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Alcances, selección y análisis de manufactura para la elaboración un puzzle con la implementación de técnicas de manufactura avanzada (1 Octubre de 2018) Jorge Luis Regino, José Manuel Vergara, Diego Alejandro López, Jhoan Carvajal, Juan Camilo Joaqui. estudiantes de ingeniería mecánica

Abstract— The present work consists of the presentation of the selection of a puzzle to apply advanced manufacturing techniques in the preparation of the assembly, and in the same way the scope of the project and the machining procedures necessary to obtain the pieces will be presented. For the selection of the puzzle will be considered the concepts and processes of conventional machining and advanced manufacturing contemplated in the course, to select in this way the assembly that allows greater learning and understanding of the processes. Palabras clave—Manufactura avanzada, puzzle manufacturing, Nutcase puzzle.

I. INTRODUCCIÓN La manufactura en su sentido más amplio es el proceso de convertir materias primas en productos. Comprende: el diseño del producto, la selección de materias primas, y la secuencia de procesos a través de los cuales se fabricará el producto. La Manufactura Avanzada incluye además, procesos de tecnología y el desarrollo de los procesos que complementen la cadena productiva, apoya la competitividad de la industria manufacturera mediante tecnologías que permitan una mayor velocidad y precisión de proceso, nuevas metodologías para procesar materiales, técnicas que reducen los tiempos de desarrollo de productos, así como la automatización de procesos productivos.[1] Algunas de las líneas temáticas que se manejan en la Manufactura Avanzada, son[1]: 1. 2. 3. 4. 5.

Manufactura virtual Tecnologías de ensamble Pruebas y mediciones Procesos no convencionales Monitoreo y control de procesos productivos

La manufactura avanzada comprende una amplia gama de procesos de mecanizado y transformación de la materia prima, que no se encuentra en los alcances del mecanizado convencional y en los métodos de transformación tradicional, proponiendo mejoras por medio de la tecnología hacia los alcances de los procesos convencionales, mejorando aspectos como la rapidez de manufactura, automatización de sistemas, calidad de los productos, obtención de piezas de difícil geometría, acabados y recubrimientos de mayor tecnología entre muchas otras mejoras y posibilidades que brindan los procesos de manufactura avanzada[2]. Por otra parte, se encuentran los puzzles o bien llamados rompecabezas, que son elementos de entretenimiento que

proponen un grado de dificultad mediante un acertijo que puede ser de carácter mecánico, numérico, visual y entre otros muchos acertijos posibles. Estos elementos usualmente están conformados por varias piezas mediante un ensamble, y las posibilidades pueden ser infinitas. Diferentes materiales, formas y mecanismos suelen implementarse en estos juegos, para lo cual se tienen diferentes mecanismos de obtención y fabricación de las partes. Debido al crecimiento de esta industria, se han ido mejorando las tecnologías de manufactura implementadas para la obtención de las piezas, así como se han implementado piezas de geometría compleja, que no puede ser obtenidas por manufactura convencional[3]. La manufactura avanzada le ofrece a este tipo de industrias un mayor alcance de producción, mejorando sus productos, sus tiempos de producción y optimizando procesos y materias primas. En el presente trabajo se realizará la selección de un puzzle, para el cual, se explicarán cuáles fueron los ítems tenidos en cuenta y posteriormente se hará un análisis de mecanizado, para definir los tiempos, materiales y procesos de manufactura implementados en la fabricación del rompecabezas. En este trabajo también se presentarán los alcances del proyecto y los tratamientos posteriores que podrían tenerse en cuenta para implementar una posible manufactura avanzada[4]. II. SELECCIÓN DE PUZZLE

Entre los intereses del grupo estaba la selección de un puzzle con un mecanismo mecánico y de un material metálico, cuyo mecanizado o conformado requiriera de un proceso de desbaste y corte de potencia significativa, además de que el nivel de dificultad sea significativo, por lo que se tuvieron en consideración 3 Hanayamas, estos se muestran en la figura 1, véase figura 1.

Figura 1. Tres Hanayamas propuestos[3]

El primer Hanayama propuesto es el de la imagen de la izquierda, el Nutcase puzzle, este Hanayama es de dificultad media, y requiere de materiales metálicos y 1

procesos de mecanizado convencionales en su mayoría, sin embargo es posible aplicar procesos de corte por hilo para facilitar su manufactura mediante manufactura avanzada. El segundo Hanayama propuesto es el de la imagen central, y es el Magnetic Bullet Puzzle, este Hanayama es de dificultad media también, y requiere de materiales ferromagnéticos y un núcleo imantado con forma de eje. Está compuesto por diferentes partes con geometrías irregulares y varias de sus partes podrían realizarse en torno convencional o en mecanizado CNC. Y por último está el Hanayama Cast U&U, en la imagen de la derecha, este Hanayama es de una dificultad más alta que los anteriores y también está hecho de materiales metálicos, donde incluye partes mecánicas como roscas, pernos y tuercas. Este puzzle podría elaborarse en mecanizado convencional con un torno, y luego doblado. Para finalizar el proceso de selección se tuvo en cuenta el aprendizaje que dejaría la manufactura de los tres mecanismos de entretenimiento, donde se encontró que el Nutcase Puzzle es el que nos permite la posibilidad de utilizar procesos de mecanizado más avanzados, además de la posibilidad de darle a las piezas un tratamiento bien sea térmico o superficial para mejorar sus propiedades y desempeño. En la figura 2 se muestra el CAD del ensamble seleccionado, véase figura 2.

III. MATERIAL

Debido a la versatilidad y funcionabilidad de este diseño, es posible utilizar gran variedad de materiales, ya sea un polímero o un metal, y su elección dependerá del diseño, los procesos de fabricación, costo y su vida útil. Es posible utilizar un proceso de fabricación como las de la tecnología aditiva o impresión 3D, utilizando polímeros como un polímero ABS (Acrilonitrilo butadieno estireno) o una fibra de carbono, ya que son polímero de una muy buena resistencia, capaces de cumplir con la función de este mecanismo; pero su diseño sería diferente, ya que el diseño original son dos tornillos metálicos huecos al interior y aunque estos polímeros poseen gran resistencia, se hace necesario que de ser fabricados en este material cada diseño sea fabricado de manera sólida como se muestra en la figura 3, debido a mecanismo de ensamble y desensamble de este.

Figura 3. Nutcase puzzle hecho con un polimero

Para la selección del material se tuvieron en cuenta los procesos y parámetros de mecanizado convencional y el proceso de manufactura avanzada por corte hilo, ya que el material afecta de forma directa a los procesos de manufactura, como es el caso de la conductividad térmica, conductividad eléctrica y maquinabilidad entre otros muchos factores, que afectan la producción de esta pieza.

Figura 2. Ensamble del Nutcase Puzzle en AutoDesk Inventor 2016. [5]

El costo del Nutcase Puzzle en Colombia puede variar entre $60.000 y $120.000 pesos, con lo cual la fabricación de un solo mecanismo fabricado con los métodos convencionales, con la ayuda de la manufactura avanzada se reduce significativamente el precio, debido al ahorro de tiempo, de material, de manufactura en el proceso y del material a utilizar, ya sea un polímero con procesos de tecnologías aditivas o un metal con procesos convencionales en máquinas y herramientas.

El proceso de corte por hilo se facilita ante conductividades térmicas bajas, permitiendo una velocidad de avance mayor y un mejor acabado de la superficie cortada. Dado este parámetro del proceso se tuvieron en cuenta tres materiales: el AA6061-T4, el AISI-SAE 1020 CD y el 4340 Normalizado. El primero es un aluminio que además de poseer una alta maquinabilidad posee una conductividad térmica relativamente baja entre los aluminios, véanse propiedades térmicas en la figura 3. El segundo material es un acero de bajo carbono, que posee una alta maquinabilidad y una baja conducción térmica con relación a los otros aceros y metales en general ( ver figura 4), por lo que el proceso de corte por hilo podría tener altas velocidades de avance, y precisamente el proceso del corte por hilo es el que proceso que posee una mayor demanda de tiempo, por lo que en una cadena productiva es conveniente reducir los tiempos del proceso que restringe la velocidad flujo en la producción. 2

Y el último material considerado es el AISI-SAE 4340 Normalized, el cual posee unas propiedades mecánicas mucho más elevadas que los materiales anteriores, con una maquinabilidad baja pero una conductividad térmica inferior a la del AISI SAE 1020 CD, y además debido a sus altos aleantes, este podría ser tratado tanto térmica como superficialmente en diferentes procedimientos, por lo que acorde con los intereses del proyecto de investigación, este será el material seleccionado. Tabla 1. Comparación de propiedades importantes en la fabricación del NutCase Hanayama para los tres materiales.

Material AA6160-T4 SAE 1010 CD SAE 4340 N

Hardness Modulo Vickers Elástico [Gpa] 75 68,9 126 186 411 200

Esfuerzo de conductividad Maquinabilidad fluencia térmica [W/mK] [escala del material] [Mpa] 145 154 50% 350 51,9 65% 972 44,5 50%

Dado este análisis de lo materiales se seleccionó el AISISAE 4340 Normalized, principalmente por su baja conductividad térmica, y la velocidad que podría tener la producción del ensamble en este material Dado este análisis de los materiales se seleccionó el AISISAE 1020 CD principalmente por la conductividad térmica y la velocidad que podría tener la producción del ensamble con este material, además del peso y resistencia del producto final y todo esto sumado a la posibilidad de realizar un tratamiento superficial posterior y su bajo costo en el mercado.

Figura 6. Barra inicial y barra cilindrado.

Parámetros del proceso IV. PROCEDIMIENTO DE MANUFACTURA A continuación, se presentarán los procedimientos de mecanizado necesarios la fabricación de la pieza principal. Como parte de la manufactura avanzada se presentarán algunos parámetros de control como lo son las herramientas y los tiempos de toque para la fabricación de una pieza.

La herramienta a utilizar es una placa GC4215. Utilizando los parámetros de corte para el desbaste de un cilindro de acero se tomas las siguientes características.

Cilindrado El proceso de cilindrado consta de remover material en dirección radial de una pieza cilíndrica con el fin de que esta quede con las dimensiones y acabados requeridos. Partimos de una pieza cilíndrica de longitud 50mm y 25.4 mm de diámetro, después de montar la pieza en el torno se realiza un refrentado y un cilindrado hasta llegar a un diámetro de 20mm, siendo esta zona donde posteriormente se mecanizará la rosca.

Figura 7. Parámetros de corte.[8]

Proceso de fresado Para la fabricación del hexágono utilizaremos una fresadora convencional, mediante una operación de planeado, utilizando un cabezal divisor universal para garantizar los ángulos del hexágono esta operación sirve para modificar el cabezal del puzzle y que sea en forma hexagonal y así facilitar el agarre y la manipulación de este. 3

mecanizado aunque requiere un tipo de montaje especial y programación CNC, el tiempo de mecanizado en la fabricación del hexágono del puzzle, ver figura 10. En las figuras 11 y 12 se muestra el cabezal y su respectivo montaje en el equipo CNC.

Figura 8. Fresado del hexágono. [5]

Parámetros del proceso Fresa o piña para fresadora con ángulo de 45°, utilizando los parámetros planeados para el desbaste en cada arista del hexágono, se busca la optimización de tiempos en la fabricación del puzzle, y se hace necesario que el diámetro de la fresa o piña para fresadora sea tal que cubra completamente la arista del hexágono, reduciendo así el número de pasadas para la obtención del hexágono, véase figura 13.

Figura 11. Cabezal divisor con giro de 90 grados

Figura 9. Parámetros de fresado.[8]

El proceso anterior descrito seria utilizando las tecnologías convencionales, que para nuestro caso sería la fresadora convencional vertical y el cabezal divisor mostrados en la figura 7.

Figura 12. Montaje de un plato de mordazas en fresadora

Figura 13. Mecanizado en fresadora CNC

Proceso de roscado Tuerca del Nutcase puzzle

Figura 10. Cabezal divisor

Utilizando un método poco convencional para el mecanizado de piezas poligonales y haciendo uso de la fresadora CNC de la universidad de Antioquia, es posible realizar el mecanizado hexagonal de este puzzle mediante las técnicas de programación por CNC, que para esta situación requiere de un montaje especial en la fresadora de un plato de mordazas o un cabezal divisor que permita el giro a 90 grados debido a que se trata de una pieza cilíndrica como se muestra en las figuras 8 y 9, este

Figura 14. Tuerca del Nutcase Puzzle

Para la fabricación de la parte hexagonal es posible utilizar el proceso de fresado ya sea fresado convencional 4

o fresado CNC descritos anteriormente. Para la cavidad interna al igual que el roscado es necesario un proceso de taladrado y roscado interno, para lo cual se hace necesario el proceso de torneado interno ver figura 12. Para el proceso de roscado interno se fabrica una rosca ¾-10 UNC.

Parámetros de roscado

Figura 15. Roscado interno

Debido a que el roscado interno de la tuerca no es sobre todo el diámetro interno, se hace necesario otro proceso de mecanizado, el cual será mediante el uso de la fresadora para obtener las partes lesas requeridas al interior de la tuerca. En este caso, la tuerca hexagonal será adquirida de manera comercial, y será tratada mediante mecanizado convencional par obtener los ángulos de los hilos en requerimiento.

Tabla 1. Parámetros de roscado.[1]

Proceso de taladrado Este proceso consta en hacer un agujero en la parte interior del cilindro. Después de la elaboración de la rosca. Para esta operación se utilizará una Broca de metal duro y se realizará en una profundidad de 40mm. Parámetros de taladrado

Figura 18. Herramienta de corte. [8] Tabla 2. Dimensiones de la herramienta[8]

DC mm 14

dm 16

L2 115

L4 42

L6 65

Figura 16. Vista superior de la tuerca

Para el proceso de roscado externo del tornillo se fabricará una rosca ¾-10 UNC.

Figura 19. Taladrado central. [5]

Corte por hilo Este último proceso es el corte por hilo, el cual se implementará para dividir la rosca hueca en dos secciones para así garantizar el ajuste entre ambas piezas. Figura 17. Roscado en torno. [5]

Parámetros del proceso 5

Tabla 3 Parámetros de corte hilo[1]

VI. EQUIPOS A IMPLEMENTAR

Para la fabricación del prototipo se utilizarán los siguientes equipos de manufactura

Los parametros de corriente y voltaje estan predeterminados por la maquina según su tipo de material, por lo que al programar la opción de acero, ya se tienen todos los parámetros del proceso.

Figura 21. Torno convencional.

Figura 20. Corte hilo. [5]

Figura 21. Fresadora convencional.

V. ALCANCES

El alcance del proyecto es la fabricación del puzzle, junto con un plan de manufactura avanzada y donde se proponen los procesos alternativos de mejora junto con los procesos posteriores que se le realizan al material, como bien pueden ser procesos avanzados sobre la superficie o tratamientos térmicos superficiales como cementación. La fabricación del ensamble será la primera entrega física sobre el proyecto. Dichos procesos de mecanizado se llevarán a cabo en el taller de mecanizado de la Universidad de Antioquia, todo esto teniendo en cuenta los procesos de manufactura que intervienen y los parámetros vistos en el curso de manufactura convencional. En el plan de manufactura avanzada se presentarán los procesos de manufactura que podrían generar mejoras al momento de mecanizar el ensamble en una línea de producción, todo esto teniendo en cuenta los conceptos de manufactura avanzada, entre los cuales se apuntará hacia la automatización, calidad, tiempos de producción y aumento general de la cadena productiva en general. Por otra parte, la tercera entrega se divide en dos entregas, la primera es la realización del plan de producción en línea con manufactura avanzada, teniendo en cuenta el tratamiento posterior que le dará al ensamble, bien sea químico o térmico, y la segunda parte es la realización del tratamiento superficial que se le dará a la pieza. 6

VII. TIEMPOS DE MECANIZADO Tabla 4. Tiempos toque estimados por proceso de mecanizado.

Proceso 0. Corte sinfín 1. Cilindrado 2. Fresado 3. Roscado 4. Taladrado interno 5. Corte hilo 6. Alt. Hex en CNC

Descripción Tiempo [min] Corte de la barra inicial con las medidas necesarias. 10 Disminución del diámetro inicial desde 1" hasta 3/4". 15 Mecanizado de la cabeza hexagonal de los pernos huecos. 22 Elaboración de la rosca 3/4-10 UNC en todo el cuerpo. 30 Desbaste interno del material en el cilindro, agujero de 14 mm. 13 Corte de las paredes sobrantes del perno 60 Elaboración del hexágono de manera alternativa en fresa CNC 15 Tiempo Total 150 (2,5h)

Tabla 2. Comparación de propiedades importantes en la fabricación del Nutcase Hanayama para los tres materiales. [6]

Material AA6160-T4 SAE 1010 CD SAE 4340 N

Hardness Modulo Vickers Elástico [Gpa] 75 68,9 126 186 411 200

Esfuerzo de conductividad Maquinabilidad fluencia térmica [W/mK] [escala del material] [Mpa] 145 154 50% 350 51,9 65% 972 44,5 50%

Referencias [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]

M. P. Groover, Fundamentos de manufactura moderna. 2009. M. Castillo, “El estado de la manufactura avanzada, Competencia entre las plataformas de la Internet industrial.” Hanayama Metal Puzzles, “Cast Enigma - Puzzle Master Inc.” [Online]. Available: https://www.puzzlemaster.ca/browse/wire/metal/. [Accessed: 16-Sep-2018]. J. R. & Edinson, “Manufactura avanzada,” Univ. Antioquia, no. Línea de procesos. AUTODESK INVESTOR, “Autodesk inventor,” [En línea]. Available http//images.autodesk.com/adsk/files/invpro10_detail_bro__us.pdf, 2016. Matweb, “Aluminio AA6061-T4,” www.matweb.com, pp. 1–2, 2018. M. Pessôa, M. Spinola, M. Pessôa, and M. Spinola, “3 – Dinâmica de sistemas,” in Introdução à Automação, 2014, pp. 51–75. Sandvick, “High speed machining and conventional die and mould machining,” Sandvik Coromant, 1999.

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