La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. Diseño de máquina para ensayo de torsión PABLO JIMENEZ TATIS Trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Mecatrónico Director: Luis Vicente Wilches Peña MSc. Materiales ESCUELA DE INGENIERÍA DE ANTIOQUIA INGENIERIA MECATRÓNICA ENVIGADO 2013 La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. A mi familia por su apoyo incondicional en todo momento… La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. AGRADECIMIENTOS Especialmente al profesor Luis Vicente Wilches Peña director de este proyecto por su valioso y constante acompañamiento en el transcurso del mismo. Al profesor Ing. Yesid Montoya Goez por su gran apoyo y colaboración para el desarrollo de trabajo. Al profesor Daniel López Montes por su colaboración en los ensayos realizados en los laboratorios de la Escuela de Ingeniería de Antioquia (EIA). A mi familia por su apoyo antes y durante la realización de este trabajo. La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. CONTENIDO pág. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 15 1. PRELIMINARES ....................................................................................................... 16 1.1 Planteamiento del problema .............................................................................. 16 1.2 Contexto y caracterización del problema ........................................................... 16 1.3 Formulación del problema ................................................................................. 16 1.4 Objetivos del proyecto ....................................................................................... 16 1.4.1 Objetivo General ......................................................................................... 16 1.4.2 Objetivos Específicos ................................................................................. 16 1.5 Marco de referencia ........................................................................................... 17 1.5.1 Mecánica de materiales .............................................................................. 17 1.5.2 Ensayos mecánicos aplicados a materiales de ingeniería .......................... 28 1.5.3 Herramientas CAD/CAE aplicadas al diseño de ingeniería ......................... 31 1.6 Diseño de concepto ........................................................................................... 35 2. METODOLOGÍA ........................................................................................................... 38 3. DESARROLLO DEL PROYECTO ........................................................................................ 40 3.1 Equipos usados para el estudio de la torsión: .................................................... 40 3.1.1 Antecedentes: ............................................................................................ 40 3.1.2 Tipos de máquinas para ensayos de torsión ............................................... 40 3.1.3 Maquinas manuales: .................................................................................. 43 3.2 ENTREVISTAS HECHAS A EXPERtos ............................................................. 44 3.3 VALORACIÓN DE COMPONENTES COMERCIALEs ...................................... 48 La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. 3.4 Lista de necesidades: ........................................................................................ 53 3.5 Lista de medidas: .............................................................................................. 54 3.6 Lista de Especificaciones: ................................................................................. 56 3.7 Generacion de concepto: ................................................................................... 56 3.7.1 Caja Negra ................................................................................................. 56 3.7.2 Diagrama de funciones ............................................................................... 57 Alternativas de solución: .............................................................................................. 58 3.8 Matriz Morfológica: ............................................................................................ 67 3.9 Conceptos: ........................................................................................................ 68 3.10 Selección del concepto: ..................................................................................... 69 4. CONSTRUCCION DE BOCETO MEDIANTE HERRAMIENTAS CAD ...................... 70 4.1 Estructura de soporte general: .......................................................................... 70 4.2 Carcazas para recubrir máquina y cabina de protección: .................................. 71 4.3 Sistema de giro de probeta: ............................................................................... 73 4.4 Mandril .............................................................................................................. 75 4.5 Sistema movil .................................................................................................... 76 4.6 caja con elementos electronicos ........................................................................ 78 4.7 ensamble total de la maquina ............................................................................ 79 4.8 Ensayo fea y calculos de piezas CRÍTICAS ..................................................... 80 5. CONCLUSIONES Y CONSIDERACIONES FINALES .............................................. 86 6. BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................... 87 7. ANEXOS .................................................................................................................. 91 La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. LISTA DE TABLAS Tabla 1 lista de necesidades............................................................................................ 53 Tabla 2 Lista de medidas. ................................................................................................ 54 Tabla 3 Matriz necesidades/medidas ............................................................................... 55 Tabla 4 Lista de especificaciones. ................................................................................... 56 Tabla 5 Alternativas de solución para la función Dirigir Sistema de Sujeción. .................. 58 Tabla 6 Alternativas de solución para asegurar la probeta. .............................................. 59 Tabla 7 Alternativas de solución para transformar energía electica a mecánica .............. 60 Tabla 8 Alternativas de solución para transformar energía eléctrica en continua. ............ 61 Tabla 9 Alternativas de solución para Encender y apagar máquina. ................................ 61 Tabla 10 Alternativas de solución para el ingreso de valores. ......................................... 62 Tabla 11 Alternativas de solución para mostrar datos ...................................................... 63 Tabla 12 Alternativas de solución para controlar par aplicado ......................................... 64 Tabla 13 Alternativas de solución para registrar variables. .............................................. 65 Tabla 14 Alternativas de solución para proteger al usuario. ............................................. 66 Tabla 15 Matriz morfológica ............................................................................................. 67 Tabla 16 Calificación de conceptos ................................................................................. 69 La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. LISTA DE FIGURAS Figura 1 Balance entre cargas externas e internas en un sólido rígido. El uso del método de las secciones permite analizar tales cargas respecto a un sistema coordenado de referencia. (Hibbeler, 2006) ............................................................................................. 18 Figura 2 . Carga normal responsable de producir esfuerzo normal a tracción o compresión (linalquibla, 2013) ............................................................................................................ 19 Figura 3 Carga cortante responsable de producir un momento flector sobre una viga simplemente apoyada (linalquibla, 2013) ......................................................................... 19 Figura 4 Carga cortante que afecta un sólido dado en dirección paralela al plano de interés, generando un esfuerzo de cizalladura o corte (linalquibla, 2013) ........................ 20 Figura 5 Momento de torsión en torno a un eje dado que genera esfuerzos de torsión (linalquibla, 2013) ............................................................................................................ 21 Figura 6 Elemento diferencial seccionado sobre un plano particular y orientado en un sistema coordenado acorde al marco inercial de referencia (Hibbeler,Et. Al. 2006). ........ 21 Figura 7 Elemento diferencial seccionado sobre un plano particular y orientado en un sistema coordenado acorde al marco inercial de referencia. ........................................... 22 Figura 8 Elemento diferencial seccionado usando un ángulo de referencia dado, para determinar la interacción entre los esfuerzos normales y cortantes. ................................ 22 Figura 9 Ejemplo de Diagrama convencional y real (Universidad Tecnológica de Pereira, 2012). .............................................................................................................................. 25 Figura 10 Deformación por torsión ................................................................................... 26 Figura 11 Ángulo deformación producto de la aplicación de un par de torsión ................. 26 Figura 12 Representación de una viga sometida a flexión. Los rectángulos blancos de la imagen superior se deforman mostrando el cambio de la geometría debido al momento aplicado (Hibbeler, 2006) ................................................................................................. 27 Figura 13 Maquina de ensayo a tensión tomado de (Hibbeler, 2006) .............................. 28 Figura 14 Durómetro de banco con escala Brinell (Girós,2013) ...................................... 29 Figura 15 Máquina típica para ensayos de impacto destinada a caracterizar la tenacidad de materiales de ingeniería (Instron, 2013) ...................................................................... 30 La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. Figura 16 máquina de ensayo de torsión tomado de (Hibbeler, 2006). ............................ 30 Figura 17 Diseño CAD de un sistema de suspensión para automotores sometido a análisis de interferencia (SIEMENS, 2013). .................................................................................. 32 Figura 18 Análisis de movimiento de elementos flexibles sometidos a condiciones de operación reales (SIEMENS, 2013). ................................................................................ 33 Figura 19 Ejemplo de aplicaciones FEA para simulaciones de respuesta de propiedades mecánicas de fuselaje de aeronaves (SIEMENS, 2013). ................................................. 35 Figura 20 Máquina de ensayo de torsión Riehle-Miller (Record, 1914) ............................ 41 Figura 21 Máquina Justiy Torsion Test (just machine tools, 2012) ................................... 41 Figura 22 Torsiómetro serie TR de la empresa EASYDUR (EASYDUR,2013) ................. 42 Figura 23 Torsiómetro serie TM tomado de (EASYDUR, 2012) ...................................... 42 Figura 24 Máquina para ensayo de torsión modelo básico HSM2 (P.A.Hilton Ltd, 2013) 43 Figura 25 Máquina para ensayo de torsión modelo básico HSm31 (P.A.Hilton Ltd, 2013) ........................................................................................................................................ 44 Figura 26 Máquina de torsión para ensayo de adhesivos. 1) Motor, 2) Caja de velocidad, 3) Mandril, 4) Probeta, 5) Prensa de sujeción para bloqueo de rotación. ......................... 45 Figura 27 Motor - reductor EURODRIVE que entrega la potencia requerida para realizar los ensayos de torsión en la máquina para ensayos en adhesivos .................................. 46 Figura 28 Mandriles para la sujeción de probeta. A la izquierda sistema móvil, a la derecha sistema de bloqueo de rotación. ........................................................................ 47 Figura 29 Ensayo realizado con componentes comerciales disponibles en el laboratorio de sistemas eléctricos y electrónicos en la EIA ................................................................ 48 Figura 30 Controlador programable S7-1200 usado en el montaje de prueba. 1) Conector de corriente, 2) Conectores extraíbles para el cableado de usuario (detrás de las tapas), 3) Ranura para Memory Card (debajo de la tapa superior), 4) LEDs de estado para las E/S integradas, 5) Conector PROFINET (en el lado inferior de la CPU) (SIEMENS, 2013). ... 49 Figura 31 SIMATIC HMI KTP600 Basic color (SIEMENS, 2013) ...................................... 49 Figura 32 SINEMATICS G110 (SIEMENS, 2008). ........................................................... 50 Figura 33 Motor de referencia 1la7 071-4ya80 ................................................................ 50 La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. Figura 34 Motor IFK7022-5AK21 ..................................................................................... 51 Figura 35 Driver CU310-2PN ........................................................................................... 51 Figura 36 A) curvas Momento contra Velocidad para motor 1FK7022-5AK21, B) curvas Momento contra Velocidad para Three-phase asynchronous motors de ABB .................. 52 Figura 37 Esquema de Caja negra planteada para el proyecto de diseño ...................... 56 Figura 38. Diagrama de funciones del dispositivo ............................................................ 57 Figura 39 tornillo de bolas ................................................................................................ 58 Figura 40 sistema engrane cremallera ............................................................................. 58 Figura 41 Riel lineal (Drylin, 2013). ................................................................................. 58 Figura 42 Mandril de 3 mordazas .................................................................................... 59 Figura 43 Mandril de 4 mordazas .................................................................................... 59 Figura 44 Mandril de 6 mordazas .................................................................................... 59 Figura 45 Motor DC (directindustry, 2013). ..................................................................... 60 Figura 46 Motor trifásico (Nicolini, 2013). ........................................................................ 60 Figura 47 Motor paso a paso (Omron, 2013) ................................................................... 60 Figura 48 Transformador (Instituto Latinoamericano de la Comunicación Educativa, 2013) ........................................................................................................................................ 61 Figura 49 Interruptor (Cetronic) ....................................................................................... 61 Figura 50 Teclado numérico (Shenzhen Sunson Tech Co, 2013) ................................... 62 Figura 51 Pantalla táctil (Pro-face, 2013) ......................................................................... 62 Figura 52 Pantalla táctil (Pro-face, 2013) ........................................................................ 63 Figura 53 Pantalla no táctil (ac-servodriver, 2013) .......................................................... 63 Figura 54 PLC (Siemens, 2013) ...................................................................................... 64 Figura 55 Microcontrolador (microchip, 2013) ................................................................. 64 La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. Figura 56 computador industrial ....................................................................................... 64 Figura 57 Encoder absoluto (Dynapar, 2013) .................................................................. 65 Figura 58 Encoder magnético .......................................................................................... 65 Figura 59 Encoder incremental (elap, 2013) .................................................................... 65 Figura 60 Carcaza plástica .............................................................................................. 66 Figura 61 Carcaza metálica ............................................................................................. 66 Figura 62 mesa conformada por perfiles comerciales cuadrados. ................................... 70 Figura 63 Mesa recubierta con láminas de acero............................................................. 71 Figura 64 Carcasa delantera para cubrir el motor ............................................................ 71 Figura 65 Carcasa trasera ............................................................................................... 72 Figura 66 Cabina de acrílico para protección. .................................................................. 72 Figura 67 Unión de carcasas de protección ..................................................................... 73 Figura 68 Motor SIEMENS D.48-LA71M8 (Siemens, 2013) ............................................ 73 Figura 69 Acople Motor-Mandril ....................................................................................... 74 Figura 70 Instalación encóder en motor (sew-eurodrive, 2009) ....................................... 74 Figura 71 Soporte SLN 205 de rodamientos rígidos de bolas (SKF, 2013). .................... 75 Figura 72 Unión de elementos encargados del giro. 1) Servomotor con caja mecánica, 2) soporte de pie, 3) acople para sujeción de mandril. ......................................................... 75 Figura 73 Mandril autocentrable de 6 mordazas. ............................................................. 76 Figura 74 A) Vehículo de desplazamiento lineal, B) Rieles guías con placa base (igus, 2013) ............................................................................................................................... 77 Figura 75 Placa de agarre de mandril. ............................................................................. 77 Figura 76 Ensamble de elementos para el desplazamiento lineal del mandril. 1) Placa de agarre de mandril, 2) riel guía, 3) placa base, 4) vehículo de desplazamiento lineal ........ 78 La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. Figura 77 A) caja con pantalla táctil incorporada en su frente, B) pantalla Nematron PV- 8070WHV2 (Gregg, 2013) .............................................................................................. 78 Figura 78 Ensamble total de la maquina .......................................................................... 79 Figura 79 Ensamble total de la maquina vista frontal ....................................................... 79 Figura 80 Tensión de Von Mises para acople Motor-Mandril ........................................... 81 Figura 81 Desplazamiento en FEA para acople Motor-Mandril. ....................................... 82 Figura 82 Tensión de Von Mises para Placa de agarre de mandril. ................................. 82 Figura 83 Desplazamiento en FEA Placa de agarre de mandril. ...................................... 83 Figura 84 Distribución de fuerzas en placa ...................................................................... 84 Figura 85 Análisis de tensión de Von Mises en placa. ..................................................... 84 Figura 86 Análisis de desplazamiento en placa ............................................................... 84 La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. LISTA DE ANEXOS Anexo 1 Entrevista Realizada a José William Restrepo PhD. Ingeniero metalurgista doctorado en materiales, docente de planta en Escuela de ingeniería de Antioquia. ...... 91 Anexo 2 Entrevista realizada a José Luis Suarez Castañeda M.Sc. Ingeniero mecánico, máster en energías, Director de ingeniería mecánica en EIA .......................................... 92 Anexo 3 Tabla de diferentes materiales para calcular el ángulo de torsión con máximo tamaño de probeta. .......................................................................................................... 93 La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. RESUMEN El presente trabajo documenta el proceso de diseño de una máquina de ensayos de torsión para el uso potencial en universidades o establecimientos educativos, siguiendo las etapas declaradas en la metodología de diseño y desarrollo de producto en su etapa de diseño de concepto. En la primera etapa se realizó una búsqueda bibliográfica que incluyó entrevistas a diversos expertos relacionados con la caracterización de propiedades mecánicas de materiales de ingeniería. Con base en la información recolectada se delimitó el problema afrontado a través de la generación de listas de necesidades, medidas, especificaciones y funciones, para luego generar soluciones que constituyeron un concepto general viable a la luz de las interacciones entre las funciones planteadas. Del concepto desarrollado se construyó un ensamble CAD en el cual fue posible observar la viabilidad del diseño a la luz de evaluaciones de mecánica de materiales modeladas mediante herramientas computacionales de elementos finitos. Como producto final se obtuvo un diseño de concepto de una máquina para ensayos de torsión que respondió a las consideraciones de diseño identificadas al inicio del proceso de diseño de concepto. Palabras clave: Ensayo de Torsión, Diseño de Concepto, CAD. La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. ABSTRACT This paper documents the process of design of a torsion testing machine for potential use in universities or educational institutions. The Process followed Methodology of Design and Development Products, particularly in the concept design stage. A literature review and interviews with professionals related with characterizations of mechanical properties of materials were done. At the first stage was made a literature search that included interviews with various experts related to the characterization of mechanical properties of engineering materials. Based on the information collected was delimited the problem Based on the information collected is delimited the problem faced through the generation of lists of requirements, dimensions, specifications and functions then generate solutions that formed a general concept feasible in light of the interactions between the posed functions. From developed concept was built a CAD assembly in which it was possible to observe the feasibility of the design in the light of assessments of mechanics of materials modeled by finite element computational tools. As a final product was obtained a design concept of a torsion testing machine that responded to the design considerations identified at the start of concept design process. Key words: Torsion test, conceptual design, CAD. La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. INTRODUCCIÓN Los dispositivos para el ensayo de torsión son importantes para determinar propiedades mecánicas de materiales de una forma sencilla, mediante la medición del cambio del ángulo que la probeta ensayada tiene y esto se compara con otros datos como el torque aplicado, las dimensiones de la muestra y la velocidad de aplicación para obtener diferentes características del material analizado. En el primer capítulo se presentan los preliminares del problema y los objetivos a resolver en el proceso del proyecto, también se muestra los resultados de la búsqueda del estado del arte de las diferentes máquinas para ensayos mecánicos con sus principales características enfocándose en las que realizan ensayos de torsión, los conocimientos necesarios para realizar estos y los diferentes pasos para realizar un adecuado diseño conceptual. A continuación en el segundo capítulo se redactan las etapas y actividades a realizar para culminar el proyecto teniendo en cuenta la metodología de diseño y desarrollo de producto propuesta por Ulrich. Cada una de las etapas se relaciona con un objetivo de modo que sea visible como este será cumplido. El tercer capítulo describe como se realizan las etapas de diseño, Inicialmente se muestra una recopilación de datos de máquinas comerciales que cumplen la misma función o una parecida a la deseada de diferentes empresas especializadas en el desarrollo de máquinas para el ensayo mecánico de materiales, también las entrevistas con algunos conocedores del área para conocer su opinión sobre temas relacionados y con estos datos se procedió a crear una lista de necesidades. A partir de esta se creó una lista de medidas y con estas se establecieron las especificaciones del producto. Se procedió a desglosar el problema en funciones y sub-funciones para proponer diferentes alternativas de solución de cada uno de ellos. Con estas diferentes alternativas se generó tres conceptos de solución y se seleccionó el mejor conjunto que soluciona el problema según una tabla de calificaciones usada para esto. Para el cuarto capítulo, al tener el concepto ya definido se realizó un boceto mediante el uso de herramientas CAD de cada una de las piezas y del ensamble total de este. Por ultimo en este capítulo se realiza una simulación mediante un software FEA de la piezas criticas del diseño del concepto seleccionado. En el quinto capítulo se presentan las conclusiones obtenidas durante el desarrollo del trabajo. La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. 1. PRELIMINARES 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.2 CONTEXTO Y CARACTERIZACIÓN DEL PROBLEMA El ensayo de torsión es importante para determinar las propiedades mecánicas de materiales de ingeniería, siendo particularmente útil para el estudio de la respuesta frente a cargas y momentos que generan esfuerzos cortantes. Su implementación complementa otras pruebas de caracterización mecánica, sobre todo cuando se quiere analizar materiales que poseen respuestas variables como es el caso de polímeros y compuestos. Muchas empresas del sector manufaturero así como instituciones de educación superior requieren caracterizar mecánicamente los materiales que usan, estos serían escenarios naturales para implementar equipos capaces de ejecutar ensayos de torsión. 1.3 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Se requiere diseñar una máquina para ensayos de torsión operativa en un laboratorio de caracterización mecánica, que sea útil en el estudio de la respuesta frente a cargas y momentos que generan cortantes en materiales de ingeniería. 1.4 OBJETIVOS DEL PROYECTO 1.4.1 Objetivo General Diseñar una máquina de ensayos de torsión para la caracterización de materiales con respuesta elastoplástica usados en aplicaciones de ingeniería mediante la metodología de diseño conceptual de Ulrich 1.4.2 Objetivos Específicos • Determinar la lista de necesidades y especificaciones de diseño de la máquina a partir de la revisión de información disponible y de requerimientos de expertos y potenciales usuarios de la misma. • Establecer una estructura funcional que represente los elementos y/o componentes para las transformaciones de materia, energía y señales requeridas para llevar a cabo los ensayos de torsión usando la metodología de diseño y desarrollo de producto de Ulrich. La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. • Generar conceptos solución para el dispositivo a partir de la estructura funcional y la búsqueda de soluciones hecha para la misma mediante una evaluación ponderada. • Construir un boceto tridimensional del concepto solución escogido mediante el uso de herramientas CAD. 1.5 MARCO DE REFERENCIA 1.5.1 Mecánica de materiales Cargas y momentos externos La mecánica de materiales es una rama de la mecánica que se encarga de estudiar la relación que existe entre las cargas externas aplicadas a un cuerpo deformable y la intensidad de las fuerzas internas que actúan sobre este. Para el diseño de cualquier estructura se debe primero hacer uso de los principios de la estática para determinar las fuerzas que actúan en los elementos. Esta disciplina es importante para determinar el tamaño de los elementos que se usan así como sus deflexiones y estabilidad, y los materiales a usar. Se parte del concepto carga externa a un sistema que afecta un sistema mecánico definido que se analizará al interior del mismo, a diferencia de la mecánica clásica de Newton, en donde las cargas internas no cuentan en el análisis del sistema mecánico puesto que es de interés las variaciones de la posición y el movimiento de los elementos estudiados (Hibbeler, 2006). Las cargas externas pueden ser fuerzas de superficie o fuerzas de cuerpo. Las fuerzas de superficie estas dadas por el contacto de un cuerpo con la superficie de otro. Mientras que las fuerzas de cuerpo es cuando un cuerpo hace fuerza sobre otro pero sin hacer contacto con este, como por ejemplo la gravedad. Estas cargas pueden producir efectos al interior del sistema estudiado y lo hacen a través de cargas internas que pueden ser definidas a través de un balance de cargas externas. Las cargas internas resultantes que actúan al interior del sistema se clasifican en momentos y cargas internas. En la Figura 1 se observa el balance estático de un sólido rígido deformable, isotrópico y continuo sometido a cargas externas F1 y F2. Estas fuerzas se equilibran al interior del sólido con las cargas N y V así como por los momentos Mi, Su estudio es viable gracias al establecimiento de un sistema coordenado conocido (marco inercial de referencia) establecido en una sección del sólido sometido a estudio (Hibbeler, 2006). La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. Figura 1 Balance entre cargas externas e internas en un sólido rígido. El uso del método de las secciones permite analizar tales cargas respecto a un sistema coordenado de referencia. (Hibbeler, 2006) De la Figura 1 es preciso definir los siguientes elementos: Fuerza Normal (N): Fuerza perpendicular a la superficie. Esta fuerza jala o empuja el elemento al que se le aplica la fuerza. Fuerza Cortante (V): Fuerza paralela a la superficie, hace que los dos segmentos del cuerpo resbale uno sobre otro. Momento de torsión (T): Cuando una carga externa hace rotar un segmento del elemento con respecto a otro. Momento de flexión (M): Este se genera cuando las cargas externas ejercidas sobre el elemento hacen flexionar este respecto a un eje dentro del plano del área. Esfuerzos: Los esfuerzos normales y cortantes son la distribución de fuerza que actúa sobre un punto en una superficie con componentes en las direcciones normal y tangencial respectivamente (Shigley, 2008). Para su estudio se los clasifica según su orientación respecto a una superficies generada a través de un sólido en una región de interés. Suelen distinguirse cuatro tipos de esfuerzos, dos normales y dos cortantes que dependen de si la línea de acción de la carga o el momento responsable del esfuerzo es La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. paralelo o perpendicular a la sección antes descrita. De este modo se han distinguido tradicionalmente los esfuerzos normales promedio y los esfuerzos de flexión como esfuerzos perpendiculares, mientras que los esfuerzos cortantes y de torsión se los denomina esfuerzos de corte o cizalladura. Esfuerzo normal promedio : Se produce por acción de una carga normal a una superficie de interés, tiene como efecto la deformación lineal en dirección de la carga. Para calcular el esfuerzo normal promedio se usa la expresión (Mott, 2006): � � � �� (1) En donde � representa la carga normal y �� el área en la que es aplicada En la Figura 2 se observa un esquema de tal esfuerzo: Figura 2 . Carga normal responsable de producir esfuerzo normal a tracción o compresión (linalquibla, 2013) Esfuerzo debido a flexión : Los esfuerzos de flexión son producidos por un momento flector en torno a cualquier eje paralelo a una sección transversal que pase por el elemento de interés. La fórmula para analizar este esfuerzo es la siguiente: � � � (2) Donde � es la magnitud del momento de flexión en la sección, I es el momento de inercia del área transversal y c la distancia del eje neutro al punto más alejado en la sección transversal de la viga. En la Figura 3 se observa un esquema de tal esfuerzo (Mott, 2006): Figura 3 Carga cortante responsable de producir un momento flector sobre una viga simplemente apoyada (linalquibla, 2013) La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. Esfuerzo cortante: El esfuerzo cortante se produce cuando una fuerza aplicada sobre un elemento tiende a cortar este de forma perpendicular a la superficie. Para calcular este esfuerzo se usa la siguiente expresión (Mott, 2006): � � �� (3) En donde � representa fuerza de corte y �� el área de este. También es posible definir un esfuerzo cortante máximo producto de la distribución parabólica de esfuerzos sobre la sección transversal afectada por la carga cortante. Este esfuerzo se define como: � �� �� (4) En la Figura 4 se observa un esquema de tal esfuerzo: Figura 4 Carga cortante que afecta un sólido dado en dirección paralela al plano de interés, generando un esfuerzo de cizalladura o corte (linalquibla, 2013) Esfuerzo cortante torsional: Cuando es aplicado un momento de torsión sobre un elemento, este tiende a deformarse, en la cual una parte de este elemento rota en relación de la otra y este produce en esfuerzo cortante (Mott, 2006). Para el cálculo de este tipo de esfuerzo máximo se utiliza la siguiente formula: ��� � � � (5) En donde c es el radio de la superficie externa del eje y j es el momento polar de inercia. El par de torsión (T) lo analizamos haciendo una relación con la velocidad de giro y la potencia � � � � (6) Donde P es la potencia y � es la velocidad de giro Relación de Poisson: Al aplicarle una fuerza de tensión a un cuerpo deformable este no solo se alarga sino que también se contrae lateralmente, y así mismo al aplicarle una La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. fuerza de compresión este no solo se contrae en la dirección de la fuerza sino q también se expande lateralmente. De este modo es posible relacionar las deformaciones producto de cargas cortantes y normales, y de este modo los respectivos esfuerzos relacionados con ellos. Torsión: La fuerza de torsión se da cuando se presenta un momento sobre el eje longitudinal de un elemento. En la Figura 5 se observa un esquema de tal esfuerzo Figura 5 Momento de torsión en torno a un eje dado que genera esfuerzos de torsión (linalquibla, 2013) Transformación de esfuerzos planos. Figura 6 Elemento diferencial seccionado sobre un plano particular y orientado en un sistema coordenado acorde al marco inercial de referencia (Hibbeler,Et. Al. 2006). Un sólido sometido a solicitaciones externas experimentará cargas internas de tipo normal o cortante, según el plano definido para su análisis. Un elemento diferencial de tal sólido experimentará esfuerzos generados por tales cargas en múltiples direcciones como se muestra en la Figura 6. La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. Para facilitar su estudio, tales esfuerzos se suelen estudiar dentro de un plano que corresponde a cualquiera de las proyecciones ortogonales del elemento diferencial, conforme un marco inercial de referencia definido previamente, de modo que su análisis resulte fácil de hacer. Una ilustración de tal disposición se muestra en la Figura 7 Figura 7 Elemento diferencial seccionado sobre un plano particular y orientado en un sistema coordenado acorde al marco inercial de referencia. Ahora bien, tales esfuerzos se verán afectados por la interacción de unos con otros sin importar su naturaleza cortante o normal. Para analizar tal influencia se procede a realizar una transformación de esfuerzos usando una sección transversal del elemento diferencial conforme se muestra en la Figura 8. Figura 8 Elemento diferencial seccionado usando un ángulo de referencia dado, para determinar la interacción entre los esfuerzos normales y cortantes. Luego de establecer relaciones geométricas entre los esfuerzos cortantes y normales a través del parámetro angular θ y el uso de vectores asociados con las áreas del diferencial, se definen cuatro esfuerzos combinados: Esfuerzos normales mínimo (σ1), promedio (σprom), máximo (σ2) y el esfuerzo cortante máximo (τmax). El plano y la orientación de estos esfuerzos varían según el parámetro angular θ usado en el proceso. Los esfuerzos citados se definen como: La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. ��,� � !"#!$% � ∓ '( !")!$% � *� + �,�- �/� (7) ��/0� � �� + �,% 2 ,2 (8) ��� � '( !")!$% � *� + �,�- �/� (9) El parámetro angular se puede definir a partir de las ecuaciones: ∅! � � � 45�)� 6 �7"$ !")!$8 (10) ∅7 � � � 45�)� 6!")!$ )�7"$8 (11) Mohr definió a partir de estos resultados una representación gráfica basada en una circunferencia que es posible dibujar usando variables que agrupan los componentes de estas ecuaciones, las cuales se pueden representar con las ecuaciones: �� � ��/0� + 9 (12) �� � ��/0� − 9 (13) ��� � 9 (14) Donde R es el radio de la circunferencia y (σ1) el mayor esfuerzo normal registrado en el elemento diferencial. En este punto resulta de especial interés el análisis de los esfuerzos cortantes puesto que su influencia en los esfuerzos normales es manifiesta. Uno de los principales resultados del análisis de Mohr fue encontrar que un sólido sometido a esfuerzo normal puro puede presentar falla por esfuerzo cortante con una magnitud ��� en un ángulo similar al asociado al parámetro angular. Este ángulo y la magnitud del esfuerzo serían posteriormente determinados de manera experimental corroborando el modelo de Mohr. Criterios de falla estática Al considerar la posibilidad de falla por cortante, se estableció un criterio de falla basado en la magnitud de τmax el cual no podrá ser mayor que el doble del esfuerzo normal máximo σ1 que entre otras cosas será el esfuerzo máximo a tracción que puede soportar un sólido sometido a tracción. Así fue posible establecer un criterio de falla para cargas de tracción basado en esfuerzos cortantes conocido como Criterio de Treska. Este criterio usaba la información obtenida mediante ensayos de tracción para comparar con resultados teóricos vía análisis de Mohr usando la consideración conservadora que el esfuerzo cortante no puede superar el esfuerzo normal máximo o límite elástico del material. Así, el criterio de Treska se puede escribir como: La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. ��� � ;, 2�< (15) Con ��� como el cortante máximo registrado en el análisis de Mohr, ;, el esfuerzo de fluencia o límite elástico del material y n un factor de seguridad que depende de la solicitación de diseño. Al efectuar un análisis de la energía de deformación a partir de los esfuerzos encontrados el método de Mohr, es posible encontrar otro criterio de falla conocido como Criterio Von Mises, el cual se expresa como: � , � =$ � (16) Donde � ,es el esfuerzo Von Mises que se obtiene como: � , � >��� − ���� + ���?�/� (17) Propiedades mecánicas de los materiales: Curva esfuerzo – deformación: Con los datos obtenidos a partir de un ensayo de tensión o deformación, se calcula varios valores de esfuerzo y su respectiva deformación. Con estos datos es posible obtener una curva que relaciona al esfuerzo con la deformación. Existen dos maneras de representarlo: El primero de estos es el diagrama convencional de esfuerzo-deformación unitario, el cual proporciona datos de la resistencia a tensión de un elemento sin importar el tamaño o la forma de este. Para obtener esta curva, con los datos registrados de obtiene el esfuerzo σnominal por medio de la ecuación 18 y la deformación nominal ε descrita en la ecuación 19. (Hibbeler, 2006) � � � �@ (18) Donde A es el valor de la carga aplicada y �B es el área en donde esta se aplica. C � D E@ (19) Donde F es el cambio de la longitud y GB es la longitud original de espécimen al que se le están realizando las mediciones. El segundo diagrama es el diagrama real de esfuerzo-deformación unitario. A diferencia de la curva anterior, en vez de usar siempre el área de la sección transversal y la longitud La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. real del espécimen, se usan estas mismas variables pero en el instante de tiempo que la carga se está midiendo. Estas pasan a llamarse esfuerzo real y deformación unitaria real, y con estos valores se grafica la curva. Figura 9 Ejemplo de Diagrama convencional y real (Universidad Tecnológica de Pereira, 2012). Ley de Hooke: El aumento del esfuerzo causa un aumento proporcional en la deformación unitaria y esto se observa en la siguiente ecuación: � � HC (20) Donde H representa el módulo de Young o modulo elástico. Energía por deformación: Al ser deformado un material por una carga externa, este acumula energía internamente en todo su volumen, esta energía es llamada energía de deformación unitaria, si esta energía se mide hasta el límite de proporcionalidad se llama módulo de resiliensia y si se mide hasta el punto de fractura esta pasa a llamarse módulo de tenacidad (Hibbeler, 2006). Fatiga: Esta se da en metales cuando el material se somete a ciclos de esfuerzo y deformación unitaria. Se manifiesta como una falla o rotura mecánica de la pieza o elemento con cargas muy por debajo de su resistencia última o incluso elástica y como consecuencia de las cargas y momentos cíclicos aplicados. (Hibbeler, 2006) Deformaciones notables: Deformación elástica por tracción: Para analizar esta deformación, se tiene una barra a la cual se le aplica una carga externa a lo largo de su longitud, esta carga produce una deformación. El desplazamiento relativo de un extremos de la barra al otro causado por esta carga se representa por F La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. La ecuación usada para calcular este desplazamiento F es la siguiente: F � I �>�?J" �>�?K E B (21) En donde: F = Desplazamiento relativo de la barra de un punto a otro punto. G = Distancia entre estos puntos. A>L? = Fuerza axial interna en la sección, localizada a una distancia x del extremo. �>L? = Área de la sección transversal de la barra, expresada como función de x. H = Modulo de Young o módulo de elasticidad del material Deformación por torsión: Cuando se aplica el par de torsión, como se aprecia en la Figura 10 los círculos y las de rejillas longitudinales tienden a distorsionarse Figura 10 Deformación por torsión Si se fija esta barra a un lado y se aplica un par de torsión en el otro extremo se crea un ángulo de torsión de torsión M>L?, el cual varía dependiendo de la posición de x como se puede observar en la Figura 11 Figura 11 Ángulo deformación producto de la aplicación de un par de torsión La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. La fórmula para determinar al ángulo de torsión es la siguiente: M � I �>�?J" N>�?O E B (22) Dónde: �>L? = Par de torsión interno en una posición x. P>L? = Momento polar de inercia expresado en la función de la posición x. Q= Módulo de rigidez del material. Esfuerzo cortante máximo: El esfuerzo cortante máximo ��� en la superficie exterior está dado por la fórmula: ��� � � N (23) Dónde: � = Par de torsión interno resultante que actúa en la sección transversal. P = Momento polar de inercia del área de la sección transversal. R = radio exterior. Deformación por flexión: Al aplicarse un momento flexionaste a una barra esta tiende a deformarse y esto causa que la parte inferior se comprima mientras que la superior se expande como se observa en la Figura 12 la sección transversal de una viga permanece plana cuando la viga se deforma por flexión. El eje neutro está sometido a cero esfuerzo (Hibbeler, 2006). Figura 12 Representación de una viga sometida a flexión. Los rectángulos blancos de la imagen superior se deforman mostrando el cambio de la geometría debido al momento aplicado (Hibbeler, 2006) Para calcular el esfuerzo normal máximo ���� en el punto más alejado del eje neutro su usa la ecuación siguiente: La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. ���� � � (24) En donde: � = Momento interno resultante S = Momento de inercia de la sección transversal con respecto al eje neutro R = Distancia perpendicular del eje neutro al punto más alejado de este y sobre cual actúa ���� 1.5.2 Ensayos mecánicos aplicados a materiales de i ngeniería Prueba de tensión o compresión: Por medio de estas pruebas esta se establece la capacidad de un material para soportar una carga normal sin deformarse. Una probeta cilíndrica soporta una carga uniforme sin restricciones geométricas en una longitud al menos cuatro veces su diámetro. La carga aplicada y la deformación de la probeta son medidos para calcular el esfuerzo generado y la deformación unitaria y/o real del material. (Hibbeler, 2006). Propiedades obtenidas del ensayo de torsión: Limite elástico: Es el esfuerzo en el cual se registra deformación plástica, en los metales, por lo general es el esfuerzo necesario para que las dislocaciones se deslicen. Este esfuerzo divide los comportamientos plástico y elástico del material que se está analizando (Askeland, 1998). Resistencia a la tensión: La resistencia a la tensión es el esfuerzo máximo obtenido al ser aplicada la mayor fuerza. (Askeland, 1998). En la Figura 13 se aprecia una máquina de ensayos universales para realizar este tipo de pruebas. Figura 13 Maquina de ensayo a tensión tomado de (Hibbeler, 2006) La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. En la Figura 13 se distinguen además los elementos que componen una máquina para ensayos de tensión o compresión típica. La probeta a tensión es el elemento de análisis y medición, el cabezal superior es el elemento que realiza la fuerza lineal que se aplica a la probeta para ser comprimida o estirada, los controles del motor y de la carga permiten calibrar y controlar el ensayo y la caratula indicadora de la carga es la que muestra los resultados obtenidos. Tanto los controles de motor y carga como la caratula indicadora pueden ser reemplazados por diferentes formas de comunicación hombre-máquina como displays, pantallas retroiluminadas o pantallas táctiles. Prueba de dureza: El objetivo de este tipo de ensayos es medir la resistencia de la superficie de un material a la penetración de un objeto, para ello se dispone de un indentador de geometría variable que se aplica sobre la superficie del material sometido a análisis. La huella dejada por la penetración del indentador indica la resistencia a la fluencia del material. Existen múltiples métodos para medir dureza, casi todos relacionados con variaciones en la geometría de la punta (esferas, conos, pirámides, etc.) siendo los más extendidos los ensayo de dureza tipo Vickers, Brinell y Rockwell, éste último por ejemplo usa bolas de acero endurecido para materiales blandos y conos de diamantes para materiales duros (Hibbeler, 2006) Figura 14 Durómetro de banco con escala Brinell (Girós,2013) Ensayo de impacto: En este tipo de pruebas se practica un golpe súbito a la probeta objeto de análisis a partir del conocimiento previo de la energía mecánica usada para el impacto. El procedimiento más usado en estas pruebas es el ensayo Charpy, en el cual un péndulo pesado es lanzado desde una altura conocida y golpea una probeta (Hibbeler, 2006). La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. Figura 15 Máquina típica para ensayos de impacto destinada a caracterizar la tenacidad de materiales de ingeniería (Instron, 2013) Prueba de torsión: Cuando se aplica un par de torsión a un material, se genera un esfuerzo cortante y una deformación torsional angular (Hibbeler, 2006). Los ensayos de torsión se realizan en máquinas diseñadas específicamente para tal fin, las cuales recrean la generación de una deflexión angular en una probeta fija en un extremo y rotante en el otro. El extremo libre recibe potencia mecánica desde un motor que suele contar con una transmisión destinada a maximizar el par generado requerido para deformar de modo apreciable la probeta. Sistemas de medición de rotación y de deflexión angular son frecuentemente usados para determinar el ángulo de torsión en función del torque y de la longitud de la probeta. Todas las máquinas para ensayos de torsión tienen la misma configuración, la cual ha variado al integrar elementos electrónicos, de automatización, control e informáticos para incrementar la capacidad de registro, la precisión y la exactitud. . Figura 16 máquina de ensayo de torsión tomado de (Hibbeler, 2006). La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. El valor de las pruebas de torsión reposa en la posibilidad de entregar información directa sobre la resistencia a cortante y la confirmación y/o complemento de propiedades mecánicas mediante el uso de relaciones de Poisson para sólidos rígidos deformables. Un ensayo de torsión permite entre otras cosas: • Analizar el comportamiento de los materiales al ser sometidos a un esfuerzo de torsión. • Construir gráficas de esfuerzo cortante vs deformación angular unitaria para el esfuerzo de torsión. • Calcular el módulo de rigidez, límite elástico y compararlos con otros materiales. • Medir la resistencia a la fluencia de los materiales. • Observar las diferencias que presentas los diferentes materiales en cuanto a la ductilidad y fragilidad. • Analizar el comportamiento de las secciones transversales en la prueba y determinar el tipo de ruptura que se presenta en dicho ensayo. En la Figura 16 se observan los componentes principales de este tipo de máquinas: el motor encargado de hacer girar el sistema para realizar la prueba, la cabeza giratoria que sostiene la probeta al mismo tiempo que gira con el motor, la probeta de ensayo, el cabezal fijo que sostiene la probeta, y los controles e interfaces hombre-máquina. Para realizar ensayos con este tipo de máquinas, se coloca una probeta con longitud L y diámetro conocido. Se mide el ángulo de torsión Ф y el par de torsión T y con la ecuación (1) se calcula en módulo de rigidez del material G Q � �E �T (25) 1.5.3 Herramientas CAD/CAE aplicadas al diseño de i ngeniería CAD (Computer Aided Design- Diseño Asistido por Com putador) Hace referencia a todo el conjunto de herramientas informáticas usadas para para el desarrollo, diseño, análisis y modelación de piezas, ensambles, componentes y en general productos de ingeniería. Las herramientas implicadas en CAD van desde herramientas de modelado geométrico hasta herramientas para cálculos de propiedades físicas Permiten guardar registro de los diseños, así como de cambios durante etapas de procesamiento y/o conformación, sirviendo de referencia para labores de control de calidad y planeación de procesos. Así mismo, las herramientas CAD en conjunción con el CAM (Computer Aided Manufacturing) agilizan los procesos de manufactura relacionados con control numérico. (Universidad Nacional de Colombia, 2013) La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. Elementos de los sistemas CAD: 1. Modelado Geométrico: en esta el diseñador construye un modelo geométrico de la pieza por medio de comandos que crean y modifican líneas, superficies y sólidos. el resultado de esto muestra una representación precisa bidimensional o tridimensional del objeto (kalpakjian & Schmid, 2008). Los modelos se pueden presentar de tres maneras diferentes • Representación lineal o estructura de alambres: Todos los bordes del solido son visibles • Modelo de superficies: Se observan todas las superficies del objeto. • Modelo de solidos: Se muestran todas las superficies, pero los datos describen el volumen interior del modelo. 2. Análisis y optimización del diseño: después de realizar el modelo geométrico se lleva a cabo un análisis de ingeniería. Estos pueden ser analizar esfuerzos, deformación, flexión, transferencia de calor, vibraciones y más. 3. Revisión y Evaluación de diseños: este se usa para verificar la interferencia entre diferentes componentes para evitar problemas durante el ensamble o el uso de piezas, y ver como funcionaran miembro móviles. 4. Documentación y proyectos: en esta se imprimen los planos de trabajo, el CAD tiene la capacidad de desarrollar y dibujar vistas de sección de las partes. Figura 17 Diseño CAD de un sistema de suspensión para automotores sometido a análisis de interferencia (SIEMENS, 2013). La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. CAE (Computer Aided Engineering - Ingeniería asisti da por computador): El término CAE encierra todas aquellas herramientas computacionales que permiten analizar y simular diseños realizados por programas CAD, pudiendo observar la viabilidad, rentabilidad, resolución de problemas y propiedades de los diferentes proyectos en diferentes niveles, tanto conjuntos como por piezas o componentes separados. Esta incluye la simulación, validación y optimización de productos y procesos (Universidad Nacional de Colombia, 2013). Con CAE apoya una amplia gama de aplicaciones como el análisis de esfuerzos de los diferentes componentes, análisis térmicos y de fluidos, simulación de procesos mecánica de simulación de eventos y otros. Como ejemplo CAE puede ser usado para determinar trayectorias de movimiento y velocidades de ensamblado de ensamblado de mecanismos. En la Figura 18 se aprecia un ejemplo de aplicación de herramientas CAE (SIEMENS, 2013) Figura 18 Análisis de movimiento de elementos flexibles sometidos a condiciones de operación reales (SIEMENS, 2013). Beneficios del CAE (SIEMENS, 2013): • Reducción de costos y tiempos en desarrollo de productos. • Los diseños pueden ser evaluados y refinados mediante simulación por computador. • CAE puede ofrecer antes una perspectiva de rendimiento en el proceso de desarrollo, cuando los cambios de diseño son más baratos de hacer. • Ayuda a los equipos de ingeniería a gestionar el riesgo y comprender las implicaciones del rendimiento de sus diseños. • La exposición de garantía se ve reducida al identificar y eliminar los problemas potenciales. Cuando está bien integrado en el desarrollo de productos y fabricación. La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. FEA (Finite Element Analysis- análisis de elementos finitos) Una de las herramientas de mayor impacto dentro de CAE es FEA el cual es usada para encontrar y resolver problemas estructurales o de rendimiento. El proceso FEA consiste en dividir la geometría que se quiere analizar en pequeños elementos, teniendo en cuenta las ecuaciones de cada uno y los elementos vecinos, formando una malla de elementos finitos. Como resultado las pruebas dan unos puntos de interés que pueden incluir los puntos de fractura del material previamente probado, filetes, esquinas, detalles complejos, y áreas de alto estrés. FEA es usado comúnmente en industrias como la aeronáutica, la biomecánica y la automoción, pero esta puede ser aplicada en una gran variedad de industrias. Los tipos de análisis FEA son (SIEMENS, 2013) • Estancia lineal: análisis lineal con cargas aplicadas y limitaciones estáticas. • Estática y dinámica no lineal: Efectos debido al contacto cuando una parte del modelo hace contacto con otra. • Frecuencias naturales de la vibración. • Respuesta dinámica, cargas que varían con el tiempo. • Transferencias de calor. Beneficios de la FEA (SIEMENS, 2013) • Predecir y mejorar el rendimiento y fiabilidad del producto. • Reducir la creación de prototipos físicos y pruebas • Evaluar los diferentes diseños y materiales • Optimizar el diseño y reducir el uso de materiales La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. Figura 19 Ejemplo de aplicaciones FEA para simulaciones de respuesta de propiedades mecánicas de fuselaje de aeronaves (SIEMENS, 2013). 1.6 DISEÑO DE CONCEPTO El diseño conceptual tiene por objetivo mostrar la viabilidad de una idea o conjunto de ideas que dan respuesta satisfactoria a un problema de ingeniería o a una necesidad expresada en un mercado particular. Existen muchas estrategias para mostrar que un diseño es viable, entre ellas son de destacar por su impacto las siguientes (referencia: (Cuberos, 2013) • Metodología de Jones, en la que se da igual de importancia a los aspectos no racionales y los aportados por la intuición respecto a los obtenidos por procesos lógicos o procesos sistemáticos. • El método Luckman que consiste en tres fases bien diferenciadas, una de análisis, otra de síntesis y otra de evaluación, con posibilidad constante de interacción entre ellas. • La metodología de diseño y desarrollo de producto propuesta por Pahl & Beitz y posteriormente por Ulrich en la que se generan funciones que solucionan el problema a partir de las necesidades puntuales del usuario. La metodología de diseño planteada para este proyecto (metodología de diseño y desarrollo de producto de Ulrich) se basa en la premisa de una búsqueda sistemática de soluciones que sigue etapas de divergencia y convergencia que se pueden alimentar unas a otras según se requiera. A continuación se hace una pequeña descripción de las La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. diferentes etapas mencionadas anteriormente sobre diseño de concepto (Ulrich & eppinger, 2009). Identificación de necesidades: Para hacer un diseño del concepto adecuado es necesario realizar una identificación de las necesidades del cliente, el cual va a ser el comprador del producto final. Las cinco etapas que corresponder a la identificación de las necesidades son las siguientes: • Recopilar los datos sin procesar de los clientes. • Interpretar los datos sin procesar en términos de las necesidades del cliente. • Organizar las necesidades en una jerarquía (primaria, Secundaria, terciaria). • Establecer la importancia relativa de las necesidades. • Reflejarla en los resultados y en el proceso. Especificaciones del producto: Para obtener las especificaciones del producto lo primero que se debe hacer es seleccionar las especificaciones objetivo, estas se establecen después de que se han identificado las necesidades del cliente pero antes de que se haya generado concepto de producto. Para establecer las especificaciones objetivo se siguen los siguientes pasos: • Preparar lista de medidas. • Recopilar información de benchmarking. • Establecer valores objetivos ideales. • Reflejarlo en los resultados y el proceso. Para seleccionar las especificaciones finales del producto se hace una confrontación de todo el equipo de trabajo para seleccionar las medidas finales. Generación de concepto: “Un concepto de producto es una descripción aproximada de la tecnología, principios de funcionamiento, y forma del producto. Es una descripción concisa sobre como satisfacer el producto las necesidades del cliente” (Ulrich & eppinger, 2009). Para la selección de este se llevan a cabo varios pasos, el primero de estos consiste dividir el problema general en sub-problemas y así solucionar diferentes etapas del diseño. Para esto se procede a diseñar una caja negra que contiene el problema global, representando las entradas y salidas de material por medio de una línea gruesa, una línea delgada a la transferencia de energía y una línea punteada a los flujos de señales de control. Luego se La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. procede a realizar un diagrama de funciones en el cual se conectan las sub funciones del sistema mediante líneas gruesas, delgadas y punteadas que representan el movimiento de material, la transferencia de energía y el flujo de señal respectivamente. Alternativas de solución: A cada una de las sub funciones le corresponden varias alternativas para solucionar el sub problema planteado y así en conjunto solucionar el problema general. Matriz morfológica: Una matriz morfológica es una tabla que contiene cada una de las alternativas de solución ordenadas de tal forma que esta ayude en el momento de la generación de conceptos. Luego de tener diferentes conceptos que solucionen el problema general planteado se procede a seleccionar el concepto más adecuado para este, esto se realiza mediante la selección de conceptos. Selección de conceptos: Consiste en hacer una evaluación de cada uno de los conceptos diseñados con respecto a las necesidades del cliente y sus ventajas y desventajas (Ulrich & eppinger, 2009). Existen diferentes métodos para la selección del concepto: • Decisión externa: En torno al cliente o alguna entidad externa. • Dirigente del producto: El líder del equipo elige un concepto con base en la preferencia personal. • Votación múltiple: Se realiza una votación entre todos los participantes del desarrollo de los conceptos. • Pros y contras: Se observan las ventajas y desventajas de cada uno de los conceptos y se hace la selección con respecto a estos resultados • Prototipo y prueba; Al crear prototipos se observa el funcionamiento de cada uno de los conceptos. • Matrices de decisión: Se utilizan los criterios previamente establecidos en la etapa de especificaciones para obtener un concepto. La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. 2. METODOLOGÍA A continuación se relatarán las etapas y actividades realizadas para culminar el proyecto de diseño propuesto, en cada etapa se relaciona el objetivo respectivo de modo que sea visible el cumplimiento de los mismos conforme avanzó el mismo. Para todo el desarrollo se usó la metodología de diseño y desarrollo de producto propuesta por K. Ulrich (Ulrich & eppinger, 2009). Etapa 1: Clarificación de la tarea (objetivo 1) Actividades: 1. Revisión bibliográfica del estado de la técnica. Identificar y organizar los datos de las necesidades del diseño, creando una lista con estas. 2. Definición del problema. Definir el problema acorde con las necesidades a resolver. 3. Definición de necesidades y medidas. Definir las necesidades de acuerdo a los requerimientos. 4. Identificación de especificaciones de diseño. Organizar las especificaciones requeridas en el diseño tanto en la parte mecánica como eléctrica y electrónica Etapa 2. Estructura funcional (objetivo 2) Actividades: 5. Definición de funciones. Se aclara la estructura del diseño por medio de un diagrama de funciones. 6. Estructura funcional: Caja negra y transparente. Se realizan las cajas negra y transparente para analizar la estructura funcional. Etapa 3. Generación de concepto (Objetivo 3) Actividades: 7. Búsqueda de soluciones. Se hace una búsqueda de las diferentes soluciones. 8. Construcción de matriz morfológica. Se realiza una construcción de la matriz morfológica La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. 9. Calificación y selección de concepto. Se hace una selección del concepto por medio de matrices de calificación y de solución. Etapa 4 . Arquitectura de producto (Objetivo 4) Actividades: 10. Definición de relaciones funcionales. 11. Construcción de boceto del concepto solución. Montaje en CAD del diseño. La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. 3. DESARROLLO DEL PROYECTO Para limitar el problema de diseño en sus etapas iniciales se recurrió a la consulta de información disponible en el mercado y en libros de texto acerca de dispositivos similares usados en ensayos de torsión (benchmarking). Así mismo se realizaron entrevistas con profesionales que laboran en áreas relacionadas con la caracterización de las propiedades mecánicas de materiales de ingeniería. Por último se valoraron de manera preliminar el uso de ciertos dispositivos y componentes comerciales que tienen un potencial uso en el diseño que se planeó desarrollar en este proyecto. A continuación se presenta la información más relevante encontrada en estas tres etapas: 3.1 EQUIPOS USADOS PARA EL ESTUDIO DE LA TORSIÓN: 3.1.1 Antecedentes: A principios de siglo XVII Galileo Galilei realizó diversos experimentos sobre barras y vigas para determinar los efectos de cargas sobre estos, el registro preciso de las pruebas resultó determinante para la comprensión de los fenómenos relacionados con la respuesta de los materiales frente a las cargas aplicadas. Para el siglo XVIII estos métodos fueron mejorados por muchos investigadores, entre los que se destacan Poisson, Saint-Venant o Navier (Hibbeler, 2006). Las pruebas mecánicas incluían preferencialmente ensayos de tracción, compresión, impacto y torsión. El ensayo de torsión es una prueba que se hace a diversos materiales para determinar algunas propiedades mecánicas de estos, particularmente las relacionadas con los esfuerzos y las deformaciones producto de cargas cortantes y momentos de torsión. Existen diversas máquinas para realizar este tipo de ensayos con diferentes características de las cuales se hará una relación a continuación. 3.1.2 Tipos de máquinas para ensayos de torsión Las primeras máquinas de torsión eran totalmente manuales, tanto en la aplicación de la potencia como en la lectura de los datos luego de realizar las pruebas, y estas se destinaban para pruebas en madera. Un ejemplo de este tipo de equipo es la máquina de Riehle-Miller, en la cual se hacían ensayos con probetas de 1,5 pulgadas de diámetro contra 18 pulgadas de largo de nogal (Record, 1914). La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. Figura 20 Máquina de ensayo de torsión Riehle-Miller (Record, 1914) Con el advenimiento de la revolución industrial comenzaron a desarrollarse máquinas para pruebas con metales que contaban con motores eléctricos, pero la lectura de los datos seguía realizándose de forma análoga, causando perdida de información en la de lectura de estos, un ejemplo de este tipo de maquina es la Justiy Torsion Test desarrollada por la empresa Just Machine Tools la cual ya posee distintas velocidades de funcionamiento y está diseñada para pruebas de hilos de metal (just machine tools, 2012). Figura 21 Máquina Justiy Torsion Test (just machine tools, 2012) En décadas recientes, el uso de dispositivos electrónicos y sistemas informáticos han permitido implementar herramientas de precisión para registro, procesamiento y visualización de señales. , Este es el caso del Torsiómetro serie TR de la empresa EASYDUR TM el cual posee un encoder con separación de 0.1grados para el motor de La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. rotación con capacidad de medición entre 200 y 20000 Nmm y lectura de datos por medio de display que evita errores de apreciación de lectura de los operarios (EASYDUR, 2013) Figura 22 Torsiómetro serie TR de la empresa EASYDUR (EASYDUR,2013) Otro ejemplo de implementación de dispositivos electrónicos de última generación en máquinas para ensayos de materiales es el Torsiómetro serie TM de la misma, que cuenta con un pantalla táctil sensible hasta con el uso de guantes y capacidad para registro de hasta 1000 datos por segundo. Además cuenta con puestas en cero automáticas para menor interacción del usuario con la máquina. Este dispositivo posee diversos métodos de trabajo a través de programación automática, semiautomática y manual para un manejo más sencillo (EASYDUR, 2012). Figura 23 Torsiómetro serie TM tomado de (EASYDUR, 2012) La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. Algunas máquinas para ensayo desarrolladas en los últimos años poseen la capacidad de procesar los datos para dar al usuario todo tipo de información sobre las propiedades de los materiales que se están analizando sin el usuario tener que hacer cálculos, permitiendo que los resultados finales sean muy confiables y precisos, ya que no se pierde información en el proceso. 3.1.3 Maquinas manuales: Actualmente también es posible encontrar en el mercado maquinas manuales muy flexibles para realizar ensayos de torsión que van desde montajes simples cuya finalidad es demostrativa hasta sistemas robustos destinados a medir propiedades de materiales en probetas pequeñas. Un ejemplo de ello es el modelo básico HSM2 (Figura 24) de P.A.Hilton Ltd, diseñada para mostrar la relación entre la carga de torsión aplicada a una barra redonda y el giro angular producido. La probeta se sujeta mediante abrazaderas para fijación en un extremo mientras que el lado libre se sujeta a un aparejo accionado por un juego de cables y pesas encargadas de transmitir y generar el par necesario para cargar la probeta. (P.A.Hilton Ltd, 2013) Figura 24 Máquina para ensayo de torsión modelo básico HSM2 (P.A.Hilton Ltd, 2013) Una maquina un poco más robusta de la misma firma es la HSM31, la cual tiene la posibilidad de medir el ángulo de giro y de ruptura mediante el uso de carátulas análogas. El par de torsión es transmitido de forma manual por medio de una transmisión sinfín- corona que amplifica la carga aplicada sobre la probeta. (P.A.Hilton Ltd, 2013). La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. Figura 25 Máquina para ensayo de torsión modelo básico HSm31 (P.A.Hilton Ltd, 2013) 3.2 ENTREVISTAS HECHAS A EXPERTOS Para conocer mejor este potencial escenario se realizaron varias entrevistas a profesionales de la ingeniería con estudios de alta formación a nivel de posgrado y cuya labor les otorga autoridad sobre la viabilidad de un equipo para ensayos de torsión. . El cuerpo de las entrevistas se citan como anexos al final del informe. Los entrevistados, que son docentes de la EIA (EIA) se citan a continuación: • José William Restrepo PhD. Ingeniero metalurgista doctorado en materiales, docente de planta. • José Luis Suarez Castañeda M.Sc . Ingeniero mecánico, máster en energías. Después de realizar estas entrevistas se ha llegado como conclusión: • La utilidad de un ensayo de torsión se basa en la posibilidad de tener datos que verifiquen la información consignada en fuentes bibliográficas y en la obtenida usando otros equipos de laboratorio como son durómetros o máquinas de tracción. • Una máquina de estas condiciones permitiría mostrar a estudiantes de mecánica de materiales los efectos de la torsión como cortante en sólidos cilíndricos, sirviendo como batería de ensayos para corroborar los modelos clásicos que relacionan la deformación, el esfuerzo y la relación de Poisson. La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. • Resulta determinante definir el tipo de material que se ensayará, para delimitar la potencia requerida y las dimensiones de la máquina. • Debe tratarse que la máquina de torsión sea pequeña y flexible, de fácil montaje y mantenimiento. • La confiabilidad, la seguridad y el mantenimiento son tópicos importantes que el diseñador debe tener en cuenta a la hora de afrontar el proyecto de diseño de una máquina de ensayos de torsión bajo condiciones de laboratorio. Estos mismos requisitos deben seguirse para una eventual adquisición de máquinas comerciales. Por otro lado se tuvo contacto con el Ingeniero Juan Fernando Gil quien labora como técnico laboratorista del Laboratorio de Conformación de Materiales de la Universidad Nacional de Colombia sede Medellín. El Ing.Gil viene trabajando de tiempo atrás en una máquina de ensayo de torsión (Figura 26 Máquina de torsión para ensayo de adhesivos.Figura 26) para evaluar propiedades mecánicas de adhesivos industriales. Dada la similitud morfológica y de propósito de la máquina instalada en la UN, se procedió a tomar nota de sus condiciones físicas y se pidió al señor Gil que comentara su experiencia con este dispositivo. Figura 26 Máquina de torsión para ensayo de adhesivos. 1) Motor, 2) Caja de velocidad, 3) Mandril, 4) Probeta, 5) Prensa de sujeción para bloqueo de rotación. La máquina visitada posee un servomotor SEW-EURODRIVE serie DFY 71ML/TH (Figura 27) con una velocidad nominal de 2000 rpm unido a una caja de transmisión del mismo La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. fabricante (referencia RS7DY71M1-T) con un torque de salida de 450 Nm a 24rpm. Este sistema motriz proporciona el par de torsión que se transmite a la probeta a través de una mordaza para taladros de banco modificada. El sistema se controla por medio de un driver comercial (linalquibla, 2013)unido a un computador. Toda la estructura está fijada a un banco metálico o bastidor por medio de tornillería de acero inoxidable. Los mandriles de agarre fueron para realizar ensayos con adhesivos ya que las probetas son construidas específicamente para ese tipo de pruebas. El mandril que restringe la rotación de la probeta esta sujeto a una prensa de banco fijada al bastidor mediante tornillería. (Figura 28).En las figuras 27 y 28 se aprecian detalles de los componentes de la máquina. Figura 27 Motor - reductor EURODRIVE que entrega la potencia requerida para realizar los ensayos de torsión en la máquina para ensayos en adhesivos La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. Figura 28 Mandriles para la sujeción de probeta. A la izquierda sistema móvil, a la derecha sistema de bloqueo de rotación. La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. 3.3 VALORACIÓN DE COMPONENTES COMERCIALES Con la asistencia del profesor Daniel López Montes de la EIAse realizaron pruebas del funcionamiento de un motor trifásico SIEMENS conectado con un Driver de velocidad, un PLC y un display táctil con la finalidad de evaluar las condiciones de operación de diferentes elementos comerciales que pudiesen usarse en el diseño de concepto. En el montaje se ensayaron configuraciones que permitían una adecuada operación del motor a través de su driver. Todo el montaje anteriormente mencionado es posible observarlo en la Figura 299. Figura 29 Ensayo realizado con componentes comerciales disponibles en el laboratorio de sistemas eléctricos y electrónicos en la EIA El PLC (Programmable Logic Controller) usado fue un SIMATIC S7-1200 (Figura 3030) de la empresa SIEMENS que cuenta con 6 entradas y 4 salidas digitales y 2 entradas análogas. Las dimensiones de este dispositivo son de 90 x 100 x 75 mm y se comunica a un computador mediante un puerto de comunicación Ethernet. La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. Figura 30 Controlador programable S7-1200 usado en el montaje de prueba. 1) Conector de corriente, 2) Conectores extraíbles para el cableado de usuario (detrás de las tapas), 3) Ranura para Memory Card (debajo de la tapa superior), 4) LEDs de estado para las E/S integradas, 5) Conector PROFINET (en el lado inferior de la CPU) (SIEMENS, 2013). El HMI (Human Machine Interface) que se usó fue un SIMATIC HMI KTP600 Basic color (Figura 3131) también de la empresa SIEMENS. Esta pantalla táctil cuenta con una pantalla de 5.7 pulgadas, 256 colores y una resolución de 320 x 240 pixeles. El tamaño de la parte Fontal de la pantalla es de 214 x 158 mm. Esta pantalla es programada mediante un computador conectado por medio de un cable Industrial Ethernet. Figura 31 SIMATIC HMI KTP600 Basic color (SIEMENS, 2013) La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. Como variador de velocidad fue empleado un convertidor de frecuencias SINEMATICS G110 (Figura 322) de la empresa SIEMENS, con unas medidas de 90 x 150 x 116 mm, voltaje de entrada de 230 V y una frecuencia de salida de 0 a 650 Hz Figura 32 SINEMATICS G110 (SIEMENS, 2008). El motor trifásico que se utilizó para realizar estos ensayos fue el motor de referencia 1la7 071-4ya80 (Figura 333) de la empresa SIEMENS, con una potencia de 0.6 HP, una velocidad nominal de 1680 rpm y un peso de 6Kg Figura 33 Motor de referencia 1la7 071-4ya80 La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. A partir de la prueba realizada se logró concluir que el control de las revoluciones por minuto para reproducir condiciones propias de una máquina de torsión fue posible mediante una pantalla táctil previamente programada. En todo este panorama, el uso del PLC resultó en extremo útil al simplificar el montaje garantizando la seguridad de todos los componentes. Por otro lado se observó el funcionamiento de un montaje similar pero basado en un servomotor. En las instalaciones del Laboratorio de Automatización y Control de la EIA se cuenta con un módulo de control de velocidad que cuenta con un PLC SIMATIC S7-1200 (Figura 30)y un servomotor marca Siemens 1FK7022-5AK21 (Figura 34) con una velocidad nominal de 6000 rpm y un torque de 0.6 Nm (SIEMENS, 2006). Figura 34 Motor IFK7022-5AK21 El driver usado para controlar el motor es un CU310-2PN (Figura 35) marca Siemens que cuenta con dos conexiones Profinet y una Ethernet (SIEMENS, 2012). Figura 35 Driver CU310-2PN Se constata entonces con este montaje que el control de un servomotor es posible a través de diferentes elementos comerciales como los descritos con anterioridad. La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. Para realizar una buena selección del tipo de motor que se implementará en el diseño, se compararon los motores de los montajes antes descrito a través del estudio de sus hojas técnicas. Esta tarea fue asistida por el profesor de la EIA, Ing. Daniel López Montes, conocedor del área. Como conclusión se anota lo siguiente: • En algunos motores trifásicos el torque a bajas velocidades está por debajo del torque de servicio, en cambio en todos los servomotores se registran máximos torques. En la Figura 36 se observan gráficas de momento contra velocidad para tipos de motores proporcionada por el fabricante. • Figura 36 A) curvas Momento contra Velocidad para servomotor 1FK7022-5AK21, B) curvas Momento contra Velocidad para un motor trifásico ABB • Los motores trifásicos a bajas velocidades tienden a subir su temperatura a niveles no deseados lo que requeriría colocar un sistema de ventilación en la máquina que se desea diseñar. • En general los servomotores poseen un menor factor de deslizamiento comparado con los motores trifásicos los que conlleva a que estos tengan una mayor precisión al momento de detenerse. • Comparando el costo de estos motores y de sus respectivos drivers se concluye que el precio de los servomotores supera al de los motores trifásicos. • La corriente de arranque de los motores trifásicos es relativamente alta lo que hace que los servomotores tengan un mayor ahorro de energía. La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. • Con respecto al tamaño, los servomotores comparados con los motores trifásicos son pequeños lo que resulta útil para el ahorro de espacio en el diseño. • El uso de una caja de transmisión posibilita, además de la amplificación del par transmitido, una protección mecánica para el motor en caso de sobrecarga. Por todo lo anterior se recomienda para la etapa de selección de soluciones el uso de servomotores en el diseño propuesto. 3.4 LISTA DE NECESIDADES: Con la información recolectada, entrevistas realizadas y ensayos hechos se propusieron una serie de necesidades. Tabla 1 lista de necesidades. Núm. Elemento Necesidad import 1 La máquina Permite pruebas en diferentes tamaños de probetas 4 2 La máquina Permite pruebas con probetas solidas y huecas 4 3 La máquina Debe registrar angulo de torsión 5 4 La máquina Debe registrar punto de fractura 4 5 La máquina Debe mostrar las curvas de resistencia 3 6 La máquina Debe girar en ambos sentidos 3 7 La máquina Debe ser faci l de montar y desmontar la probeta 3 8 La máquina Debe ser faci l de l impiar 2 9 La máquina De ser de faci l mantenimiento 2 10 La máquina Debe poseer diferentes mecanismos de seguridad 3 11 La máquina Debe producir poco ruido 1 12 La máquina Debe ser faci l de posicionar en el sitio de trabajo 2 13 La máquina Se debo poder mantener con herramientas fáci lmente disponibles 2 14 La máquina No se debe deteriorar con la suciedad 2 15 La máquina Debe tener un aspecto fisico agradable 1 La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. 3.5 LISTA DE MEDIDAS: Después de hacer una análisis a las especificaciones del producto se obtiene la lista de medidas que se observa en la Tabla 1 los valores presentados en esta solo son un estimado de aproximaciones que servirán de guía para el desarrollo del proyecto Tabla 2 Lista de medidas. Núm Medida Unidades 1 Barras solidas de maximo 50 mm de diametro como probetas mm 2 Par maximo 200 Nm Nm 3 Espesor en paredes de tubo maximo 5 mm en probetas mm 4 Longitud de probetas entre 50 mm a 450 mm mm 5 Giros infinitos de la maquina grados 6 Tiempo de montaje de probeta < 2 minutos minutos 7 Registra angulo de torsion entre 0° y 360 ° grados 8 Registra punto de fractura entre 0° y 360 ° grados 9 Nivel de riudo producido por la maquiña < 40 db Db 10 Tiempo de instalacion en lugar de trabajo 15 minutos minutos A partir de la información consignada en las tablas 1 y 2 es posible establecer una relación adecuada entre las Necesidades y las Medidas para una fácil visualización de las características que debe tener la máquina de ensayos de torsión. Esta estrategia va encaminada a crear una lista de especificaciones de producto, las cuales conforman la guía de navegación para el proyecto. La tabla que establece estas relaciones se muestra a continuación: La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. Tabla 3 Matriz necesidades/medidas Matriz necesidades/medidas Permite pruebas en diferentes tamaños de probetas Permite pruebas con probetas so lidas y huecas Debe registrar angulo de torsión Debe registrar punto de fractura Debe mostrar las curvas de resistencia Debe girar en ambos sentidos Debe ser facil de montar y desmontar la probeta Debe ser facil de limpiar De ser de facil mantenimiento Debe poseer diferentes mecanismos de seguridad Debe producir poco ruido Debe ser facil de posicionar en el sitio de trabajo Se debo poder mantener con herramientas fácilmente disponibles La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. 3.6 LISTA DE ESPECIFICACIONES: Tabla 4 Lista de especificaciones. Núm. Especificación 1 La máquina puede ensayar diferentes tamaños de probetas. 2 La máquina puede ensayar probetas cilíndricas. 3 La máquina registra ángulo de torsión de la probeta con precisión menor a 1° 4 La máquina está constituida con elementos y componentes comerciales en su mayoría. 5 La probeta es de fácil montaje. 6 La máquina tiene carcasa de protección al usuario. 7 La máquina tiene una comunicación sencilla con el usuario. 8 La máquina aplica un torque máximo de 200Nm. 9 La máquina no supera una altura de 2 metros. 3.7 GENERACION DE CONCEPTO: La generacion del concepto esta dada por los siguientes esquemas de caja negra y diagrama de funciones. 3.7.1 Caja Negra En la figura 37 se muestra el esquema de caja negra propuesta para el proyecto de diseño del dispositivo de ensayos de torsión. Figura 37 Esquema de Caja negra planteada para el proyecto de diseño La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. 3.7.2 Diagrama de funciones En la figura 38 se muestra el esquema de caja transparente propuesta para el proyecto de diseño del dispositivo de ensayos de torsión en donde es posible visualizar todas las funciones y las interacciones de materia, energía y señal. Figura 38. Diagrama de funciones del dispositivo La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN: • Dirigir sistema de sujeción: Esta alternativa de solución cumple la función de realizar un movimiento longitudinal el sistema de sujeción de la probeta para ser ensayado. Tabla 5 Alternativas de solución para la función Dirigir Sistema de Sujeción. Alternativa de solución Definición: Figura 39 tornillo de bolas Tornillo de potencia: Este sistema transforma la energía rotacional en lineal con la función de crear un desplazamiento para la fácil sujeción de la pieza. Figura 40 sistema engrane cremallera Piñón cremallera: Este convierte el movimiento circular de piñón en un movimiento lineal en la cremallera. Figura 41 Riel lineal (Drylin, 2013). Riel lineal: Riel para el desplazamiento manual de la maquina con la ventaja de ser fácil de implementar y ahorro de espacio y costos. Estos rieles pueden incluir frenos para evitar desplazamientos involuntarios. La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. • Asegurar probeta: Este consiste en la forma de sujeción la probeta a la máquina para poder transmitir el par de torsión. Tabla 6 Alternativas de solución para asegurar la probeta. Alternativa de solución Definición: Figura 42 Mandril de 3 mordazas Mandril de 3 mordazas auto-centrante: Diseñados para sujetar piezas cilíndricas simétricas respecto al eje de rotación. Cada una de las tres mordazas cierra simultáneamente para logran una buena sujeción de la pieza colocada en el eje de rotación. El cierre se realiza por medio de una llave que mueve todas las mordazas al tiempo para cumplir la función de auto centrado. Figura 43 Mandril de 4 mordazas Mandril de 4 Mordazas auto-centrante: Similar al anterior, este sistema se diferencia en el uso de otro elemento de sujeción que garantiza mayor fijación. El sistema también es autocentrante. Figura 44 Mandril de 6 mordazas Mandril de 6 mordazas auto-centrante: La alternativa de 6 mordazas puede evitar deslizamientos rotacionales innecesarios sujetando algunos tipos de geometrías que con menos mordazas no se podrían evitar. El sistema también es autocentrante. La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. • Transformar energía eléctrica a mecánica: En este ítem se consideran los diferentes motores usados para trasformar energía eléctrica a mecánica Tabla 7 Alternativas de solución para transformar energía electica a mecánica Alternativa de solución Definición: Figura 45 Motor DC (directindustry, 2013). Motor DC: Este tipo de motor está compuesto por dos partes, el estator donde se encuentran los polos y el rotor donde llega la corriente por medio de escobillas. Este tipo de motor es común y su precio no es muy elevado con respecto a los demás. Figura 46 Motor trifásico (Nicolini, 2013). Motor trifásico con variador de velocidad: Este tipo de motor funciona con corriente alterna, por medio de tres fases R, S y T, y al crear campos magnéticos en el eje del motor se crea un giro. El variador de velocidad se usa para obtener la velocidad necesaria que se necesite emplear en el sistema. Figura 47 Motor paso a paso (Omron, 2013) Motor paso a paso: “ Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos.” (Unal, 2012) Este tipo de motor está normalmente constituido por un rotor que tiene aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator. Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. (Unal, 2012) La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. • Transformar Energía Eléctrica en Continua: Con este se transforma la energía eléctrica alterna proveniente del tomacorriente a eléctrica continua necesaria para el funcionamiento de algunos dispositivos eléctricos. Tabla 8 Alternativas de solución para transformar energía eléctrica en continua. Alternativa de solución Definición: Figura 48 Transformador (Instituto Latinoamericano de la Comunicación Educativa, 2013) Transformador: “El transformador es un dispositivo que permite modificar potencia eléctrica de corriente alterna con un determinado valor de tensión y corriente en otra potencia de casi el mismo valor pero, generalmente con distintos valores de tensión y corriente.” (Álvarez, 2009) • Encender /apagar: Dispositivo encargado de encender y apagar el equipo. Tabla 9 Alternativas de solución para Encender y apagar máquina. Alternativa de solución Definición: Figura 49 Interruptor (Cetronic) Interruptor: “ El propósito de un interruptor es permitir la apertura y el cierre de un circuito eléctrico de forma segura y conveniente. Existen también interruptores activados automáticamente por luz, calor presión, movimiento, magnetismo corriente y otras variables.” (Universidad Nacional de Colombia, 2013) La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. • Ingresar valores: Los valores de los parámetros del sistema son ingresados al sistema por medio de una interfaz usuario-máquina. Tabla 10 Alternativas de solución para el ingreso de valores. Alternativa de solución Definición: Figura 50 Teclado numérico (Shenzhen Sunson Tech Co, 2013) Teclado numérico: Periférico diseñado para interactuar con el operario por medio de teclas pulsátiles predispuestas en este. Según el diseño puede variar el número de botones y la distribución que tengan. Figura 51 Pantalla táctil (Pro-face, 2013) Pantalla táctil: Este dispositivo para ingreso de variables tiene la opción de entrada y retorno de valores por medio de la interacción del usuario directamente con esta. Su configuración puede variar según la previa programación, el costo de esta varía según el tamaño, los colores y la marca. La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. • Mostrar datos: Para mostrar los datos del proceso se utiliza uno de los siguientes dispositivos Tabla 11 Alternativas de solución para mostrar datos Alternativa de solución Definición: Figura 52 Pantalla táctil (Pro-face, 2013) Pantalla táctil: Este dispositivo muestra los datos de salida del proceso pero a su vez el usuario tiene la posibilidad de interactuar directamente con ella. Figura 53 Pantalla no táctil (ac- servodriver, 2013) Pantalla no táctil industrial: Encargada de mostrar los parámetros de salida del sistema pero sin la opción de interactuar directamente con ella. El valor comercial de esta depende del tamaño, el número de colores y la marca del producto. La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. • Controlar par aplicado: Es necesario controlar la velocidad de rotación que se aplica a la probeta, por esta razón se utiliza uno de los siguientes dispositivos. Tabla 12 Alternativas de solución para controlar par aplicado Alternativa de solución Definición: Figura 54 PLC (Siemens, 2013) PLC (Controlador Lógico Programable): Los PLC tienen un campo de aplicación muy extenso desde instalaciones en donde es necesario un proceso de maniobra, control, señalización, etc., por tanto, su aplicación abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a transformaciones industriales, control de instalaciones, etc. (Universidad Nacional de Córdoba, 2012) Figura 55 Microcontrolador (microchip, 2013) Microcontrolador: “ Un microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: unidad central de procesamiento, memoria y unidades de E/S (entrada/salida).” (Moreno Cabrera & Barroso Cabrera, 2010) Figura 56 computador industrial Computador industrial: Los computadores son el dispositivo más potente para ejecutar el control del sistema y es relativamente sencillo conseguir uno. El costo de estos depende de la capacidad, la velocidad y la marca. La información presentada en este documento es de exclusiva responsabilidad de los autores y no compromete a la EIA. • Registrar variables: Se implementan sensores para determinar el ángulo de torsión de la probeta en el momento de ser ensayada Tabla 13 Alternativas de solución para registrar variables. Alternativa de solución Definición: Figura 57 Encoder absoluto (Dynapar, 2013) Encoder Absoluto: Entrega una posición absoluta en ángulo. Este dato se compone de un código digital binario, que corresponde a una única posición, de tal forma que en caso de una pérdida de alimentación el encóder absoluto sigue manteniendo el valor de su posición, sin necesidad de reposicionar hasta un origen conocido (Sensing, 2013). Figura 58 Encoder magnético Encoder magnético: “ Generalmente hablamos de ruedas magnéticas de varios diámetros que tienen un código grabado de forma magnética. Este código es leído e interpretado por el cabezal que recoge esos impulsos magnéticos” (Sensing, 2013). Figura 59 Encoder incremental (elap, 2013) Encoder incremental: “ La señal de salida es un tren de pulsos, que según la resolución, contará con más o menos pulsos en cada vuelta. Al tratarse de un tren de pulsos, no es un posicionamiento absoluto, por lo que la pérdida de la alimentación, se traduce en la pérdida de posición, teniendo que reposicionar el elemento para el siguiente ciclo de operación.” (Sensing, 2013) Estos son relativ