración de esfuerzo para las componentes alternativa y media de los esfuerzos aplicados. Entonces, los esfuerzos efectivos de Von Mises para las componentes alternativa y media se calculan para el estado de esfuerzo triaxial mediante:
21
+(−)+(−)+6++ ( ) − = 2 ++ ( ) ( ) ( ) − + − + − +6 = 2
(5)
O para el estado de esfuerzo biaxial con:
= ()2 ()2 32 = ()2 ()2 32
(6)
Estos esfuerzos efectivos alternativo y medio de Von Mises se utilizan después en el diagrama de Goodman modificado, para determinar el factor de seguridad.
Figura 6. Diagrama de Goodman modificado “aumentado”.
Fuente: Diseño de Máquinas – Un enfoque integrado (Norton, 2011)
5.12.1.3. DISEÑO CON FLEXIÓN Y TORSIÓN FLUCTUANTES Cuando el torque no es constante, su componente alternante crea un estado de esfuerzo multiaxial complejo en el eje. Entonces se utiliza el procedimiento que calcula las componentes de Von Mises de los esfuerzos alternante y medio aplicando las ecuaciones. Un eje giratorio con flexión y torsión combinadas se encuentra en un estado de esfuerzo biaxial, lo cual permite el uso de la versión bidimensional de la ecuación. 22
= √2 32 = ( )2 32
(7)
Con tales esfuerzos de Von Mises se introducen al diagrama modificado de Goodman (MGD) para el material seleccionado, para obtener el factor de seguridad. Entonces, el factor de seguridad definido es
1 =
(8)
Donde Nƒ es el factor de seguridad deseado, Sƒ es la resistencia corregida a la fatiga en el ciclo de vida elegido y Sut es la resistencia última a la tensión del material.
Figura 7. Línea e líptica de falla usando la resistencia a la fluencia, mostrada junto con otras líneas de falla para esfuerzos variables. Fuente: Diseño de Máquinas – Un enfoque integrado (Norton, 2011)
Si ahora también se supone que la carga axial sobre el eje es cero se tiene
2 +4()
={
+4()
}
(9)
Que se puede utilizar como una ecuación de diseño para obtener el diámetro del eje para cualquier combinación de carga de flexión y de torsión con los supuestos anotados arriba, 23
de cero carga axial y razón constante entre los valores alternante y medio de carga en el tiempo.
5.13. TORNILLO DE POTENCIA Los tornillos de potencia, llamados también tornillos de avance, convierten el movimiento giratorio en movimiento lineal en actuadores, máquinas de producción y gatos mecánicos, entre muchas otras aplicaciones. Son capaces de obtener ventajas mecánicas muy grandes; por consiguiente, pueden elevar o mover grandes cargas. En estos casos, se necesita un perfil de cuerda muy fuerte. Mientras que los perfiles estándares de cuerdas antes descritos están bien adaptados para utilizarse en sujetadores, quizá no sean lo suficientemente fuertes para todas las aplicaciones de tornillos de potencia. Se han estandarizado otros perfiles de cuerda para dichas aplicaciones. 5.13.1. CUERDA S CUAD RAD AS, ACM E Y REFORZAD AS
La cuerda cuadrada mostrada en la figura 8a proporciona las mayores eficiencias y resistencias; asimismo, elimina las componentes radiales de fuerza entre el tornillo y la tuerca. Sin embargo, es más difícil cortarla debido a la perpendicularidad de su cara.
Figura 8. Cuerdas cuadrada, Acme y reforzada. Fuente: Diseño de Máquinas – Un enfoque integrado (Norton, 2011)
Se fabrica también una cuerda, que es una modificación de la cuadrada (no mostrada) con un ángulo incluido de 10° para facilitar s u fabricación. La cuerda Acme, de la figura 8b, tiene un ángulo incluido de 29°, lo cual la hace más fácil de fabricar y, asimismo, permite el uso de una tuerca dividida que se apriete radialmente contra el tornillo para reducir el desgaste. También existe una cuerda Acme de perno (no mostrada), con dientes de 0.3 p de altura, 24
en vez del estándar de 0.5 p. Tiene la ventaja de un tratamiento térmico más uniforme. La cuerda Acme es una selección común para tornillos de potencia que deben transportar cargas en ambas direcciones. Si la carga axial sobre el tornillo es unidireccional, la cuerda reforzada (figura 8c ) se podría usar para obtener una mayor resistencia en la raíz que cualquier otra de las mostradas. La tabla 3 muestra las dimensiones principales de las cuerdas estándares Acme. Tabla 3 Dimensiones principales de cuerdas de estándares Acme.
Fuente: Diseño de Máquinas – Un enfoque integrado (Norton, 2011)
25
Figura 9. Tornillo de avance impulsado por un servomotor para usarse como un dispositivo de posicionamie nto. Fuente: Diseño de Máquinas – Un enfoque integrado (Norton, 2011) 5.13.2. TORNILL OS SIN FIN Y E NGR A NA JES DE TO RNILL O SIN FIN
Si el ángulo de hélice se incrementa lo suficiente, el resultado será un tornillo sinfín, el cual tiene solo un diente enrollado continuamente alrededor de su circunferencia un número de veces, como una rosca de tornillo. Este tornillo sin fin puede engranarse con un engrane de tornillo sinfín especial (o rueda de tornillo sinfín), c uyo eje es perpendicular al del tornillo sin fin como se muestra en la figura 10. Como el tornillo sin fin motriz por lo general tiene solo un diente, la relación de engranaje es igual a uno entre el número de dientes del engrane de tornillo sin fin. Estos dientes no son involutas en su cara completa, lo que significa que la distancia central debe mantenerse con precisión para garantizar la acción conjugada.
Figura 10. Un tornillo sin fin y engrane de tornillo sin fin (rueda de tornillo sin fin). Fuente: Diseño de Máquinas – Un enfoque integrado (Norton, 2011)
Los gusanos y ruedas se fabrican y reemplazan como juegos conectados. Estos juegos de engranes de tornillo sin fin tienen la ventaja de presentar altas relaciones de engranes en 26
un paquete pequeño y pueden soportar cargas elevadas, en especial en sus formas envolventes simple o doble. Envolvente simple significa que los dientes del engrane de tornillo sin fin están enrollados alrededor del tornillo sin fin. Los juegos de envolvente doble también enrollan el tornillo sin fin alrededor del engrane, lo que da por resultado un tornillo sin fin en forma de reloj de arena. Ambas técnicas aumentan el área de contacto entre el tornillo sin fin y la rueda e incrementan la capacidad de soportar carga y el costo. Un intercambio en cualquier juego de tornillo y engrane sin fin es un deslizamiento y cargas de empuje muy altas lo cual provoca que el juego de tornillo y engrane sin fin sea un tanto ineficiente (40 a 85% eficiente). Tal vez la ventaja principal del juego de tornillo y engrane sin fin es que puede diseñarse para que la contramarcha no sea posible. Un juego de engranes rectos o helicoidales pueden acc ionarse desde uno u otro eje, como un dispositivo reductor o elevador de la velocidad. Si bien esto resulta deseable en muchos casos, si la carga impulsada debe mantenerse en su lugar después de que se corta la potencia, el engranaje recto o helicoidal no lo hará. Permitirán
“
contramarcha”. Esto los hace
inadecuados en algunas aplicaciones, c omo en un gato para levantar un auto a menos que se agregue un freno al diseño para mantener la carga. El juego de tornillo y engrane sin fin, por otra parte, solo puede accionarse por el tornillo sin fin. La fricción puede ser suficientemente grande para evitar ser retro accionado por la rueda sin fin. Por tanto, puede ser utilizado sin freno en aplicación de mantenimiento de carga, como en gatos y montacargas. 5.13.2.1. NOMENCLATURA DE DIENTE DE ENGRANE
Figura 11. Nomenclatura de diente de engrane. Fuente: Diseño de Máquinas – Un enfoque integrado (Norton, 2011)
27
La figura 11 muestra dos dientes de un engrane con la nomenclatura estándar definida. El círculo de paso y el círculo base ya se definieron. La altura del diente se define por el addendum (agregado a) y el dedendum (restado de) referidos al círculo de paso nominal. El dedendum es ligeramente más grande que el addendum para crear una pequeña cantidad de holgura entre la punta de un diente engranado (círculo de addendum o de cabeza) y la parte inferior del espacio del diente del otro (círculo de dedendum o de raíz). El espesor del diente se mide en el círculo de paso y el ancho del espacio del diente es un poco más grande que su espesor. La diferencia entre ambas dimensiones es el juego entre dientes. El ancho de la cara del diente s e mide a lo largo del eje del engrane. El paso circular es la longitud de arco a lo largo de la circunferencia del círculo de paso de un punto de un diente al mismo punto en el siguiente diente. El paso circular define el tamaño del diente. Las otras dimensiones del diente se estandarizan con base en esa dimensión, como se muestra en la tabla 3. La definición de paso circular pc es:
=
(9.4 a)
Donde d = diámetro de paso y N = número de dientes. El paso del diente también se puede medir a lo largo de la circunferencia del circulo base y recibe el nombre de paso de base pb.
=
(9.4 b)
Tabla 4 Especificaciones de diente de engrane de profundidad total AGMA.
28
Fuente: Diseño de Máquinas – Un enfoque integrado (Norton, 2011)
5.14. CORREAS O BANDAS SINCRÓNICA (temporizadas) La banda sincrónica resuelve el problema de ajuste de fase porque evita el deslizamiento al mismo tiempo que conserva algunas de las ventajas de la bandas en V y cuesta menos que los engranes o cadenas. La fi gura 9.25a muestra una banda sincrónica (o dentada) y sus poleas o garruchas especiales a engranes. Estas bandas se hacen de materiales de hule, pero se refuerzan con cuerdas de acero o sintéticas para una mayor resistencia y tienen dientes moldeados que ajustan en las ranuras de las poleas para una transmisión positiva. Son capaces de niveles de transmisión de potencia y pares de torsión bastante altos y se utilizan con frecuencia para impulsar los árboles de levas de motores automotrices. Son más costosas que las bandas en V convencionales y son más ruidosas, pero funcionan más frías y duran más. Su eficiencia de transmisión es de 98% y permanece en ese nivel con el uso. Los catálogos de los fabricantes proporcionan información detallada sobre medidas tanto de bandas en V como sincrónicas para varias aplicaciones.
5.15. MOTORES DE PASOS Estos son motores de tipo hibrido o de reluctancia variable, de imán permanente sin escobilla diseñados para posicionar un dispositivo de salida. A diferencia de los servomotores, por lo general funcionan en lazo abierto, lo que significa que no reciben retroalimentación en cuanto a si el dispositivo de salida responde como se solicitó. Por lo tanto, pueden desfasarse con el programa designado. No obstante, permanecerán satisfactoriamente energizados durante un periodo indefinido, y mantendrán la salida en una posición (aunque si se calientan, 100-150°F). Su construcción interna consiste en varias tiras magnéticas dispuestas alrededor de la circunferencia tanto del rotor como del estator. Cuando se energiza, el rotor se mueve un paso, al siguiente imán, por cada pulso recibido. Por lo tanto, estos son dispositivos de movimiento intermitente y no proporcionan movimiento rotatorio continuo como otros motores. El número de tiras magnéticas y el tipo de controlador determinan su resolución (por lo general, 200 pasos/rev, pero un mando de micropasos puede incrementarla a 2.000 o más pasos/rev). Son relativamente pequeños comparados con los motores CA/CD y tienen una baja capacidad de par de torsión, pero un elevado par de torsión de detención. Son moderadamente costosos y requieren controladores especiales.
29
5.15.1. MOTOR NEMA 17
Entre las características generales del motor Nema 17 (figura 12) tenemos la especificación de pasos por revolución, fases y temperaturas de funcionamiento entre otros datos, asi también como las dimensiones del mismo (figura 13).
Figura 12. Especifica ciones motor nema 17. Fuente: Datasheet motor nema 17 (Pro linear, 2015)
Figura 13. Especifica ciones motor nema 17 dime nsiones y conexión. Fuente: Datasheet motor nema 17 (Pro linear, 2015)
30
5.16. CIRCUITO DE CONTROL Con el fin de monitorear y controlar tanto los finales de carrera y todos los otros componentes de una impresora 3D, un circuito de control es necesario. El circuito de control es una pequeña computadora que es esencialmente el cerebro de la impresora 3D. Es responsabilidad de ambos interpretar com andos provenientes del software y señales de los sensores de la impresora 3D y usar esa información para controlar la operación de la impresora. El circuito de control está presente en el mercado en diferentes tipos y estilos de las m uchas manufactureras. Se tiene opciones de código libre en sus circuitos, esto quiere decir que trabajan con varios tipos de impresoras 3D, y los propietarios de los circuitos que solo trabajan con la impresora particular con la que fueron diseñados. Pero trabajaran de la misma manera las salidas y entradas al circuito.
5.17. ARDUINO Los arduinos son programables, tienen capacidad de procesamiento en marcha, y tiene soporte incluido para muchas salidas y entradas. Cuando es usado para impres oras 3D, los arduinos son equipados generalmente con una placa que provee todas las conexiones de steppers, cama caliente, finales de carrera y también encendido. O, en algunos casos, el arduino y las conexiones son integrados en un solo circuito para sim plificar y facilitar su uso.
5.18. SENSORES DE FINAL DE CARRERA O BUMPERS Es un tipo de sensor mecánico que funciona como un conmutador de dos posiciones. Consta de una lámina de tamaño variable, según el modelo. Dicha lámina presiona un resorte que acciona un conmutador interno. El conmutador posee tres terminales, uno de ellos denominado común (C) que une, bien con un terminal de reposo (R), o bien con el tercer terminal normalmente abierto (A). El esquema eléctrico (figura 14) de un bumper podría ser como:
31
Figura 14. Tipos de contactos y su equivalente eléctrico. Fuente: Guía práctica de sensores (Serna, 2010)
En la figura 15 se puede ver el componente físico ofrecido en el mercado:
Figura 15. Aspecto de un bumper. Fuente: Guía práctica de sensores (Serna, 2010)
5.19. TERMISTORES NTC Un termistor NTC está constituido por un cuerpo sinterizado policristalino de óxido de los metales manganosos, niquel, hierro, cobalto, cobre, entre otros. Estos termistores son
32
sumamente sensibles y son capaces de registrar cambios de temperatura muy pequeños, son por lo tanto los más utilizados (figura 16).
Figura 16. Termistor NTC. Fuente: Guía práctica de sensores (Serna, 2010)
En la gráfica de la figura 17. Se m uestra la dependencia de la resistencia con la temperatura para el caso de los NTC.
Figura 17. Curva característica de termistores NTC. Fuente: Guía práctica de sensores (Serna, 2010)
En la zona de auto-calentamiento el termistor es sensible a cualquier efecto que altere el ritmo de disipación de calor. Esto permite aplicarlo a la medida de caudal, nivel, conductividad calorífica, nivel de vacío, en electrodomésticos, automóviles, etc.
33
5.20. CAMA CALIENTE La cama caliente trabaja de forma muy similar a calor final en principio: un termistor mide la temperatura, mientras una termo resistencia es usada para calentar la cama caliente. En este casi, además, la cama caliente es una gran resistencia que se calienta toda, en lugar de solo un pequeño elemento de calor. Usualmente las camas calientes son grandes circuitos impresos específicamente diseñados con trazos largos de cobre que actúan como una muy baja resistencia. Cuando el voltaje es aplicado, esta conduce un gran monto de corriente. Con toda la potencia fluyendo a través del resistor, la cama caliente se calienta, donde sea de 60°C a 120°C comúnmente.
5.21. CONTROLADOR LCD Un controlador LCD combina una pantalla LCD para mostrar información, así como algunos mecanismos de control. Muchos controladores LCD también tienen integrado un lector de tarjetas SD o puede ser usado con un lector de tarjetas SD separado. En cualquiera de los casos, el resultado es el mismo: se puede controlar de forma manual la impresora 3D y seleccionar archivos específicos de la tarjeta SD para imprimir.
5.22. ECONOMIA La consideración del costo tiene una función tan importante en el proceso de la decisión de diseño que fácilmente podría emplearse el mismo tiempo para estudiar el factor del costo que para realizar el estudio de todo el tema de diseño. Aquí sólo se introducen algunos de los conceptos generales y reglas simples. Primero, observar que no se puede decir nada en un sentido absoluto respecto de los costos. A menudo, los materiales y la mano de obra incrementan su costo de un año a otro. Pero es de esperar que los costos del procesamiento de materiales presenten una tendencia a la baja debido al empleo de máquinas herramientas automatizadas y robots industriales. El costo de fabricar un mismo producto varía de ciudad en ciudad y de una planta a otra, debido a las diferencias entre los gastos generales, m ano de obra, impuestos y fletes y a las ligeras variaciones en la manufactura. 5.22.1. TAM AÑOS ESTA NDA R
34
La utilización de tamaños estándar o corrientes es el principio fundamental de la reducción del costo. Un ingeniero que especifica una barra AISI 1020 de acero laminado en caliente de sección cuadrada de 53 mm de lado, denominada cuadrado laminado en caliente, suma un costo agregado al producto, ya que una barra estándar cuadrada de 50 o 60 mm, que tiene un tamaño preferible, funcionaría igualmente bien. La medida de 53 mm se puede obtener por medio de pedido especial, o mediante el laminado o maquinado de una barra cuadrada de 60 mm, pero estos enfoques agregan costo al producto. Para asegurar que se especifiquen tamaños estándar o recomendables, el diseñador debe tener acceso a las listas de existencia de los materiales que se emplean. Aún es necesario un consejo adicional respecto de la selección de los tamaños recomendables. Aunque la mayor parte de los tamaños suele incluirse en los catálogos, no se dispone de todos con facilidad. Algunos tamaños se emplean rara vez, por lo que no se almacenan. Un pedido urgente de los tamaños puede significar más gastos y retrasos. También debe tener acceso a una lista como la de la tabla A-17, donde se proporcionan los tamaños recomendables en pulgadas y milímetros. Hay muchas piezas que se pueden comprar, tales como motores, bombas, cojinetes y sujetadores, que son especificadas por los diseñadores. En este caso, también es necesario hacer un esfuerzo especial para especificar partes que se consigan con facilidad. Por lo general, las partes que se hacen y se venden en grandes cantidades cuestan menos que las de tamaños poco comunes. Por ejemplo, el costo de los cojinetes de bolas depende más de la cantidad de producción del fabricante de cojinetes, que del tamaño del cojinete. 5.22.2. TOLERA NCIAS AM PLIAS
Entre los efectos de las especificaciones de diseño sobre los costos, tal vez los de las tolerancias sean los más significativos. Las tolerancias de diseño influyen de muchas maneras en la factibilidad de fabricación del producto final; las tolerancias estrictas quizá necesiten pasos adicionales en el procesamiento o incluso provocan que la producción de una parte sea económicamente impráctica. Las tolerancias cubren la variación dimensional y el intervalo de rugosidad superficial, así como la variación de propiedades mecánicas que generan el tratamiento térmico y otras operaciones de procesamiento. Como las partes que tienen tolerancias amplias a menudo se producen por medio de máquinas con velocidades de producción altas, los costos serán significativamente 35
menores. Asimismo, se rechazarán menos partes en el proceso de inspección y a menudo serán más fáciles de ensamblar. En la figura 18 se presenta una gráfica de costo contra tolerancia del proceso de manufactura, e ilustra el drástico incremento de los costos de manufactura a medida que disminuye la tolerancia con procesos de maquinado más finos.
Figura 18: Costo contra tolerancia del proceso de maquinado. (De David G. Ullm an . The Mechanical Design Process, 3a. ed., McGraw -Hil l, Nueva Yo rk , 2003 . ) Fuente: Diseño en ingeniería mecánica (Shingley, 2008) 5.22.3. ESTIMA CIONE S DE L OS CO STOS
Hay muchas formas de obtener las cifras relativas de los costos, de manera que dos o más diseños se comparan aproximadamente. En algunos casos se requiere cierto criterio. Por ejemplo, se puede comparar el valor relativo de dos automóviles mediante su costo monetario por unidad de peso. Otra manera de comparar el costo de un diseño con otro es simplemente mediante el conteo del número de partes. El diseño que tenga el número 36
menor de partes tal vez cueste menos. Se utilizan muchos estimadores de costos, según sea la aplicación, como área, volumen, potencia, par de torsión, capacidad, velocidad y diversas relaciones de desempeño.
6. METODOLOGIA 6.1.
MATRIZ DE DISEÑO METODOLOGICO
En la Tabla 5 se presenta la matriz de diseño metodológico, evaluando las unidades de análisis y resultados esperados en función a los objetivos. Tabla 5 Matriz de diseño metodológico. OBJETIVO ESPECIFICO
UNIDAD DE ANÁLISIS
TÉCNICAS DE ANÁLISIS
Parte Mecánica del diseño
Fuente de Información Secundaria: Diseño en ingeniería mecánica de Shigley, Budynas R. y Nisbett J.
Parte Eléctrica y Electrónica del diseño
Fuente de Información - Característica Secundaria: El s importantes ABC del control para la electrónico de selección de las maquinas motores. eléctricas.
Dividir en partes el diseño de la impresora 3D.
Dimensionar y seleccionar componente s mecánicos de movimiento.
TIPO Y FUENTE INFORMACIÓN
Fuente Información Secundaria: Ejes Diseño ingeniería Tornillos sin fin mecánica Shigley, Budynas R. Nisbett J.
RESULTADOS ESPERADO
Análisis de Determinar cargas y cargas y esfuerzos. esfuerzos máximos. Análisis de Materiales de flexión y piezas rigidez. esenciales.
Determinar el motor y especificacion es de funcionamient o del mismo.
de en
-
de y
Método de Longitud y Von Mises Diámetros de ejes y tornillos Cuerdas sin fin. cuadradas.
37
-
Seleccionar la electrónica de control. -
Escoger el software de control.
Componentes electrónicos Steepers seleccionados Circuito de Fuente de Evaluación de adecuadament e control Información especificaciones Secundaria: y - Motores Fuente de Datasheets de técnicas costos. alimentación vendedores. - Sensores Sensores
Programa computacional de control.
Realizar el diseño mecánico.
Determinar el costo de fabricación
Diseño de la maquina en computadora. -
Componentes electrónicos.
-
Fuente
de
Circuito de control
Software
de
información
Adaptación con funcionamient
Secundaria:
código C.
Repertier
o
de
la
impresora 3D.
Fuente de Diseño información Eficiencia de las computacional Secundaria: piezas. de la Tutoriales Impresora 3D SolidWorks.
Fuente de información secundaria: Componentes ABC de la mecánicos. contabilidad.
Costos de Presupuesto inversión reales de la máquina.
Fuente: Elaboración propia
38
7. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES El cronograma de actividades presentado en la tabla 6, nos permite definir la secuencia de actividades para el cumplimiento de objetivos en un determinado periodo, estableciendo intervalos de inicio y fin de actividades. Tabla 6 Cronograma de a ctividades Nº
OBJETIVOS ESPECIFICOS
ACTIVIDAD
MES 1
MES 2
MES 3
MES 4
MES 5
MES 6
Identificar las partes mecánicas del diseño 1
Dividir en partes el diseño de la impresora 3D.
2
Dimensionar y seleccionar componentes mecánicos de movimiento.
3
Seleccionar la electrónica de control.
Determinar cargas, esfuerzos máximos y materiales Identificar las partes electrónicas del diseño Determinar de la potencia de funcionamient o de motores. Dimensionar ejes Dimensionar tornillos sin fin y complementos Seleccionar motor
4
6
Escoger el software de control.
Realizar el diseño mecánico.
Seleccionar Fuentes de alimentación Seleccionar componentes adicionales: termistores, extrusores, cama caliente. Buscar y selecc ionar software de interfaz. Modificar código fuente. Diseñar est ructura de soporte Diseñar ejes y tornillos Unir el diseño con componentes electrónicos Rediseño final
39
Evaluación de proveedores de componentes y piezas acabadas 7
Determinar el costo de fabricación
Elaboración de tablas de costos y presupuestos. Propuesta final de costos.
Fuente: Elaboración propia
Evaluación de proveedores de componentes y piezas acabadas 7
Determinar el costo de fabricación
Elaboración de tablas de costos y presupuestos. Propuesta final de costos.
Fuente: Elaboración propia
40
8. ESTRUCTURA TENTATIVA DEL ESTUDIO CAPITULO 1. DISEÑO METODOLOGICO 1.1.
ANTECEDENTES
1.2.
ANTECEDENTES GENERALES
1.2.1. ANTECEDENTES ESPECIFICOS 1.3.
DESCRIPCION DEL PROBLEMA
1.4.
OBJETIVOS
1.4.1. OBJETIVO GENERAL
8. ESTRUCTURA TENTATIVA DEL ESTUDIO CAPITULO 1. DISEÑO METODOLOGICO 1.1.
ANTECEDENTES
1.2.
ANTECEDENTES GENERALES
1.2.1. ANTECEDENTES ESPECIFICOS 1.3.
DESCRIPCION DEL PROBLEMA
1.4.
OBJETIVOS
1.4.1. OBJETIVO GENERAL 1.4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS 1.5.
JUSTIFICACION Y ALCANCE
1.5.1. JUSTIFICACION 1.5.1.1.
JUSTIFICACION TECNICA
1.5.2. ALCANCE 1.6.
MATRIZ DE DISEÑO METODOLOGICO
1.7.
CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
CAPITULO 2. MARCO TEORICO 2.1.
IMPRESIÓN 3D
2.2.
EL DISEÑO
2.3.
EL DISEÑO EN LA INGENIERIA MECÁNICA
2.4.
FASES E INTERACCIONES DEL DISEÑO
2.5.
CONSIDERACIONES DEL DISEÑO 41
2.6.
HERRAMIENTAS DE DISEÑO
2.6.1. HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES 2.7.
NORMAS Y CODIGOS
2.8.
INCERTIDUMBRE
2.9.
FACTOR DE DISEÑO Y FACTOR DE SEGURIDAD
2.10. DIMENSIONES Y TOLERANCIAS 2.11. MATERIALES 2.11.1. SELECCIÓN DEL MATERIAL 2.12. EJES 2.12.1. DISEÑO DE EJES 2.12.1.1.
CONSIDERACIONES GENERALES
2.12.1.2.
MÉTODO DE VON MISES
2.12.1.3.
DISEÑO CON FLEXIÓN Y TORSIÓN FLUCTUANTES
2.13. TORNILLO DE POTENCIA 2.13.1. CUERDAS CUADRADAS, ACME Y REFORZADAS 2.13.2. TORNILLOS SIN FIN Y ENGRANAJES DE TORNILLO SIN FIN 2.13.2.1.
NOMENCLATURA DE DIENTE DE ENGRANE
2.14. CORREAS O BANDAS SINCRÓNICA (temporizadas) 2.15. MOTORES DE PASOS 2.15.1. MOTOR NEMA 17 2.16. CIRCUITO DE CONTROL 42
2.17. ARDUINO 2.18. SENSORES DE FINAL DE CARRERA O BUMPERS 2.19. TERMISTORES NTC 2.20. CAMA CALIENTE 2.21. CONTROLADOR LCD 2.22. ECONOMIA 2.22.1. TAMAÑOS ESTANDAR 2.22.2. TOLERANCIAS AMPLIAS 2.22.3. ESTIMACIONES DE LOS COSTOS
CAPITULO 3. DISEÑO MECÁNICO 3.1.
CARACTERÍSTICAS DEL DISEÑO
3.2.
SELECCIÓN DE LOS MATERIALES
3.2.1. TORNILLERÍA 3.2.2. GUÍAS 3.2.3. RODAMIENTOS 3.3.
DISEÑO FINAL DE LA IMPRESORA 3D
3.4.
REPLANTEO DEL DISEÑO
CAPITULO 4. DISEÑO ELECTRÓNICO 4.1.
CABLEADO Y MOTORES
4.1.1. TIPOS DE MOTORES 4.2.
DRIVERS 43
4.3.
PLACA
4.4.
FUENTE DE ALIMENTACIÓN
4.5.
DISEÑO DEL ESQUEMA DEL CIRCUITO
CAPITULO 5. DISEÑO SOFTWARE 5.1.
PROGRAMA PRINCIPAL Y ESQUEMA DE SUBMENÚS
5.2.
OPCIONES DE CONFIGURACIÓN
5.3.
MODIFICACIONES DE LA LIBRERÍAS
5.4.
LIBRERÍA PARA MANEJO DEL KEYPAD4X4
5.5.
LIBRERÍA PARA EL CONTROL DE LOS MOTORES
5.5.1. VENTAJAS COMPILACIÓN CONDICIONADA DRIVER 5.6.
SINCRONIZACIÓN DE LOS MOTORES
5.7.
INTERRUPCIÓN EXTERNA Y FINALES DE CARRERA
5.8.
OTROS DETALLES SOBRE EL SOFTWARE
5.9.
FLUJOGRAMAS DE LAS FUNCIONES
CAPITULO 6. EVALUACION DE PRESUPUESTO 6.1. COSTE DE LOS MATERIALES IMPRESORA 3D
NECESARIOS PARA FABRICAR UNA
6.1.1. COSTO DE LOS MATERIALES UTILIZADOS PARA LA ESTRUCTURA 6.1.2. COSTO DE LOS MATERIALES NECESARIOS PARA LA REALIZACIÓN 6.1.3. COSTO DE LOS COMPONENTES ELECTRÓNICOS 6.2.
COSTO DE LAS HERRAMIENTAS UTILIZADAS
44
6.3.
COSTO DE MANUFACTURA Y DESARROLLO
6.4.
COSTO TOTAL
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 9. BIBLIOGRAFIA -
Budinas R.G., Nisbett K. J. (2008) Diseño en Ingeniería Mecánica de Shingley. México, México D.F. Mc Graw Hill.
-
Coward C. (2015) Idiot’s Guides: 3D printing. U.S.A, Penguin Group. USA. Alpha.
-
Norton R. L. (2009) Diseño de Maquinaria – Síntesis y análisis de máquinas y mecanismos. México, México D.F. Mc Graw Hill.
-
Norton R. L. (2011) Diseño de Maquinas – Un enfoque integrado. México. PEARSON.
-
Serna R.A., Ros G.F., Rico N.J. (2010) Guía Práctica de Sensores. España, Creaciones COPYRIGHT
45
INDICE 1.
ANTECEDENTES........................................................................................................1
1.1.
ANTECEDENTES GENERALES................................................................................1
1.2.
ANTECEDENTES ESPECIFICOS .............................................................................1
2.
CARACTERIZACION DEL PROBLEMA....................................................................1
2.1.
IDENTIFICACION DEL PROBLEMA ..........................................................................1
2.2.
DESCRIPCION DEL PROBLEMA ..............................................................................2
2.3.
FORMULACION DEL PROBLEMA ............................................................................3
3.
OBJETIVOS.................................................................................................................3
2.4.
OBJETIVO GENERAL ................................................................................................3
2.5.
OBJETIVOS ESPECIFICOS.......................................................................................3
4.
JUSTIFICACION Y ALCANCE ...................................................................................3
4.1.
JUSTIFICACIÓN .........................................................................................................3
4.1.1. JUSTIFICACION TECNICA ........................................................................................3 4.2.
ALCANCE....................................................................................................................3
4.2.1. ALCANCE TEMATICO........................................................................................ ........4 4.2.2. ALCANCE ESPACIAL.................................................................................................5 4.2.3. ALCANCE TEMPORAL ..............................................................................................5
5.
MARCO TEORICO ......................................................................................................5
5.1.
IMPRESIÓN 3D...........................................................................................................5
5.2.
EL DISEÑO .................................................................................................................6 46
5.3.
EL DISEÑO EN LA INGENIERIA MECÁNICA ...........................................................7
5.4.
FASES E INTERACCIONES DEL DISEÑO ...............................................................8
5.5.
CONSIDERACIONES DEL DISEÑO ..........................................................................8
5.6.
HERRAMIENTAS DE DISEÑO................................................. ..................................9
5.6.1. HERRAMIENTAS COMPUTACIONALES ................................................................10 5.7.
NORMAS Y CODIGOS .............................................................................................10
5.8.
INCERTIDUMBRE ....................................................................................................11
5.9.
FACTOR DE DISEÑO Y FACTOR DE SEGURIDAD ..............................................12
5.10. DIMENSIONES Y TOLERANCIAS ...........................................................................13 5.11.
MATERIALES............................................................................................................14
5.11.1. SELECCIÓN DEL MATERIAL ................................................................................. .14 5.12.
EJES..........................................................................................................................19
5.12.1. DISEÑO DE EJES.....................................................................................................19 5.12.1.1. CONSIDERACIONES GENERALES ...................................................................20 5.12.1.2. MÉTODO DE VON MISES...................................................... .............................21 5.12.1.3. DISEÑO CON FLEXIÓN Y TORSIÓN FLUCTUANTES .....................................22 5.13. TORNILLO DE POTENCIA.......................................................................................24 5.13.1. CUERDAS CUADRADAS, ACME Y REFORZADAS...............................................24 5.13.2. TORNILLOS SIN FIN Y ENGRANAJES DE TORNILLO SIN FIN ...........................26 5.13.2.1. NOMENCLATURA DE DIENTE DE ENGRANE .................................................27 5.14. CORREAS O BANDAS SINCRÓNICA (temporizadas) ...........................................29 47
