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Dise�o y validaci�n de una m�quina para ensayos a tracci�n de probetas de resinas polim�ricas impresas en 3D

 

Design and validation of a machine for tensile testing of 3D printed polymer resin specimens

 

Projeto e valida��o de uma m�quina para testes de tra��o de amostras de resina polim�rica impressas em 3D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: jorge.bunay@espoch.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnica y Aplicadas ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de mayo de 2023 *Aceptado: 12 de junio de 2023 * Publicado: �11 de julio de 2023

 

1. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica. Riobamba, Ecuador.
2. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica. Riobamba, Ecuador.
3. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica. Riobamba, Ecuador.�������
4. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Facultad de Mec�nica. Riobamba, Ecuador.

Resumen

El presente proyecto t�cnico tuvo como objetivo presentar el dise�o y validaci�n de una m�quina para ensayos a tracci�n de probetas de resinas polim�ricas impresas en 3D. El compendio de material bibliogr�fico permiti� presentar los principales par�metros de dise�o, con una capacidad m�xima establecida de 10 kN y un desplazamiento de 305 mm. Se emple� la metodolog�a del dise�o concurrente ocasionando la descomposici�n de cada una de las posibles alternativas mediante la aplicaci�n que pertenece al procedimiento de despliegue de la funci�n de calidad QFD. El sistema de sujeci�n de probetas mediante la selecci�n de mordazas manuales tipo cu�a con capacidad de 5 kN. El sistema de conversi�n de carga con buena precisi�n y repetibilidad de tipo Xforce HP Load Cell. La medici�n de cuanto varia la extensi�n de las probetas sometidas a prueba mediante el dispositivo Clip on Extensometer 5025-1. La pantalla de un computador donde permite la visualizaci�n de resultados. Los componentes mec�nicos se dise�aron mediante c�lculo anal�tico por resistencia mec�nica y rigidez, integrando la modelaci�n en el programa SolidWorks y la aplicaci�n del m�todo de elementos finitos en el programa ANSYS, el cu�l facilit� la validaci�n de los valores obtenidos en el c�mputo de dise�o. Se realizaron cinco ensayos sobre las probetas de resina ingenieril con la geometr�a que establece la norma ASTM D 638 para la determinaci�n de las principales propiedades de tracci�n en materiales polim�ricos con un esfuerzo ultimo de tracci�n equivalente a 48,561 MPa. El an�lisis del tipo de fractura corrobora si el material presenta un comportamiento fr�gil o d�ctil. La simulaci�n est�tica de la m�quina permiti� verificar que es un dise�o funcional y confiable.

Palabras Clave: Rigidez; Software; M�quina A Tracci�n; Ensayo de Tracci�n; Resina Ingenieril.

 

Abstract

The objective of this technical project was to present the design and validation of a machine for tensile testing of 3D printed polymeric resin specimens. The compendium of bibliographic material made it possible to present the main design parameters, with an established maximum capacity of 10 kN and a displacement of 305 mm. The concurrent design methodology was used, causing the decomposition of each of the possible alternatives through the application that belongs to the deployment procedure of the QFD quality function. The specimen clamping system through the selection of wedge-type manual clamps with a capacity of 5 kN. The load conversion system with good accuracy and repeatability of the Xforce HP Load Cell type. The measurement of how much the extension of the specimens under test varies by means of the Clip on Extensometer 5025-1 device. The screen of a computer where it allows the visualization of results. The mechanical components were designed by means of analytical calculation for mechanical resistance and rigidity, integrating the modeling in the SolidWorks program and the application of the finite element method in the ANSYS program, which facilitated the validation of the values obtained in the design computation. Five tests were carried out on the engineering resin specimens with the geometry established by the ASTM D 638 standard for the determination of the main tensile properties in polymeric materials with an ultimate tensile stress equivalent to 48,561 MPa. The analysis of the type of fracture corroborates if the material presents a brittle or ductile behavior. The static simulation of the machine allowed to verify that it is a functional and reliable design.

Keywords: Rigidity; Software; Traction Machine; Tensile test; Engineering Resin.

 

Resumo

O objetivo deste projeto t�cnico foi apresentar o projeto e valida��o de uma m�quina para ensaios de tra��o de corpos de prova de resina polim�rica impressos em 3D. O comp�ndio de material bibliogr�fico permitiu apresentar os principais par�metros de projeto, com capacidade m�xima estabelecida de 10 kN e deslocamento de 305 mm. Foi utilizada a metodologia de design concorrente, provocando a decomposi��o de cada uma das alternativas poss�veis atrav�s da aplica��o pertencente ao procedimento de implanta��o da fun��o qualidade do QFD. O sistema de fixa��o do corpo de prova atrav�s da sele��o de grampos manuais tipo cunha com capacidade de 5 kN. O sistema de convers�o de carga com boa precis�o e repetibilidade do tipo Xforce HP Load Cell. A medi��o de quanto varia a extens�o dos corpos de prova sob teste por meio do aparelho Clip on Extensometer 5025-1. A tela de um computador onde permite a visualiza��o dos resultados. Os componentes mec�nicos foram projetados por meio de c�lculo anal�tico de resist�ncia mec�nica e rigidez, integrando a modelagem no programa SolidWorks e a aplica��o do m�todo dos elementos finitos no programa ANSYS, o que facilitou a valida��o dos valores obtidos no c�lculo do projeto . Cinco ensaios foram realizados em corpos de prova de resina de engenharia com a geometria estabelecida pela norma ASTM D 638 para a determina��o das principais propriedades de tra��o em materiais polim�ricos com tens�o de ruptura de tra��o equivalente a 48.561 MPa. A an�lise do tipo de fratura corrobora se o material apresenta comportamento fr�gil ou d�ctil. A simula��o est�tica da m�quina permitiu verificar que se trata de um projeto funcional e confi�vel.

Palavras-chave: Rigidez; Programas; M�quina de Tra��o; Teste de tra��o; resina de engenharia.

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Introducci�n

• Ensayos de tracci�n en pol�meros

Los ensayos de tracci�n sobre pol�meros son realizados con la finalidad de estudiar las propiedades mec�nicas que constantemente se ven mejoradas mediante experimentaci�n sobre compuestos polim�ricos, de forma que, proporcionen informaci�n exacta sobre la resistencia y la tenacidad de �stos. Los pol�meros permiten la creaci�n de elementos de gran resistencia mec�nica, a temperatura, d�ctiles y ligeros, como la fibra de carbono. La aplicaci�n de este tipo de ensayos se centra natural y espec�ficamente sobre la determinaci�n de los esfuerzos y la matriz termoestable (Nava et al., (2018).

• Diagrama esfuerzo � deformaci�n unitaria

Los resultados de las deformaciones unitarias axiales, correspondientes al promedio de E, es dividido por el estiramiento resultante �y de acuerdo con la longitud de calibraci�n. Posteriormente, se realiza el mencionado diagrama, el cual refleja la capacidad del material seg�n las propiedades mec�nicas que posee, adem�s del comportamiento al interactuar con cargas. La gr�fica inicia con el se�alamiento de una l�nea trazada y proporcional entre los esfuerzos generados, desde un origen hasta un punto A, correspondiente al l�mite de proporcionalidad, dichos puntos interrelacionan los esfuerzos y la deformaci�n unitaria resultante (An�lisis te�rico-pr�ctico de esfuerzos y por elementos finitos de un ensayo de tracci�n, 2018 p�gs. 42-55).

Ilustraci�n 1. Curvas tensi�n - deformaci�n para materiales: a) d�ctiles y b) fr�giles.

Fuente: (Ruiz, y otros, 2015)

• Ensayos de tracci�n en resinas polim�ricas de acuerdo con la norma ASTM D 638

De acuerdo con P�rez et al., (2021 p�gs. 1-6), uno de los ensayos m�s practicados en el mundo es el de tracci�n. Este ensayo da la oportunidad de generar informaci�n relacionado al comportamiento mec�nico del material en tratamiento. Su funcionamiento est� basado en la deformaci�n de un material llev�ndolo hasta su rotura mediante la aplicaci�n de una fuerza. La fuerza aplicada es del tipo uniaxial. Para pol�meros es necesario utilizar una m�quina de 50kN las misma es apta para ensayar materiales como cables, cer�micos, textiles, entre otros.

El procedimiento del ensayo consiste en aplicar una carga secuencialmente a la pieza que esta sujetada la muestra a las mordazas de la maquina universal. De esta manera podemos obtener los datos solicitados para caracterizar un material mec�nicamente. En el caso de los pol�meros, la norma que regula este ensayo es la ASTM D 638 (An�lisis te�rico-pr�ctico de esfuerzos y por elementos finitos de un ensayo de tracci�n, 2018 p�gs. 42-55).

• Proceso de impresi�n 3D para resinas polim�ricas

La principal tecnolog�a de impresi�n 3D de pol�meros m�s utilizada es la impresi�n 3D de modelado por deposici�n fundida (FDM): este tipo de impresi�n construyen piezas al derretir y extrudir un filamento termopl�stico que un extrusor deposita capa por capa en el �rea de impresi�n (Aplicaciones biom�dicas actuales de la impresi�n 3D y fabricaci�n aditiva, 2020 p�gs. 23-34).

• Estereolitograf�a

La fabricaci�n de piezas o prototipos funcionales con un buen acabado superficial que son totalmente adaptables y personalizadas sin la necesidad de utilizar moldes se ha hecho a cabo gracias a la tecnolog�a 3D de estereolitograf�a o tambi�n llamado SLA.

La estereolitograf�a (SLA) es un tipo de fabricaci�n 3D que usa un l�ser de luz ultravioleta para fusionar y unir peque�as part�culas de resina foto curables, capa a capa, hasta finalizar la estructura tridimensional. Dependiendo de la geometr�a, puede ser necesario la impresi�n de material soporte para evitar que se colapse el dise�o durante su fabricaci�n. Este, se elimina posteriormente una vez acabada la pieza. Para ciertas resinas t�cnicas, las piezas impresas son sometidas a un post-curado ultravioleta para mejorar sus propiedades mec�nicas y t�rmicas. (Solutions, 2019)

• Tipos de resinas para ensayos a tracci�n

• La resina est�ndar es la resina m�s com�n utilizada para crear prototipos que se imprimen r�pidamente en impresoras 3D de pl�stico. Se trata de pl�sticos muy gen�ricos, ya que suelen ser utilizados por muchos usuarios diferentes para iniciarse en el mundo de la impresi�n 3D de pl�sticos, entre cuyas propiedades se encuentran: 50 - 65 MPa respecto al m�dulo de tracci�n, resistencia a bajas temperaturas, alargamiento y rotura limitada.
• Los pl�sticos industriales r�gidos contin�an desarroll�ndose conforme avanza la tecnolog�a, ya que los pl�sticos previos tienen una alta fragilidad y malas propiedades mec�nicas y t�rmicas. Por esta raz�n, la impresi�n 3D de resina no se ha utilizado mucho en �reas industriales como la fabricaci�n de componentes, incluso en joyer�a, entre cuyas propiedades se encuentran: 35 - 55 MPa respecto al m�dulo de tracci�n, resistencia a bajas y medias temperaturas, alargamiento muy deficiente y presencia de rotura prematura debido a que se trata de un material r�gido.
• The Special Engineering Resin es un material de caracter�sticas id�neas para aplicaciones ingenieriles, el cual resalta por la gran resistencia y rigidez ofrecida, entre cuyas propiedades se encuentran: 60 - 75 MPa respecto al m�dulo de tracci�n, resistencia a altas temperaturas, y mejora amplia de la resistencia a la flexi�n, alargamiento y rotura, adem�s, es capaz de admitir resoluciones de 100 y 50 micras, en comparaci�n con el resto de las resinas comerciales para tales fines, cabe mencionar que se debe tener en cuidado en el momento de la manipulaci�n ya que resulta ser t�xica.

Ilustraci�n 2. Propiedades de la resina ingenieril.

Fuente: (Filament2print, 2022).

• Clase de probetas de resina seg�n norma ASTM D - 638

Seg�n la norma ASTM D 638 (Standard test Method for Tensile Properties of Plastics), la caracterizaci�n de las probetas utilizadas en los ensayos de tracci�n de origen resinoso, guardan configuraci�n en forma de hueso de perro o de forma recta, dependiendo del tipo de compuesto o el grosor de la muestra, evidenciadas en la ilustraci�n 8-2 (Impresi�n 3D con Materiales Elastom�ricos, 2019 p�gs. 5-15).

Ilustraci�n 3. Probeta para ensayo de tracci�n

Fuente: (ASTM D - 638)

Hay cinco tipos de muestras permitidas para la norma ASTM D 638 que difieren en tama�o seg�n el grosor de la muestra y la cantidad de material disponible. Los m�s utilizados son los espec�menes Tipo I, que tienen un espesor de 3,2 mm y generalmente se crean mediante moldeo por inyecci�n. Las muestras de tipo I tienen una longitud total de 165 mm y un ancho de 13 mm, con una longitud de referencia de 50 mm. Las muestras planas normalmente se moldean, troquelan o mecanizan en forma de "hueso de perro" o "pesa", lo que garantiza que la rotura se produzca en el centro de la muestra y no en las �reas de sujeci�n. Adem�s de las muestras planas, la norma ASTM D 638 tambi�n permite la prueba de tubos y varillas r�gidos, los cuales tambi�n deben mecanizarse en forma de hueso de perro. En los casos en que el material es limitado, muchos laboratorios utilizar�n espec�menes Tipo IV o Tipo V. Las dimensiones requeridas para los espec�menes Tipo IV son las mismas que las requeridas para el troquelado C de la norma ASTM D 412, lo que significa que se puede usar el mismo troquelado. Los espec�menes tipo V son los m�s peque�os, con una longitud de calibre de solo 0,3 pulg.

A continuaci�n, son se�aladas las dimensiones de la probeta:

Tabla 1. Dimensiones seg�n norma ASTM D 638 para probetas tipo I

Fuente: (ASTM D - 638)

• Desarrollo de los ensayos de tracci�n de acuerdo con la norma ASTM D - 638

Debido a que existen similitud entre el car�cter de orden de procedimientos entre la instalaci�n de las probetas y toma de datos en los laboratorios de resistencia de materiales, se plantea la siguiente progresi�n de pasos (Progreso de la Impresi�n 3D de Dispositivos M�dicos, 2020 p�gs. 151-166):

• Medici�n del espesor y ancho de la probeta a intervenir.
• Verificar el ajuste de las mordazas instaladas, de manera de evitar el deslizamiento de la probeta.
• Establecer la velocidad de progresi�n para la tracci�n sobre la probeta. Normalmente la misma logra alcanzar los 0.5 a los 5 minutos luego de iniciar el ensayo.
• Asegurar las condiciones atmosf�ricas para la realizaci�n del ensayo, teniendo en cuenta: atmosfera del lugar a 23 � � 2 �C (73,4 � 3.6 �F) hasta 50 � 5 % respecto de la humedad relativa.
• El n�mero de probetas a intervenir deber� regularse de acuerdo con la naturaleza isotr�pica o anisotr�picas de los mismos, procurando disponer de 5 para el primer caso y 10 para el segundo.
• Registrar la deformaci�n y cargas en cada punto, especialmente al inicio y al final al generarse la ruptura.
• Evitar la toma equivoca de informaci�n mediante la cancelaci�n del procedimiento.

Aplicar las t�cnicas adecuadas para la evaluaci�n de alternativas encamina que el dise�o escogido sea el m�s �til, eficiente y viable.

Metodologia

• Matriz Quality Function Deployment o QFD

Es una t�cnica conocida como la casa de la calidad, utilizada con mayor frecuencia para perfeccionar dise�os funcionales sobre m�quinas o productos de ingenier�a, a trav�s de la repotenciaci�n y actualizaci�n de aspectos t�cnicos de acuerdo con solicitudes de una gama clientelar (Lorenzo et al., (2004).

La base fundamental de la t�cnica se centra en dos aspectos o variables sobre los dise�os, conocidos como la voz del usuario y la voz del ingeniero, las cuales adoptan los roles de quienes realizan los movimientos financieros sobre los productos o proyectos y el grupo que determinar la actualizaci�n de las caracter�sticas t�cnicas, respectivamente (Lorenzo et al., (2004).

• Matriz Morfol�gica

La matriz morfol�gica es una t�cnica de innovaci�n que persigue el desglose conceptual de los elementos en estudio hasta alcanzar extremos b�sicos y simplificados de los mismos, de forma que permitan el replanteamiento del dise�o conceptual para explotar nuevas oportunidades sobre el producto o elementos, anexar nuevos materiales al dise�o o reconfigurarlas ventajas esquem�ticas.

La t�cnica se vale de la siguiente sucesi�n de fases para implementarse:

• Definir la problem�tica.
• Identificar los par�metros de dise�o.
• Construcci�n de la matriz morfol�gica.
• Combinar posibilidades.
• Evaluar las oportunidades detectadas.

A continuaci�n, se se�al� un ejemplo de matriz morfol�gica aplicada al proceso de doblado:

Ilustraci�n 4. Matriz morfol�gica sobre un proceso de doblado

Fuente: (Mentorday, 2020).

Lo correspondiente a la matriz morfol�gica conlleva a una combinaci�n de ideas que principalmente busca descomponer un concepto en elementos esenciales o estructuras b�sicas.

An�lisis de alternativas:

Alternativa 1�

Alternativa 2

Alternativa 3

• An�lisis de alternativas m�dulo 1

El m�dulo 1 es pertinente a la fase inicial que realiza la m�quina de tracci�n en resinas polim�ricas. Se consideraron los par�metros m�s importantes para analizar en esta fase: tipo de estructura, tipo de accionamiento, movimiento de la mordaza m�vil, fijaci�n de la mordaza m�vil y ajuste de la probeta de resina polim�rica. En la figura se muestran las posibles alternativas de soluci�n.

Ilustraci�n 5. Matriz morfol�gica an�lisis m�dulo 1

Realizado por: Autores. 2022

• Evaluaci�n de alternativas m�dulo 1

Adquiridas las alternativas de soluci�n para el m�dulo 1 se realiza la respectiva evaluaci�n tomando en cuenta los siguientes criterios.

• Operaci�n
• Costo
• Funcionalidad
• Seguridad

Tabla 2. Conclusi�n de evaluaci�n de criterios m�dulo 1

Realizado por: Autores. 2022

Mediante los resultados arrojados en la tabla 2, se determina que la opci�n m�s viable para esta m�quina es la alternativa 2.

• An�lisis de alternativas m�dulo 2

Lo que refiere al m�dulo 2 es el procedimiento inicial del ensayo a tracci�n, para lo cual se consider� el control del sistema, movimiento del sistema, reducci�n de la velocidad y controlador del motor. En la figura se muestran las posibles alternativas de soluci�n.

Ilustraci�n 6. Matriz morfol�gica an�lisis m�dulo 2

Realizado por: Autores. 2022

• Evaluaci�n de alternativas m�dulo 2

Adquiridas las alternativas de soluci�n para el m�dulo 2 se realiza la respectiva evaluaci�n tomando en cuenta los siguientes criterios.

• Adaptabilidad
• Costo
• Disponibilidad
• Lenguaje de programaci�n

Tabla 3. Conclusi�n de evaluaci�n de criterios m�dulo 2

Realizado por: Autores. 2022

Mediante los resultados arrojados en la tabla 3, se determina que la opci�n m�s viable para esta m�quina es la alternativa 1.

• An�lisis de alternativas m�dulo 3

Finalmente, en el m�dulo 3 se considera el proceso del ensayo a tracci�n junto con la visualizaci�n de los resultados al finalizar el ensayo. En este m�dulo espec�ficamente se eval�a la interacci�n hombre � m�quina. Tres de las funciones m�s principales son: Sensor para esfuerzos a tracci�n, sensor para deformaci�n unitaria y Observaci�n de resultados. En la figura se muestran las posibles alternativas de soluci�n.

Ilustraci�n 7. Matriz morfol�gica an�lisis m�dulo 3

Realizado por: Autores. 2022

• Evaluaci�n de alternativas m�dulo 3

Obtenidas las alternativas de soluci�n para el m�dulo 3 se realiza la respectiva evaluaci�n tomando en cuenta los siguientes criterios.

• Sensibilidad
• Exactitud
• Costo

Tabla 4. Conclusi�n de evaluaci�n de criterios m�dulo 3

Realizado por: Autores. 2022

Mediante los resultados arrojados en la tabla 4, cabe recalcar que los valores entre la alternativa 2 y 3 son muy cercanos y se pudiera elegir cualquiera de las dos opciones, pero mediante un an�lisis de costos nos beneficiar� para esta m�quina la alternativa 2.

• Resultados
• Valores obtenidos de los diferentes criterios de dise�o para las columnas principales 1 y 2

De acuerdo con el an�lisis efectuado en el marco metodol�gico en donde se efect�a los c�lculos pertinentes al dise�o de las columnas principales 1 y 2, se presentan a continuaci�n, una tabla comparativa de los valores validados anal�ticamente y mediante el software CAD (ANSYS).

Tabla 5. Valores calculados por resistencia mec�nica

Realizado por: Autores. 2022

Ilustraci�n 8. Carga critica en las columnas principales 1 y 2

Realizado por: Autores. 2022

De acuerdo con el an�lisis efectuado en el marco metodol�gico y en base del dise�o de resistencia mec�nica se maneja los esfuerzos normales de compresi�n, flexi�n y equivalente de las columnas principales 1 y 2 as� se presentan a continuaci�n una tabla comparativa de los valores validados anal�ticamente y mediante el software CAD (ANSYS).

Tabla 6. Valores calculados por esfuerzos combinados

Realizado por: Autores. 2022

Ilustraci�n 9. Esfuerzo equivalente de Von-Mises de las columnas principales 1 y 2

Realizado por: Autores. 2022

Ilustraci�n 10. Factor de seguridad de las columnas principales 1 y 2

Realizado por: Autores. 2022

• Valores obtenidos por rigidez columnas principales 1 y 2

De acuerdo con el an�lisis efectuado en el marco metodol�gico y en base del dise�o de resistencia mec�nica se maneja el dise�o por rigidez de las columnas principales 1 y 2 as� se presentan a continuaci�n una tabla comparativa de los valores validados anal�ticamente y mediante el software CAD (ANSYS).

Tabla 7. Valores calculados por rigidez

Realizado por: Autores. 2022

Ilustraci�n 11. Deformaci�n direccional (eje X) de las columnas principales 1 y 2

Realizado por: Autores. 2022

Ilustraci�n 12. Deformaci�n direccional (eje Y) de las columnas principales 1 y 2

Realizado por: Autores. 2022

• Valores obtenidos de los diferentes criterios de dise�o para las columnas internas 3 y 4

De acuerdo con el an�lisis efectuado en el marco metodol�gico 1 en donde se efect�a los c�lculos pertinentes al dise�o de las columnas internas 3 y 4, se presentan a continuaci�n, una tabla comparativa de los valores validados anal�ticamente y mediante el software CAD (ANSYS).

Tabla 8. Valores calculados de esfuerzo combinados

Realizado por: Autores. 2022

Ilustraci�n 13. Esfuerzo equivalente de Von-Mises de las columnas internas 3 y 4

Realizado por: Autores. 2022

Ilustraci�n 14. Factor de seguridad de las columnas internas 3 y 4

Realizado por: Autores. 2022

• Valores obtenidos por rigidez columnas internas 3 y 4

De acuerdo con el an�lisis efectuado en el marco metodol�gico y en base del dise�o de resistencia mec�nica se maneja el dise�o por rigidez de las columnas principales 3 y 4 as� se presentan a continuaci�n una tabla comparativa de los valores validados anal�ticamente y mediante el software CAD (ANSYS).

Tabla 9. Valores calculados por rigidez

Realizado por: Autores. 2022

Ilustraci�n 15. Deformaci�n direccional (eje X) de las columnas internas 3 y 4

Realizado por: Autores. 2022

Ilustraci�n 16. Deformaci�n direccional (eje Y) de las columnas internas 3 y 4

Realizado por: Autores. 2022

• Valores obtenidos de los diferentes criterios de dise�o para la viga fija 5

De acuerdo con el an�lisis efectuado en el marco metodol�gico y en base del dise�o de resistencia mec�nica se maneja los esfuerzos normales de compresi�n, flexi�n y equivalente de la viga fija 5 as� se presentan a continuaci�n una tabla comparativa de los valores validados anal�ticamente y mediante el software CAD (ANSYS).

Tabla 10. Valores calculados por resistencia

Realizado por: Autores. 2022

Ilustraci�n 17. Esfuerzo equivalente de Von-Mises de la viga fija 5

Realizado por: Autores. 2022

Ilustraci�n 18. Factor de seguridad de la viga fija 5

Realizado por: Autores. 2022

• Valores obtenidos por deformaci�n de la viga fija 5

De acuerdo con el an�lisis efectuado en el marco metodol�gico y en base del dise�o de resistencia mec�nica se maneja el dise�o por rigidez de la viga fija 5 as� se presentan a continuaci�n una tabla comparativa de los valores validados anal�ticamente y mediante el software CAD (ANSYS).

Tabla 11. Valores calculados para la deformaci�n

Realizado por: Autores. 2022

Ilustraci�n 19. Deflexi�n (eje Y) de la viga fija 5

Realizado por: Autores. 2022

• Valores obtenidos de los diferentes criterios de dise�o para la viga m�vil 6

De acuerdo con el an�lisis efectuado en el marco metodol�gico y en base del dise�o de resistencia mec�nica se maneja los esfuerzos normales de compresi�n, flexi�n y equivalente de la viga m�vil 6 as� se presentan a continuaci�n una tabla comparativa de los valores validados anal�ticamente y mediante el software CAD (ANSYS).

Tabla 12. Valores calculados por resistencia

Realizado por: Autores. 2022

 

Ilustraci�n 20. Esfuerzo equivalente de Von-Mises de la viga m�vil 6

Realizado por: Autores. 2022

Ilustraci�n 21. Factor de seguridad de la viga m�vil 6

Realizado por: Autores. 2022

• Valores obtenidos para la deformaci�n de la viga m�vil 6

De acuerdo con el an�lisis efectuado en el marco metodol�gico y en base del dise�o de resistencia mec�nica se maneja el dise�o por rigidez de la viga m�vil 6 as� se presentan a continuaci�n una tabla comparativa de los valores validados anal�ticamente y mediante el software CAD (ANSYS).

Tabla 13. Valores calculados para la deformaci�n

 

 

Ilustraci�n 22. Deflexi�n (eje y) de la viga m�vil 6

Realizado por: Autores. 2022

• Valores obtenidos de los diferentes criterios para la viga de columnas gu�as 7

De acuerdo con el an�lisis efectuado en el marco metodol�gico y en base del dise�o de resistencia mec�nica se maneja los esfuerzos normales de compresi�n, flexi�n y equivalente de la viga de columnas gu�as 7 as� se presentan a continuaci�n una tabla comparativa de los valores validados anal�ticamente y mediante el software CAD (ANSYS).

Tabla 14. Valores calculados por resistencia

Realizado por: Autores. 2022

 

Ilustraci�n 23. Esfuerzo equivalente de Von-Mises de la viga de columnas gu�as 7

Realizado por: Autores. 2022

Ilustraci�n 24. Factor de seguridad de la viga de columnas gu�as 7

Realizado por: Autores. 2022

• Valores obtenidos para la deformaci�n de la viga de columnas gu�as 7

De acuerdo con el an�lisis efectuado en el marco metodol�gico y en base del dise�o de resistencia mec�nica se maneja el dise�o por rigidez de la viga de columnas gu�as 7 as� se presentan a continuaci�n una tabla comparativa de los valores validados anal�ticamente y mediante el software CAD (ANSYS).

Tabla 15. Valores calculados para la deformaci�n

Realizado por: Autores. 2022

Ilustraci�n 25. Deflexi�n (eje y) de la viga de columnas gu�as 7

Realizado por: Autores. 2022

• Simulaci�n

El t�rmino simulaci�n mediante software act�a en diferentes campos dentro de la ingenier�a y la investigaci�n, la principal funci�n se refiere al uso de programas que simulan el funcionamiento de ciertos sistemas mec�nicos, permitiendo obtener predicciones sobre su desempe�o y efectividad antes de ser utilizados en el mundo real.

• An�lisis din�mico de la m�quina

El m�dulo de an�lisis din�mico dentro del software ANSYS hace posible el c�lculo del estado de tensi�n de modelos tridimensionales obtenidos mediante el programa de modelado cuyos principales resultados de soluci�n din�mica son:

• Campo de desplazamientos en puntos de la malla generada sobre el modelo por elementos finitos.
• Valores de deformaci�n.
• An�lisis de tensi�n sobre los principales elementos constitutivos.
• Campo distribuido sobre el modelo tridimensional del factor de seguridad.
• Estimaci�n de los valores de esfuerzo.

Ilustraci�n 26. Factor de seguridad de la m�quina de tracci�n al final del ensayo

Realizado por: Autores. 2022

• Simulaci�n del ensayo a tracci�n

Basado principalmente en un an�lisis din�mico para determinar el comportamiento y mediante el uso de la librer�a Explicit Dinamics con la cual facilita evaluar el efecto que tienen las cargas al variar en el transcurso del tiempo, adem�s, de c�mo act�an los desplazamientos y deformaciones se tiene la respectiva validaci�n.

Ilustraci�n 27. Simulaci�n de la rotura de la probeta al final del ensayo

Realizado por: Autores. 2022

• Curva obtenida de la simulaci�n del ensayo

El an�lisis de la curva esfuerzo � deformaci�n que se obtiene dentro de la simulaci�n del ensayo aporta, de manera sencilla, un indicador de validaci�n con las pruebas experimentales realizadas en las probetas por lo que se visualiza a continuaci�n:

Ilustraci�n 28. Curva de la simulaci�n del ensayo

Realizado por: Autores. 2022

• C�lculo del porcentaje de error entre ensayo experimental y validado por software

• Conclusiones

• Por medio del uso de la ingenier�a concurrente se puntualiza las necesidades y requerimientos importantes a tomar en cuenta en el dise�o de la m�quina. Del mismo modo la metodolog�a utilizada conllev� a evaluar las alternativas m�s viables para proceder con los c�lculos anal�ticos de los componentes necesarios y la evaluaci�n mediante la casa de la calidad puso en evidencia las necesidades del usuario para posteriormente transformarlas en especificaciones t�cnicas con criterio ingenieril y generar as� las propuestas para un dise�o adecuado, arrojando como resultado una estructura tipo monoespacio con accionamiento hidr�ulico y mediante eje gu�a, adem�s, el ajuste de la probeta con el uso de mordazas manuales y finalmente equipado con un extens�metro para la medici�n de la deformaci�n junto con un computador para la obtenci�n de los resultados del ensayo.
• De acuerdo con el dise�o mec�nico para la selecci�n de los materiales se consider� tanto el esfuerzo como la deformaci�n requeridos para este tipo de m�quinas, y utilizando un programa especializado se obtuvo tanto para las columnas fijas como para las columnas m�viles el material AISI 4340 Normalizado, del mismo modo para las vigas fija, m�vil, soporte y bancada se aplica la Fundici�n Gris ASTM A48 grado 60 y finalmente para los perfiles de la estructura de la m�quina el acero ASTM A36, adem�s, para el sistema electrohidr�ulico se tom� como par�metros la fuerza m�xima y recorrido requerido para realizar el ensayo seleccionando as� un cilindro de 11,1 toneladas de capacidad y 305 mm de carrera junto con una bomba de engranajes externos ya que es la m�s adecuada para adquirir una velocidad constante, con todo esto para el sistema de control se ha utilizado un PLC con 14 entradas y 10 salidas debido a la cantidad de v�lvula solenoides , indicadores luminosos y contactores, tambi�n para la adquisici�n de datos se emple� una tarjeta de adquisici�n de datos multicanal.
• Mediante el software CAE (ANSYS) se realiz� la validaci�n de resistencia mec�nica y rigidez de cada uno de los componentes constitutivos de la m�quina a tracci�n resultando los elementos m�s cr�ticos las columnas fijas principales 1 y 2 con un valor de esfuerzo igual a 11,6 MPa evaluado anal�ticamente y mediante software obteniendo un porcentaje de error de 0% y presentando un coeficiente de seguridad de 136,5 y un valor de deformaci�n equivalente a 0.0604 mm evaluado anal�ticamente y mediante software obteniendo un valor de 0,06126 finalmente se calcula el porcentaje de error de 1,4 % lo que conlleva a mencionar que el dise�o es funcional.
• Adicionalmente para validaci�n completa de la m�quina se realiz� el ensayo a tracci�n experimental de las probetas de resina polim�rica ingenieril con los par�metros que establece la norma ASTM D 638 obteni�ndose las curvas de Esfuerzo vs Deformaci�n unitaria las cuales fueron comparadas con los resultados arrojados en los an�lisis tanto est�tico como din�mico en el software CAE y obteni�ndose un porcentaje de error de 2,69%.

Se realiz� las cotizaciones bas�ndose en los principales fabricantes y exportadores para determinar los costos m�s accesibles para los componentes constitutivos de la m�quina que son necesarios para los sistemas mec�nico, control y electrohidr�ulico detallado en el cap�tulo 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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