Analogías

Tecnología para soldadura 

Se pensó en abordar estas analogías dado que nuestro dispositivo necesita una manera de generar calor en el cabezal y durante el trayecto del material, para que la cera no se solidifique y pueda circular de manera uniforme.

Principales fuentes de Calor para realizar una soldadura:

• Energía química
• Energía eléctrica
• Energía electromagnética

Energía Química

En su mayoría se utiliza el proceso oxi-gas, en el cual los gases comúnmente empleados pueden alcanzar temperaturas superiores a los 2700°C cuando son quemados en oxigeno. 

TABLA1. Gases utilizados en soldaduras de oxi-gas.

Energía Eléctrica

Arco Eléctrico: es un conjunto de descargas eléctricas formadas y mantenidas por un medio conductor gaseoso. Los portadores eléctricos son producidos por medios térmicos y por emisión de campo.

La temperatura de un arco eléctrico normalmente se sitúa entre 5000°K y 30.000°K y, en casos especiales puede alcanzar hasta 50.000°K. En el caso de soldadura manual se encuentra alrededor de los 6000°K. Ejemplos: soldadura al arco con electrodos revestidos, soldadura por arco sumergido, soldadura con protección gaseosa, etc.)

Resistencia Eléctrica: La resistencia que oponen dos materiales juntos al paso de la corriente genera calor en la interfaces. Este calor puede ser empleado para unir los materiales por medio de la aplicación de presión.Un par de electrodos conducen la corriente eléctrica hacia la junta. La resistencia al flujo de la corriente calienta las superficies en contacto. 

Energía Electromagnética:

Láser: La alta pureza espectral de los láseres y la extremadamente baja divergencia del haz de salida permiten que la radiación láser pueda ser focalizada sobre áreas muy pequeñas, lográndose intensidades del orden de 10 KW/mm2. Las fuentes láser dan un haz de rayos de entre 1 y 10 mm. de diámetro que se puede focalizar sobre el material a soldar.

Haz de Electrones: En este proceso la energía es transmitida a la pieza por medio del

bombardeo de un haz focalizado de electrones. 

Patentes

US 8827684 B1

Impresora 3D y la unidad del cabezal de impresión con múltiples filamentos

La presente patente, trata de una impresora tipo FFF (Fused Filament Fabrication). Que funciona mediante la extrusión de filamentos. Este diseño, dispone de múltiples salidas de material, controladas independientemente mediante actuadores y acopladas mediante mecanismos de transmisión de planetarios independientes para cada salida.

Ver: http://www.google.com/patents/US8827684

US 20140242208 A1

Cabezal Dispensador de Fluido para una impresora 3D 

Esta patente, trata sobre el diseño de un cabezal para una impresora 3D a base de extrusión. Este cabezal cuenta con un dispensador de fluido y al menos dos boquillas de diferentes tamaños, que se montan en comunicación con una cámara de fusión. La boquilla más pequeña se utiliza para el trabajo de alta resolución y la boquilla más grande para relleno a granel.
Para más información: http://www.google.com/patents/US20140242208

US 7291002 B2

Aparatos y métodos para la impresión 3D

El invento, se trata de aparatos y métodos para la producción de objetos tridimensionales.Los cuáles consisten en imprimir de manera continua y radialmente sobre una mesa circular giratoria con múltiples cabezales de impresión o múltiples mesas giratorias.Los sistemas auxiliares se refieren a construir diagnóstico de limpieza del cabezal de impresión de suministro de materiales, y el seguimiento de la operación del aparato. 

US 6532394B1 Método y aparato para la manipulación de datos y control del sistema en un sistema de modelado por deposición selectiva

La presente patente, trata de un dispositivo y un método para la manipulación de datos y sistemas de control para la formación de objetos tridimensionales por capas. A pesar de que nuestro diseño, se limita al cabezal de impresión, es interesante acotar que existen dispositivos para el control de la herramienta de impresión.

US 7766641 B2

Sistema de impresión tridimensional (3D) con mecanismos de colocación y curado

El siguiente, se trata de un dispositivo de impresión en 3D. El mismo, tiene incluido el sistema de impresión, la base donde se imprime y mecanismos para curar el objeto tridimensional una vez finalizado. Ver: http://www.google.com.tr/patents/US7766641

Productos Existentes

Métodos de Impresión 

& 

Productos Existentes

• Por Inyección; se esparce una capa de polvo (plástico o resinas) e inyecta un coaligante por inyección en la sección de la pieza. Permite la impresión de prototipos a todo color además, extraplanos o salientes.

• Por Extrusión; usa una tobera para depositar polímero fundido sobre una estructura soporte, capa a capa. Otro enfoque es fundir de manera selectiva el medio de impresión sobre una base granular. En esta variación el medio no fundido sirve de soporte para los resaltes y paredes delgadas de la pieza a producir, reduciendo así la necesidad de soportes auxiliares temporales. Típicamente un láser es usado para sinterizar el medio y formar el sólido. Ejemplos de esto son el sinterizado selectivo por láser y el sinterizado directo de metal por láser (DMLS) usando metales. Una última variación consiste en usar una resina sintética que se solidifica usando la luz de LEDs.

• Fotoquímico; utiliza resinas líquidas fotopoliméricas que se solidifican cuando son expuestas a la luz emitida por un láser ultravioleta. De esta forma se van creando capas superpuestas de resina sólida que van creando el objeto.

• Hilado
• Granulado
• Laminado

Empresas que desarrollan esta tecnología: 

• Z-corp., 
• Soligen, 
• Prometal
• Therics.

Búsqueda de Información

     Quisimos comenzar nuestra investigación haciendo las definiciones básicas de nuestro problema en cuestión; "Impresión en 3D con cera de vela en una máquina de CNC".

¿Qué es la Impresión en 3D?

      Es el proceso de hacer un objeto sólido tridimensional de prácticamente cualquier forma a partir de un diseño o modelo creado en un ordenador. Existen muy diversas tecnologías para la impresión en 3D pero todas coinciden en la construcción de la pieza a partir de finas capas horizontales superpuestas es decir, añadidas una encima de la otra. Esto se conoce como "Fabricación por adición".

Características generales

• Son rápidas, económicas y fáciles de usar, en comparación a otras tecnologías de fabricación por adición, 
• Logran geometrías complejas
• Se pueden utilizar diversos materiales con diferentes propiedades físicas y mecánicas, 
• Simple proceso de montaje,
• Las tecnologías avanzadas de impresión 3D, pueden incluso ofrecer modelos que pueden servir como prototipos de un producto.
• Campos de uso: joyería, calzado, diseño industrial, arquitectura, ingeniería y construcción, automoción y sector aeroespacial, industrias médicas, educación, sistemas de información geográfica, ingeniería civil y muchos otros.

¿Qué es una máquina de CNC?

La máquina de Control Numérico Computarizado (CNC) es un sistema automatizado que se opera mediante comandos programados en un medio de almacenamiento. 

Características generales

• Facilidad de operación, 
• Programación sencilla, 
• Buena exactitud, 
• Adaptable 
• Bajo costo de mantenimiento, 
• Mayor productividad.
• Altos costos de producción, 
• Alto costo inicial del equipo, 

¿Qué propiedades tiene 

la Cera de Vela?

Una vela es un bloque sólido de cera con una mecha encajada, que se enciende para proporcionar la luz y a veces calor. Estas velas pueden estar hechas de:

• Parafina
• Esperma de ballena
• Sebo
• Vegetales
• Gel
• Cera de abejas
• Estearina
• Cera microcristalina
• Entre otros.

Nuestro diseño se basará en lo que se consigue en el mercado, la vela de parafina, la cuál presenta las siguientes características:

• Es menos volátil que la gasolina 
• Punto de fusión típico entre 47 °C y 64 °C.
• Combustión limpia 
• Mantiene una salida de calor alto
• No se disuelve en agua, glicerol o etanol frío. 
• Se puede disolver en benceno, éter, cloroformo y etanol caliente. 
• Tiene una densidad de 0,8 g/cm3.

Ya teniendo en claro, los elementos principales de nuestro proyecto, se procede a investigar la competencia, la tecnología que se ha desarrollado para resolver nuestra necesidad, abarcando:

1) Productos Existentes

2) Patentes

3)Analogías

4) Normas Relacionadas

Planificación del Proyecto

Diagrama de Gantt

Especificaciones Sugeridas

Condiciones de Ambiente y Entorno	ü  Estará en un taller mecánico ü  Puede estar en presencia de polvo o sustancias corrosivas
Usuario	ü  Controlado por una persona capacitada a través de una máquina tipo CNC
Vida de Servicio	ü  2 años
Mantenimiento	ü  Limpiar después de cada uso
Costo del Producto	ü  4500 bs
Transporte	ü  Para ser transportado en un bolso de mano sin problema
Modos de uso	ü
Medios de Fabricación y Procesos	ü  Para nuestro caso, será de materiales de bajo costo y reciclaje.
Normativa y Aspectos Legales	ü
Competencia	ü  Las distintas tecnologías de Impresión en 3D mediante: o   Extrusión o   Por Capas o
Documentación	ü  Debe tener un manual de Usuario
Venta, uso y retirada.	ü

Cabe acotar que seleccionamos como especificaciones claves o aquellas que se centrarán principalmente nuestra atención a:

 1. Control de Caudal

2. Uniformidad de diámetro

3. Continuidad de Suministro

Establecimiento de la Necesidad

El siguiente proyecto consiste en realizar la propuesta conceptual del diseño para "un tipo de cabezal para impresión 3D con una maquina universal de CNC". 

A través de este cabezal se generará sólidos en cera, que serán usados como corazones en la construcción de moldes de arena o de materiales compuestos (fibras y resina). El dispositivo debe ser autónomo, permitir el suministro de la cera, además de poseer la dimensiones y el peso que permitan su colocación en el portaherramientas de la máquina universal de CNC.

Al final, se realizará la construcción de un prototipo que demuestre la factibilidad de la solución propuesta. Para la presentación de los prototipos se empleara un banco de pruebas suministrado por el profesor, consistente de un porta herramienta de las dimensiones pedidas, que tendrá deslizamiento sobre una guía lineal motorizada de velocidad controlable.

Especificaciones Obligatorias

Funcional	ü  Cabezal para impresión 3D con una máquina de CNC. ü  Generar sólidos en cera ü  Proceso de deposición y suministro de cera: ü  Æ Filamento de cera < 2 mm (Mientras más pequeño, mejor resolución) ü  Control del caudal de cera ü  Uniforme ü  Continuo mientras esté activa una señal de disparo. ü  Proveer un volumen de cera = 8 x 106 mm3. ü  Autonomía de operación
Lote de Producción	ü  Individual (Un solo prototipo)
Plazo de Entrega	ü  3 de Marzo (Martes, Semana 12)
Interfaces	ü  La señal de disparo: un pulso de inicio y uno de final o de una señal mantenida en el tiempo.
Dimensiones y Peso	ü  Dimensiones del portaherramientas de la máquina, Área en planta = 200mm x 180mm. ü  La altura del cabezal debe permitir el movimiento vertical del portaherramientas. ü  El peso máximo < 3,5 Kg.

Propuesta de Diseño

Representación en 3D

El sistema de compresión propuesto consiste en el uso de un compresor de acción simple de 1 pistón, dentro del cual se hace la admisión de aire atmosférico cuando baja el pistón y se descarga a mayor presión cuando el mismo sube; estas entradas y salidas están reguladas por válvulas check. El movimiento del pistón se lleva a cabo a través de un sistema biela-manivela, el cual transforma la entrada de movimiento rotativa en un desplazamiento lineal que comprime el fluido.

A la izquierda esta el sistema de compresión previamente mostrado, el cual se conecta a través de un juego de tuberías a los dos tanques que almacenan el aire comprimido. Mas a la derecha se encuentra la propuesta de aprovechamiento de la energía de presión acumulada, la cual es una turbina o hélice que gire cuando se descargue el aire presurizado, transmitiendo así esa potencia al eje de salida que va al potabilizador.

Vista Isometrica de la Propuesta de Diseño

TRIZ

  A continuación, mostramos un diagrama de recursos, funciones y contradicciones, que nos permitirán ver las relaciones entre los elementos de nuestro sistema elegido. 

      Mostrando que principalmente, la contradicciones son las pérdidas intrínsecas de los accesorios por fricción, calor, disminuyendo la potencia que podría generar la turbina y por tanto, la energía de salida de nuestro sistema, disminuyendo su eficiencia. Por ende, para llegar a nuestro estado ideal se debe investigar que accesorios generan menos pérdidas. Por ejemplo, agregar un material aislante para el tanque, válvulas y turbinas eficientes, etc.

Principios de Inventiva;

       Para la resolución de los conflictos presentados en el diagrama de recursos, funciones y contradicciones, se trabajó con una herramienta proporcionada por el TRIZ, que son los 40 principios de Inventiva, las conclusiones obtenidas fueron las siguientes.

1. Conflicto Aire-Tanque. Al aumentar la presión dentro del tanque, se puede dificultar la entrega de Energía por parte del individuo, debido a que el esfuerzo físico requerido aumenta. Para resolver éste problema, Se utilizó el Principio 1.Segmentación, en vez de trabajar con un solo tanque de 1m3 y llevarlo de 1 a 4 atm. Se planteó la solución de utilizar dos (2) tanques de 1m3, lo que ahora se traduce como la disminución de la presión requerida en cada tanque a 2.8 atm. La energía necesaria se puede calcular a través del W=(Pdeseada)*Vdeseado*Ln(Patm/Pdeseada)

2. Conflicto 2. Tanque-Aire. A través del día, el aire experimentará cambios de temperatura, lo que se traduce en pérdidas de energía de Presión. A través del principio 16. Acción Parcial, se concluyó que una solución al problema es recubrir el tanque de un material aislante.

3. Conflicto 3. Turbina-Aire. En el análisis del problema, surgió una preocupación que se relaciona con la eficiencia pueda tener el aire al transmitir la potencia a la turbina. Para ésto, se recurrió al principio inventivo 10. Acción previa, y se concluyó que la mejor forma de solventar éste problema es con un diseño óptimo de la tubería de salida, para así aprovechar al máximo el caudal de aire presurizado.

4. Conflicto 4. Válvulas-Aire. Para el problema en pérdidas de energía en las válvulas, la cantidad de opciones para resolver éste conflicto son muy limitadas. Por tanto, a través del principio inventivo 16. Acción Parcial o Sobrepasada, no dejó otra acción que la de seleccionar válvulas de óptimo desempeño y mínimas pérdidas.

Evaluación de Ideas

Herramienta de Bono; "PNI"
    Esta herramienta enumera los aspectos positivos, negativos y aquellos considerados interesantes. Permitiendo visualizar el primer filtro de las ideas, sugerencias y proposiciones presentadas en el brainstorm.

	Resortes	Elevación de Masas	Aire Comprimido	Volante de Inercia
P	+Económico +Adaptable a cualquier dispositivo	+Sencillo de fabricar +Mantenimiento sencillo +Uso eficiente del tiempo	+Pocas Pérdidas	+Ideal para sistemas que reciben energía de manera discontinua.
N	-Poco tiempo de vida -Cada resorte almacena poca energía -Complicación con el diseño de la configuración	-Gran espacio físico -Gran cantidad de masa -Complicado de transportar	-Calentamiento del gas y pérdida	-Peso -Se detiene por efecto de la fricción de los apoyos.
I	§   Es compacto §   Permite el almacenaje en varias formas y configuraciones. - Energía = (0.5*K*DeltaX^2*Nºresortes)	§ El aire como materia prima, inagotable. §  Energía = g*h* Masa*Nº masas	§Configuración adaptable	§ Energía= 0.5*Inercia*Omega^2*N°Volantes

   A partir de este análisis se hizo un pequeño cálculo para determinar un aproximado de los parámetros de estos sistemas.

• Los resortes: Por su baja capacidad de almacenar grandes cantidades de energía, sería necesario muchos resortes, y una configuración muy compleja. Por tanto, esta idea se descarta.
• Elevación de Masas: Sería necesario elevar muchas masas, lo cuál lo vuelve complicado elevarlo en base al pedaleo por fuerza humana. Una estructura muy rígida y de gran tamaño, difícil de transportar y problemático de manipular. Por tanto, se descartó esta idea.

      Entonces, a continuación se hace uso de una "matriz de decisión", para elegir de entre las dos opciones sobrevivientes.

Matriz de Decisión (KT Analysis)

     El Aire Comprimido resulto por un 5% mejor opción, principalmente porque el volante de inercia representa un riesgo en cuanto a seguridad, si las personas no están capacitadas para su manejo.