prototipos automotrices

Generación de Prototipos Automotrices

Rubén Yáñez [email protected]

MC-421

“El cientifico busca comprender lo que existe, El ingeniero busca crear lo que no existe”

Von Karman

2

FundamentosPrincipios

pedagógicos respaldados

Matices respaldados

Recursos de apoyo

Texto Otros

Duración Resultado de Aprendizaje:

-Aprender a aprender

-Aprender a hacer

-Aprender a convivir

Mejora Continua

Espíritu Emprendedor

Frank W. Liu “Rapid Prototyping and Engineering

Applications”CRC Press, Taylor and Francis GroupEdición 2008

C.K. Chua, K.F. Leong & C.S. Lim“Rapid Prototyping”

World Scientific Publishing Group.Edition 2, 2004Stephen J. Andriole “Rapid Application Prototyping”QED Technical Publishing Group Edition 1992

-Conocer las características requeridas en un ingeniero por la industria de clase mundial.

-Fundamentos de prototipos

-Fabricación Rápida de Prototipos,

(Rapid Prototyping).

Referencias en internet: hay bastante información en la red, desde fuentes universitarias, hasta sitios de los fabricantes de equipo, además de los comúnmente usados sitios de intercambio de información, abajo se citan cuatro excelentes lugares, mas información y de muy buena calidad, puede encontrarse en los bancos de datos de que se dispone a través de nuestra biblioteca…http://www.protocam.com/html/services.htmlhttp://www.me.psu.edu/lamancusa/rapidpro/primer/chapter2.htmhttp://ocw.mit.edu/courses/aeronautics-and-astronautics/16-810-engineering-design-and-rapid-prototyping-january-iap-2007/lecture-notes/http://www.umsl.edu/~sauterv/analysis/prototyping/proto.html

Unidad 1 :Generación de Prototipos Automotrices

http://www.protocam.com/html/services.html

http://www.protocam.com/html/services.html

http://www.me.psu.edu/lamancusa/rapidpro/primer/chapter2.htm

http://ocw.mit.edu/courses/aeronautics-and-astronautics/16-810-engineering-design-and-rapid-prototyping-january-iap-2007/lecture-notes/




http://www.umsl.edu/~sauterv/analysis/prototyping/proto.html

http://www.umsl.edu/~sauterv/analysis/prototyping/proto.html

3

“La Ingeniería es la profesión en la que el conocimiento de las ciencias matemáticas y naturales, adquirido a través de su estudio, la practica y la experiencia es aplicado con criterio para desarrollar formas de utilizar económicamente, los materiales y fuerzas de la naturaleza, para beneficio de la humanidad”

Definición de la

A B E T (Accreditation Board of Engineering and Technology)

Comisión para la Acreditación en Ingeniería y Tecnología

http://www.abet.org/

Generación de Prototipos AutomotricesCaracterísticas deseadas por la industria en un ingeniero:

http://www.abet.org/

4

Lista de características deseados, en un Ingeniero, por la industria actual… •Buen conocimiento de las ciencias fundamentales.

Matemáticas, (incluyendo estadística). Ciencias físicas y de la vida. Información tecnológica (mas allá de “literatura web”).

• Buena comprensión de procesos de manufactura.• Perspectiva de sistemas multi-disciplinarios.• Entendimiento básico del contexto en el que se aplica la Ingeniería. * Económico (y practicas de negocios). * Historia. * Ambiental. * Necesidades de clientes y sociedad.•Hábil para comunicarse en todas las formas. * Escrito * Hablado * Grafico * Empático• Con altos estándares éticos.• Habilidad para pensar critica y creativamente, de forma independiente o en equipo.• Flexible; habilidad y autoconfianza para adaptarse a cambios rápidos y/o grandes.• Curioso y con deseos de aprender.• Profunda comprensión de la importancia del trabajo en equipo.


5

•Definir como operan las cosas, lo mas rápidamente posible.•Determinar y traducir en requisitos lo que el cliente quiere.•Crear un concepto.•Usar la abstracción y los modelos matemáticos para mejorar el concepto.•Construir o crear una versión prototipo del producto deseado.•Cualitativamente y con robustez probar el prototipo para mejorar el concepto y predecir situaciones.

•Determinar si el valor que asigna el cliente esta alineado con el valor que ofrece la empresa, (sentido de negocio).

•Ser capaz de comunicar a todos de lo anterior.

Un ingeniero debe ser capaz de:

Mucho de lo mencionado requiere del dominio especifico de un conocimiento y de la experiencia.

Varios puntos requieren de un pensamiento estadístico y de sistemas. Todo lo anterior requiere de trabajo en equipo, liderazgo y conciencia social


6

Generación de Prototipos AutomotricesFundamentos de Prototipos:

Introducción. El constante desarrollo tecnológico, ha hecho que las comunicaciones sean cada vez mas ágiles, generando un continuo intercambio de ideas entre diversas mentes con muy distintos paradigmas, alcanzando una espiral de conocimiento e intercambio de conceptos haciendo del mundo un lugar cada vez mas pequeño; esto ha impactado la forma en que las empresas compiten y son administradas. Para sobrevivir, las empresas se ven obligadas a generar constantemente mejoras a los procesos existentes y/o la creación de nuevos procesos o productos, para ello, las empresas se plantean diferentes líneas de acción, buscando avanzar en todas y cada una al mismo tiempo y con la mayor rapidez posible, con la ventaja actual de la posible intervención de cualquier grupo de personas en/y desde cualquier parte del mundo.

-El temor a lo desconocido, nos llevo a crear un Dios en cada miedo: Dios del Rayo, Dios de la Noche, Dios del Fuego, Dios de la Tierra, Dios del Mar, Dios de la Lluvia, Dios de la Enfermedad, - Los Odios tenían Dioses: Dios de la Guerra, Dios de la Muerte, Dios de la Venganza… - Las sensaciones tenían Dioses: Dios del Amor, Dios del Sexo, Dios del dolor, Dios de los aromas...-Ah …los Dioses de la Inconsciencia: Dios del Vino, Dios del Sueño, …Dioses dondequiera, -¡¡Dios de Dioses!!...

- Llego la Conciencia y con Ciencia, Quito los Dioses vanos y amplio nuestra Ignorancia… ahora,

¡ Dios esta en todas partes! Mi Dios Aracsam

7


El Proceso de la Ingeniería de DiseñoEl proceso de la ingeniería de diseño puede dividirse en los siguientes pasos:

Identificar las necesidades del cliente.

Crear un concepto/producto que cubra las necesidades.

Convertir las necesidades en especificaciones de diseño del concepto.

Aplicar la ingeniería de diseño.

Fabricar un prototipo para evaluar el concepto/producto.

Tarea: investigue que es y como se aplica “La Casita de la Calidad” – también conocida como –

“Quality Function Deployment”

8

Robustez: es asegurarse que el producto no falle, independientemente de las variaciones que puedan tenerse en las variables que afectan o puedan afectar su funcionamiento.

Lograr una calidad robusta en un producto, empieza con el diseño del mismo, ya que la calidad del producto es inherente a un diseño bien pensado, que toma en consideración los posibles factores externos que podrían afectar negativamente el uso del producto.

El diseño debe tomar en cuenta que el producto esta expuesto en manos de los clientes.

Todo producto defectuoso, afecta adversamente la satisfacción de los clientes y puede dañar severamente la confianza y reputación de la empresa, generándole perdidas mayores a las estimadas.

De hecho, cuesta tres veces mas adquirir un cliente nuevo que retener los clientes que se tienen en el momento, esforzándose en la importancia de ofrecer productos de alta calidad que satisfagan las necesidades de los clientes.


Tarea… Investigar y hacer una presentación sobre el diseño de experimentos y los métodos que hay, profundizando en el método de Taguchi: (el sitio abajo proporciona un articulo sobre el método de Taguchi)

http://www.offermaxima.com/pdfs/RobustQuality.pdf


9


En la creación de nuevos procesos o productos se ha requerido desde siempre, la posibilidad de tener un modelo que refleje el concepto y permita probar su desempeño bajo condiciones de operación simuladas o comunes, verificando el que se cubran las especificaciones definidas a partir del análisis de la necesidad a satisfacer.

Un prototipo puede ser un dibujo, un objeto físico, o un objeto virtual. En la elaboración de los prototipos se forman equipos de trabajo, los que en el pasado eran integrados por ingenieros de diseño y aquellos técnicos y operadores de taller mas hábiles, todos en general eran verdaderos artesanos que dominaban alguna técnica manual, entre los que se contaba con dibujantes, hojalateros, pintores, soldadores, matriceros…. La fabricación del prototipo podía tomar semanas o meses y en ocasiones años, ocasionando grandes retrasos en la salida al mercado de nuevos productos, asi se hizo hasta mediados de los 80’s, cuando con la aparición de nuevas técnicas de manufactura, sustentadas en el diseño asistido por computadora y tecnologías de manufactura mediante rayo laser, nace la Fabricación Rápida de Prototipos, (Rapid Prototyping), que se enfoca en la fabricación física de prototipos mediante diversas técnicas con distintos materiales que son soldados fundidos por medio de rayo laser…

10

El termino “rapid prototyping (RP)”, se refiere a una tecnología que puede de manera automática construir modelos físicos a partir de dibujos trazados mediante programas de diseño auxiliado por computadora, [Computer-Aided Design (CAD)]. En si los equipos de rapid prototyping, son impresoras tridimensionales, que permiten a los diseñadores crear rápidamente prototipos tangibles de sus diseños. Los prototipos así fabricados tienen diversos usos; por ejemplo, son excelentes ayudas visuales para comunicar ideas entre compañeros de trabajo o clientes, además los prototipos pueden usarse también para realizar pruebas de diseño. Por ejemplo, un ingeniero aeroespacial podría montar un modelo de una superficie de sustentación en un túnel de viento para medir las fuerzas de elevación y arrastre. Los diseñadores han utilizado desde siempre prototipos, el RP nos permite hacerlos mas rápida y económicamente.


11


Usos y aplicaciones de los Prototipos:

Demostración – como muestra en exposiciones con el único propósito de vender.

Para pruebas de Forma, Función y Ajuste – Verificar si la parte trabajara adecuadamente donde se usara.

Para uso real – Someterla a pruebas de aplicación reales. Los avances en materiales y tecnología permiten algunas veces que las partes elaboradas mediante fabricación rápida de prototipos, sean usadas como producto final.

Como modelos – En la fabricación de moldes de colada e inyección o moldes de inyección y reacción, (RIM).

Cuidado Deben seleccionarse la tecnología y los materiales de FRP, que mejor permitan alcanzar el propósito que se pretenda.

12

Ventajas de la Fabricación Rápida de Prototipos: Reduce el tiempo de desarrollo de nuevos productos. Minimiza los costos de su desarrollo. Requiere el involucramiento del usuario final. Los desarrolladores reciben retroalimentación cuantificable. Facilita la implementación del producto, ya que los usuarios saben que esperar. Genera mayor satisfacción del usuario. Expone a los desarrolladores a posibles mejoras futuras del producto.

Algunas Desventajas de la Fabricación rápida de prototipos. Puede conducir a un análisis insuficiente. Los usuarios esperan que el desempeño del último producto sea igual al del prototipo. Los desarrolladores pueden apegarse mucho a sus prototipos. Lo productos pueden dejarse sin completar o liberarse antes de quedar listos. En ocasiones se libera el nuevo producto sin completarse los protocolos de validación.


13


El proceso Básico de Fabricación Rápida de PrototiposAun cuando existen varias técnicas para realizar la fabricación rápida de prototipos, todas emplean los mismos 5 pasos básicos, que son:

Realizar un dibujo en CAD del diseño

Convertir el dibujo en CAD a formato STL

Rebanar el archivo STL en finas capas de secciones transversales

Construir el modelo capa por capa, cada una encima de la anterior

Limpieza y acabado del modelo

14

Creación del Modelo en CAD: Los Modeladores Sólidos tales como SolidWorks, Pro/ENGINEER,… son mas precisos para representar objetos tridimensionales que los modeladores de líneas, (o softwares bidimensionales), obteniéndose mejores resultados al aplicarse en rapid prototyping.

Conversión a formato STL: Cada paquete de CAD usa un algoritmo distinto para representar objetos sólidos, La industria de fabricación rápida de prototipos, ha adoptado como formato estándar el STL, (stereolithography, que fue la primera técnica de fabricación rápida de prototipos). Este formato representa una superficie tridimensional como un ensamble de triángulos planos, (como las caras de una joya pulida). El archivo contiene las coordenadas de los vértices y la dirección de las normales que salen de cada triangulo. Debido a que el formato STL utiliza elementos planos, estos no pueden representar superficies curvas con exactitud. Si se incrementa el numero triángulos, se mejora la aproximación, pero el archivo será mas grande, los archivos grandes requieren de mas tiempo de pre-procesamiento y fabricación, el diseñador deberá balancear la exactitud con la capacidad del equipo de RP, para producir archivos STL útiles, (por su economía y producto).


15

Rebanando el archivo en formato STL: Un programa de pre-procesamiento prepara el archivo STL, para su uso en el proceso. Existen varios programas para ello, la mayoría permite al usuario ajustar el tamaño, localizar y orientar el modelo. La orientación de la fabricación del modelo es importante por varias razones: 1. las propiedades de los prototipos varían de una dirección de coordenadas a otra, por

ejemplo: los prototipos son mas débiles y menos precisos en la dirección z, (vertical), que en el plano x-y; además, la orientación de la pieza, determina parcialmente la cantidad de tiempo requerido para fabricar el modelo. Al colocar la parte con la dimensión mas corta en la dirección de z, se reduce el numero de capas, reduciendo de este modo el tiempo de fabricación.

2. El software de pre-procesamiento corta el modelo en formato STL, en capas de 0.01 mm a 0.7 mm de espesor, y dependiendo de la técnica de fabricación, el programa podrá generar una estructura auxiliar para apoyar el modelo durante su fabricación, el soporte es útil para apoyar características delicadas tales como salientes, cavidades internas o secciones de pared delgada. Cada fabricante de maquinas RP tiene su propio software de pre- procesamiento. Así, dependiendo también de forma de la parte, el tiempo de fabricación puede extenderse o reducirse


16

Fabricando una capa sobre otra: Las maquinas de fabricación rápida de prototipos, construyen los modelos por capas, una a la vez, una sobre otra, con materiales como polímeros, papel o polvo de metal. La mayoría de las maquinas son autónomas y requieren poca intervención del operador.

Limpieza y acabado : El ultimo paso es el post-procesamiento. Este involucra el remover el prototipo de la maquina, separándolo de cualquier soporte que se tenga. Algunos materiales foto-sensitivos necesitan ser curados completamente antes de su uso. Los prototipos pueden requerir un tratamiento de limpieza de la superficie.

El acabado puede darse ya sea por arenado, sellado y/o pintado del modelo, esto mejora la apariencia y durabilidad de la parte.


17


Materiales para fabricación rápida de prototiposLa tabla abajo, muestra una comparación entre algunos de los materiales mas comunes de con el objeto de seleccionar el mas adecuado al proyecto en cuestión. Tabla comparativa de materiales de manufactura aditiva

Proceso Estereolitografia Sinterizado con laser Impresión 3DDescripción breve Resina con laser Polvo con laser Roció de MaterialExactitud Excelente Pobre BuenaRigidez Tieso a rígido Tieso Flexible

Color Claro o blanco, puede teñirse o pintarse

Blanco puede teñirse o pintarse

Negro, blanco, gris, azul o verde

Claridad Opaca a cristalino Opaco Opaco a translucienteAcabado de la superficie Suave, puede pulirse Algo áspera Semejante al acabado

del hule

Durabilidad Pobre, algo frágil Buena Buena, propensa a rasgarse

Resistencia al agua Buena a excelente Pobre, la absorbe Buena FDA Disponible n/a n/aMetales disponibles n/a Aluminio, Acero n/a

18


Tarea, Realizar una presentación por equipo , para cada grupo de procesos de FRP indicado

Equipo Grupo de procesos Procesos1 Basados en liquido STL, Mask Based, Injet Based, Rapid Freeze2 Basados en solido Extrusión, Corte de Contorno, Ultrasónico,3 Basados en polvo Sinterizado Laser, Deposición directa, Fundición

por Rayo de electrones

4 Procesos Híbridos Procesos que involucran una combinación de los anteriores

19

Fabricación de prototipos por Estereolitografia, (SLA Prototyping)

Los prototipos fabricados por estereolitografía pueden usarse como modelos de corazones de moldes de inyección e insertos de cavidades, moldes para termoformado, moldes de soplado, y diversos procesos de fundición de metales.

Beneficios de la Fabricación Rápida de Prototipos por Estereolitografía

Ahorro de tiempo: Pueden fabricarse en menos de dos días Ahorros en costos : Los prototipos estereolitograficos son económicamente competitivos Permiten tolerancias cerradas, +/- 0.005” para la primera pulgada, se agregan 0.015” por

pulgada adicional L a resina Epóxica es suficientemente resistente para ser usada en pruebas mecánicas La estereolitografía se adecua muy bien para la manufactura de lotes pequeños o

elaboración de partes para uso final Los moldes de fundición elaborados por estereolitografía permiten una rápida

producción de prototipos de metal. La fabricación rápida de prototipos, permite llevar los nuevos productos a los mercados

con mayor rapidez.


20

Resumen técnico del proceso de Estereolitografía, (SLA), para la Fabricación Rápida de PrototiposPara hacer un prototipo por el proceso de estereolitografía, lo primero que se requiere es tener un dibujo tridimensional del prototipo en CAD. Basado en el dibujo, el software de estereolitografía, corta virtualmente el prototipo, en secciones horizontales y transversales y en rebanadas de 0.002" a 0.006" de espesor. Las rebanadas se alimentan al aparato de estereolitografía, dentro de cuya cámara un laser de luz ultravioleta traza la primera capa de la parte sobre una placa metálica que se halla sumergida justo el espesor seleccionado para el rebanado, dentro de la tina de un polímero fotosensitivo, doquiera que el laser toque la resina, la solidifica. Cuando se termina de trazar la primera capa, la placa baja, sumergiéndose en la resina una distancia igual al espesor de la rebanada. Una barra de nivelado se mueve a través de la superficie de la ultima capa, para asegurarse que se tiene la cantidad exacta de resina encima de la primera capa, luego la siguiente capa es solidificada sobre la capa previa, repitiéndose este proceso hasta que se elabora toda la parte, de abajo hacia arriba, con las secciones completadas quedando sumergidas en el polímero.


http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&NR=1&v=eKk2vRysioEVideo en alemán que muestra la fabricación de una torre por SLA

(SLA = EstereoLitografia)

http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&NR=1&v=eKk2vRysioE

21

Resin Property Maximum Part Dimensions

Accura 25 Polypropylene-like, Snap fits 13.8" x 13.8" x 15.4" Accura 60 Polycarbonate-like, clear 20" x 20" x 22.6"

WaterShed XC 11122 Clear, High humidity resistance 10" x 10" x 9.7" SL 5530HT High Temperature 20" x 20" x 22.6"

Resinas disponibles para la Rapid Prototyping por Estereolitografia


http://www.protocam.com/html/slapro.html

http://www.protocam.com/html/slapro.html

http://www.protocam.com/pdf/SL_5530_3500_5000_US_jun04_final.pdf

22

Resin Accura 25 TECHNICAL DATALiquid MaterialMEASUREMENT CONDITION VALUE:Appearance WhiteLiquid Density @ 25 °C (77 °F) 1.14 g/cm3Solid Density @ 25 °C (77 °F) 1.19 g/cm3Viscosity @ 30 °C (86 °F) 250 cpsPenetration Depth (Dp) * 4.2 milsCritical Exposure (Ec) * 10.5 mJ/cm2Tested Build Styles FAST™, EXACT™, Exact HRPost-Cured MaterialMEASUREMENT CONDITION VALUE:Tensile Strength ASTM D 638 38 MPa (5,450 - 5,570 PSI)Tensile Modulus ASTM D 638 1,590 - 1,660 MPa (230 - 240 KSI)Elongation at Break (%) ASTM D 638 13 - 20 %Flexural Strength ASTM D 790 55 - 58 MPa (7,960 - 8,410 PSI)Flexural Modulus ASTM D 790 1,380 - 1,660 MPa (200 - 240 KSI)Impact Strength (Notched Izod) ASTM D 256 19-24 J/m (0.4 ft- lb/in)Heat Deflection Temperature ASTM D 648

@ 66 PSI 58 - 63 °C (136 - 145 °F)@ 264 PSI 51 - 55 °C (124 - 131 °F)

Hardness, Shore D 80Co-efficient of Thermal Expansion ASTM E 831-93

TMA (T<Tg, 0 - 20°C) 107 x 10-6 m/m °CTMA (T>Tg, 90 - 150°C) 151 x 10-6 m/m °C

Glass Transition (Tg) DMA, E” 60 °C (140 °F)* Dp/Ec values are the same on all systems.


23


27


La casita de la calidad

28



29

CAE areas covered include:Stress analysis on components and assemblies using FEA (Finite Element Analysis); Thermal and fluid flow analysis Computational fluid dynamics (CFD); Kinematics; Mechanical event simulation (MES).Analysis tools for process simulation for operations such as casting, molding, and die press forming.Optimization of the product or process.In general, there are three phases in any computer-aided engineering task:Pre-processing – defining the model and environmental factors to be applied to it. (typically a finite element model, but facet, voxel and thin sheet methods are also used)Analysis solver (usually performed on high powered computers)Post-processing of results (using visualization tools)This cycle is iterated, often many times, either manually or with the use of commercial optimization software.CAE in the automotive industryCAE tools are very widely used in the automotive industry. In fact, their use has enabled the automakers to reduce product development cost and time while improving the safety, comfort, and durability of the vehicles they produce. The predictive capability of CAE tools has progressed to the point where much of the design verification is now done using computer simulations rather than physical prototype testing. CAE dependability is based upon all proper assumptions as inputs and must identify critical inputs (BJ). Even though there have been many advances in CAE, and it is widely used in the engineering field, physical testing is still used as a final confirmation for subsystems due to the fact that CAE cannot predict all variables in complex assemblies (i.e. metal stretch, thinning).

30

18 DIA.15 R

25

25

10

10

20

20

10


prototipos automotrices

Documents