TRABAJO FINAL: ELABORACIÓN DE PLATAFORMA Y SOPORTE PARA PATINETA WAVE BOARD

Por: Luisa Fernanda Higuita Gómez

(lfhiguitag@unal.edu.co)

Harlinson Javier Ocampo Guarnizo (hjocampog@unal.edu.co)

Alejandro García Estrella (algarciaes@unal.edu.co)

Camilo Vargas Valencia (camvargasval@unal.edu.co)

Asignatura:Procesos de manufactura

Docente: Diana María López Ochoa

Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín

Diciembre 52013

Procesos de manufactura 1. Indicadores obtenidos en la pieza y la forma como se puede medir en la

Universidad.

Indicadores métricos: se calificará de 1 a 5, siendo 1 la calificación más baja y 5 la calificación máxima.

PLATAFORMAEstéticos

Porosidad: (3) la pieza presenta porosidad en la mayor parte de la superficie, lo que puede disminuir la vida de servicio de esta.

Acabado superficial: (3) debido a que la pieza a simple vista presenta un acabado opaco, se determinó a partir de una comparación entre las piezas originales y las piezas de los grupos que poseían procesos de fundición en cera perdida.

Formación de rebaba: (4) después de la fundición, la pieza no presentó formación considerable de rebaba, evitando un proceso más extenso de maquinado.

Funcionales Tolerancias dimensionales: (5) debido a que la contracción lineal que se

presentó en la pieza fue mínima, la cual se puede tomar como despreciable, las dimensiones finales de la pieza fueron las adecuadas.

Dureza: (3) Se comprobó, realizando rayones en la superficie de varios materiales

Resistencia peso: (5), teniendo como base que el producto va dirigido a niños con un promedio de masa de 21Kg a 38Kg, se realizó una prueba para determinar cuánto peso soporta la plataforma sin deformase, aproximadamente esta soporta 90 Kg.

Propiedades Conductividad eléctrica: (4) utilizando un multímetro se puedo observar

que el aluminio a diferencia del hierro conduce mayor electricidad.

SOPORTE Estéticos

Acabado superficial: (4) presenta buen acabado superficial al igual que la plataforma, se realiza una comparación de la rugosidad de varios

materiales, cuyo resultado es muy sobresaliente debido a que la pieza viene de un proceso anterior como el laminado.

Funcionales Esfuerzos residuales: (2) es posible saber dónde se generan los

esfuerzos residuales a simple vista, para este caso se encuentran en las esquinas, lugar donde se realiza el doblado de la pieza. (nota: debido al gran espesor que posee la pieza este valor es bajo)

Integridad superficial: (2) el hierro es un material que con facilidad se oxida en el tiempo, esto se pudo comprobar al cabo de 3 días, la pieza cambio su apariencia.

2. Descripción general de los procesos usados (no más de una página por proceso).

Plataforma Para fabricar la plataforma de la patineta wave board, se hizo uso del proceso de fundición en arena, el cual consiste brevemente en la reproducción de un modelo elaborado previamente, a través de un metal fundido, el cual llena las cavidades del molde. Por último, el metal se solidifica dando forma a una nueva pieza. En la fabricación de la plataforma se siguió el orden presentado a continuación.

En primera instancia se tomaron las medidas de la patineta, usadas para modelarla en el software Solidworks y para la elaboración de los planos necesarios en la preparación del modelo, el cual fue modificado en su geometría por el encargado del taller, separando la plataforma en dos partes, con el fin de facilitar el diseño de la caja para fundición (ver Figura1). En principio se pensó en la elaboración de un matacho para generar la cavidad del eje, pero para esto se requería una caja mucho más larga, además se dificultaba sostenerlo. Los modelos fueron elaborados en madera.

Con los modelos listos, se procedió a armar las cajas y a fabricar los moldes. Haciendo uso de la arena del taller de fundición, se pusieron los modelos dentro de la caja y se procedió a llenarlas de arena, apisonándola regularmente obteniendo firmeza y buena compactación de la misma. Luego de tener la arena firme se retiraron los modelos para generar las juntas de moldeo con las otras cajas, además se hizo el diseño de las mazarotas y de los canales de llenado, estos últimos fueron ubicados tomando como base una simulación de llenado (en el caso de la pieza Figura 1), la cual mostraba los órdenes de solidificación y las posiciones más adecuadas para los ataques. Este proceso se hizo similar para fabricar los dos moldes de los dos modelos. Al tener las dos cajas unidas (hembra y macho) para cada modelo, se realizó el vaciado. El material fundido fue

Aluminio. Por último un día después se abrieron las cajas de moldeo y se extrajeron las piezas, se les quita la rebaba y se le dan los acabados necesarios. Más adelante se plantearán todas las variables del proceso que fueron tomadas en cuenta.

SoportePara la fabricación del soporte, al igual que con la plataforma, se tomaron las medidas y se modificó un poco el diseño, con tal de que fuera más sencillo a la hora de fabricarse. La pieza se elaboró en un calibre bastante considerable (6mm), con el fin de poder encajar un rodamiento (de igual medida de espesor) que diera movilidad al eje y por lo tanto a la rueda. Después de tomar las medidas, se hicieron los planos y se cortó la lámina con el perfil necesario. Seguido del corte se perforó el agujero del eje la pieza mediante punzonado, operación que no brinda buenas tolerancias a la hora del ajuste. Luego se procedió al doblado a 90° de las dos alas del nuevo diseño (Ver Figura 8), proceso que ocasionó una conicidad en el agujero anterior, obligando a recurrir a otra nueva operación, esta vez de pulido para ajustar el rodamiento. Por último se perforaron los agujeros para el pin que sostiene la rueda

3. Documentación fotográfica del proceso de fabricación

PROCESO DE FUNDICIÓN

Figura 1. Fabricación de modelos

Figura 2. Mezclado de arena

Figura 3. Compactación de arena en la caja de moldeo y tamizado

Figura 4. Introducción de modelos y mazarotas a la caja de moldeo, seguido de rociado de polvos

Figura 5. Fabricación de sistemas de alimentación y cierre caja de moldeo superior

Figura 6. Puesta en marcha del horno

Figura 7. Obtención piezas finales

Figura 8. Manufactura del soporte.

4. Variables controlables en la fabricación y justificación de su selección (temperaturas, tiempos de curado, presiones, voltajes…)

PLATAFORMA Temperatura de fusión del material: Tiene un valor de 660 °C, debido a

que a esta temperatura el aluminio cambia de fase sólida a líquida. [2] Orden de solidificación: Para cada pieza se calculó el orden de

solidificación, arrojando resultados muy similares a los que daba la simulación, con ese orden se tuvo una idea de la ubicación de las mazarotas y lograr un llenado más efectivo.

Cantidad de agua y arena: Con las dimensiones de la pieza original se pudo calcular la cantidad de material necesario para llenar la pieza, aproximadamente 50 Kg de peso y un litro de agua, estos valores se predeterminan para garantizar la compactabilidad de la arena en el molde.

Tipo de arena y compactabilidad: El tipo de arena usada para la realización de la plataforma es la que se maneja en el taller de fundición, llamada arena en verde o arena húmeda; la cual debe cumplir requisitos como: buena permeabilidad, resistencia en caliente y colapsabilidad. [1]Estos parámetros se controlan con base a la experiencia del encargado del laboratorio, para así tener la certeza de que esta quedara firme y apta para su función.

Tipo de material: El material usado fue aluminio, debido a la disponibilidad en el taller de fundición.

Tamaño de la caja de moldeo: como se mencionó anteriormente, la caja se hizo en el tamaño adecuado, ya que si se hubiera usado mazarota, esta quedaría más grande, lo cual puede afectar el llenado de la pieza.

SOPORTE

Dimensiones de la pieza: Es importante tener las medidas adecuadas, tanto para garantizar un buen funcionamiento, como para hacer el proceso de doblado con facilidad.

Sentido de las fibras: La lamina usada para la realización del doblado, proviene de un proceso de laminado en donde las fibras vienen orientadas linealmente, lo que puede ayudar a facilitar el proceso de formado de la pieza.

Radio de doblado: es uno de los parámetros más importantes del doblado, depende del espesor del material [3]. Un adecuado radio puede determinar la resistencia del material.

Material de fabricación: El material predeterminado para realizar el doblado fue hierro, debido a la disponibilidad y economía de este.

5. Variables incontrolables y descripción del efecto en la pieza final

PLATAFORMA

Velocidad de vaciado: La velocidad de vaciado fue controlada por dos estudiantes, lo que ocasionó que esta no fuera constante.

Temperatura de vaciado: Debido a la gran cantidad de cajas para vaciar, no se llevó un correcto control de la temperatura, además no se contaba con cubilotes que mantuvieran la temperatura constante.

Atmosfera del horno: Tiene un valor aproximado de 1500 °C, garantizando así que la temperatura de las paredes del cubilote transfiera el calor necesario para llevar el aluminio al punto de fusión.

Evacuación de gases: debido a la permeabilidad de la arena, no se tenía conocimiento de los lugares por donde se iban a evacuar los gases.

SOPORTE

Calor disipado en el doblado: Las matrices no tenían sistemas de refrigeración. Se debe llevar un control de este principalmente para producción a gran escala.

Paralelismo de la pieza: Debido al desgaste del punzón, no se tenía certeza de que este junto con la matriz cerraran completamente horizontal.

6. Análisis del proceso: resultados obtenidos y conclusiones sobre ellos a partir de variables y mecanismos involucrados en la transformación del material.  Incluyan una comparación de la geometría obtenida y la establecida en el plano inicial.

FUNDICIÓN La arena es el material ideal para los moldes por su alta resistencia a las altas temperaturas y buena permeabilidad [2], preferiblemente la arena sintética debido a que se procesan por medios mecánicos para eliminar materiales inaceptables que puedan afectar su integridad [4].La arena se acondiciona para su uso mediante máquinas para mezclar (ver Imagen 1), donde es humedecida con agua para obtener una buena cohesividad de los aglutinantes, como es de notarse la cantidad de humedad presente en ella, dependerá exclusivamente de la percepción y experiencia del operador, a menos que se tengan equipos especiales para ello. Se tuvo que realizar varias veces el moldeo debido a que se secaba prematuramente causando el colapso de las cavidades además esto afecta los costos finales del proceso.

Se evitaron las esquinas y ángulos agudos en el modelo para impedir que las piezas finales tuvieran concentradores de esfuerzos y llevaran al material a agrietarse durante la solidificación, conduciendo a las piezas a una posible falla en funcionamiento ver imagen 1.

Los rechupes causados por la contracción de las piezas, se generaron en las mazarotas, que fueron adecuadas para tal fin, esto fue calculado mediante el orden de solidificación cuyos cálculos se muestran al final del trabajo en los anexos.

Durante el diseño es importante considerar que debido a la contracción se deben dar sobre dimensiones a las piezas, para que las medidas finales sean las

exactas, esto se pensó en nuestro caso por medio de la contracción lineal (última fase de la solidificación hasta alcanzar la temperatura ambiente) que sufre el aluminio siendo aproximadamente del 1,25%, para ilustrar esto se presenta lo siguiente:

Espesor de la base patineta

Contracción 1,25%

Longitud final necesaria para el modelo

Se necesitaría un poco más de una décima de milímetro para dar la dimensión final al modelo, con los instrumentos que se poseen en el laboratorio no sería posible llegar con exactitud, además cualquier golpe o desalineación que le imparta el operario al modelo, ocasionaría que se pierda esta, por tal razón se llega a la conclusión que se despreciarán las medidas de sobre dimensiones [5].

Para tener una idea más clara acerca del proceso, se realizó una simulación a través del programa Moldfow de Autodesk, es una herramienta que permite evaluar el diseño de los moldes para inyección, piezas de plástico así como el proceso de inyección, orientación de las fibras y contracciones y también brinda información acerca de puntos relevantes para comparar con el proceso de fundición en arena (a pesar de que presenten diferencias en los materiales utilizados: plástico - aleación de aluminio) [6], los resultados se muestran a continuación:

Espesor de pared nominal: Las variaciones del espesor de las paredes producen una variación del flujo y pueden ocasionar una deformación excesiva.

Imagen 9.Espesor de pared plataforma. Imagen 10.Espesor de pared soporte de eje.

Elaboración propia Elaboración propia

Ángulos de desmolde: Muestra la variación de la extracción de la pieza, de manera que se pueden identificar las entidades o regiones que poseen un ángulo de extracción pequeño o nulo, es posible que necesiten un cambio de diseño, aunque en los modelos finales se tuvo en cuenta lo anterior.

Imagen 11.Angulo de desmolde plataforma. Elaboración propia

Imagen 12.Angulo de desmolde Soporte eje. Elaboración propia

Indicador de resistencia al flujo: Identifica las zonas más óptimas para los puntos de entrada, minimizando la resistencia de flujo. Se puede ver que la resistencia al flujo más crítica está en la entrada del material.

Imagen 13.Indicador resistencia de flujo plataforma. Elaboración propia

Imagen 14.Indicador resistencia de flujo soporte eje. Elaboración propia

Confianza de llenado

Brinda la probabilidad de que el material pueda llenar todo la pieza en condiciones normales de procesamiento. Es importante resaltar que se tomó un material generic PP tal que su flujo fue el adecuado para llenar toda la pieza.

Imagen 15.Indicador resistencia de flujo plataforma. Elaboración propia

Imagen 16.Indicador resistencia de flujo plataforma. Elaboración propia

Tiempo de llenado: El tiempo de llenado fue de 12.51 segundos en la inyección pero si se contrasta con los 6 segundos aproximados que tardó el proceso de fundición en arena, deja ver que ambos difieren, porque tanto el polímero como la aleación de aluminio poseen propiedades de flujo diferentes también se logra observar el avance del material llenando las cavidades de la pieza. La simulación concuerda con los datos obtenidos en el orden de solidificación (ver anexos).

Tabla1. Tiempo de llenado. Elaboración propia

Predicción de la calidad: Este punto muestra las zonas que pueden llegar a tener problemas relacionados con la presión de llenado, temperatura, tiempo de enfriamiento etc. Probablemente los defectos de contracción que se muestran de color amarillo no se dieron en el proceso de fundición en arena debido al cambio de geometría que se le aplico al modelo ver imagen 17 precisamente para evitar esquinas y ángulos agudos, que como se mencionó anteriormente son concentradores de esfuerzos y pueden llevar a la pieza a agrietarse.

Imagen 17.Prediccion de la calidad 1. Elaboración propia

Imagen 18. Predicción de la calidad 2. Elaboración propia

Juntas frías: Se muestran junto con el gráfico del tiempo de llenado y las líneas de contorno de llenado del material. Este punto es relevante, con ello se puede tener la idea sobre donde es posible que se generen las juntas frías en el proceso de fundición en arena, en este último no es visible la dirección en la cual se llena la pieza, ni donde pueden quedar las juntas frías.

Imagen 19. Juntas frias 1. Elaboración propia

Imagen 20.Junats frías 2 Elaboración propia

Aire atrapado: Se muestra en el gráfico, al igual que las juntas frías no es posible visualizarlos durante el proceso, por ello la herramienta Moldflow se convierte en un instrumento indispensable para concebir nuestro proceso de fundición en arena como un todo, para lograr obtener las mejores propiedades en las piezas.

Imagen 21.Juntas frías. Elaboración propia

Como se mencionó en el ítem anterior, la formación de poros o aire atrapado no se puede ver por qué se encuentran embebidos en la pieza. Al realizar una inspección visual se pudo observar la presencia de esta, la cual pudo ser ocasionada por que el embudo en la colada debe mantenerse siempre lleno, para evitar que arrastre partículas o atrape aire por la formación de remolinos, como el proceso de vaciado no se realizó con sistemas automatizado si no mediante calderos manejados a mano, que eran imprecisos lo que puede ser una respuesta al problema tratado [5], en la imagen 22 se aprecia la porosidad superficial.

Imagen 22. Porosidad, soporte eje. Elaboración propia

Las forma final de las piezas, fueron aproximadas a las deseadas, esto se puede evidenciar al realizar una comparación visual entre los planos iniciales y las piezas obtenidas al final de cada proceso.

Imagen 23. Producto terminado. Elaboración propia

Imagen 24. Piezas originales. Elaboración propia

DOBLADO

Imagen 25.Pieza doblada. Elaboración propia Imagen 26 .Pieza original. Elaboración propia

7. Análisis de defectos encontrados con hipótesis sobre su origen.

PLATAFORMA

Poros: La pieza tiene pequeños poros por toda su superficie, puede ser debido al proceso de solidificación y a la agitación del aluminio en el momento de llenado. Algunos autores afirman que es causada por contracción durante el proceso de solidificación, y esto a su vez puede ser debido a impurezas sólidas, liquidas o gaseosas en el material.

Cebras: El proceso de compactación parecía ser poco uniforme, se hizo fuerte en la parte superior del molde, cree que esto fue lo que provocó algunas grietas en el molde final, estas grietas se llenaron y crearon marcas en la superficie parecidas a rayas de cebra o colas de ratón.

Juntas frías: Algunas zonas quedaron con traslapes. Esto pudo deberse al hecho de que en el molde hubo cuatro ataques para la plataforma, lo que aumentaba la posibilidad de que metal sólido hubiese chocado.

SOPORTE

Agujero ovalado: el soporte se realizó a partir de una placa, la cual se cortó, posteriormente se le hizo el agujero de la mitad y por último se dobló , al hacerlo de esta manera, el agujero interno donde debe ir un rodamiento quedó un poco deformado por el proceso de doblado.

Juntas concentradoras de esfuerzo: El doblado en teoría deformó la estructura cristalina de la pieza en las zonas que fueron dobladas, por lo que se puede esperar que sean concentradoras de esfuerzos.

8. Bibliografía

Trabajos citados

[1] K. &. schimid, de Manufactura, ingeniería y tecnología, México, Perarson educación, 2002, p. 289.

[2] «Lenntech,» [En línea]. Available: http://www.lenntech.es/periodica/elementos/al.htm. [Último acceso: 30 Noviembre 2013].

[3] Castro Luisa Fernanda. Condiciones técnicas para un correcto doblado. 2005

[4] En línea. Avaible: http://www.utp.edu.co/~publio17/laboratorio/ensayo_arena.htm]. [Último acceso 1 diciembre 2013].

[5] H. Appold, K .Feiler, A.R einhard, P. Schmidt, “Tecnología de los metales para profesionales técnico-mecánicas”, Reverté, 1985, p 129. [En línea]. Avaible: http://books.google.com.co/books?id=_e0h1WvbEpYC&pg=PA129&lpg=PA129&dq=contraccion+lineal+aluminio&source=bl&ots=YfVTJ3WiBh&sig=B-hJcskQfEqrwbfFXkvCLgwFgcE&hl=es&sa=X&ei=cZ9yUrmtAoHN2AX1roGYBQ&ved=0CCkQ6AEwAA#v=onepage&q=contraccion%20lineal%20aluminio&f=false

[6] Autodesk, “Moldflow adviser 2014”, [software computacional]. Avaible:http://wikihelp.autodesk.com/Simulation_Moldflow_Adviser/esp/2014/Videos/AMA_Analizar_una_pieza],

ANEXOS

Orden solidificación

Pieza 1

Sección A

Volumen

Área que disipa calor

Modulo geométrico

Factor de forma tomado como una placa infinita

Módulo de enfriamiento

Sección C

Volumen

Área que disipa calor

Modulo geométrico

Factor de forma tomado como una placa infinita

Módulo de enfriamiento

Sección B

Volumen

Área que disipa calor

Modulo geométrico

Factor de forma tomado como una placa infinita

Módulo de enfriamiento

Conclusión

Como podemos ver en los resultados de los cálculos, la parte de la pieza que posee los modulos de enfriamiento más altos es la sección C además lo anterior concuerda con los resultados que arroja la simulación en moldflow

adviser.

Pieza 2

Sección A

Volumen

Área que disipa calor

Modulo geométrico

Factor de forma tomado como un cilindro cortó

Módulo de enfriamiento

Sección C

Volumen

Área que disipa calor

Modulo geométrico

Factor de forma tomado como esfera

Módulo de enfriamiento

Sección B y D iguales

Volumen

Área que disipa calor

Modulo geométrico

Factor de forma tomado como una barra infinita

Módulo de enfriamiento

Conclusión

Como era de esperarse la parte más grande de la pieza es la que posee el módulo de enfriamiento más alto, es decir es la que tarda más tiempo en solidificarse es por tal motivo que la mazarota se colocó cerca de ella.