Máquina Autómata Francisco Daniou FMD 2024S2
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! Imagen
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! Autor(es)
| Francisco Daniou
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! Fecha
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! Asignaturas Relacionadas
AsignaturaFabricación con Medios Digitales
|- ! Cursos Relacionados
Del CursoFabricación con Medios Digitales 2024 S2
|- ! Máquinas Usadas | Impresora 3D, Láser CNC |- ! Software(es) | AutoCAD, Fusion 360, Otro |- ! Archivo | |}
Máquina autómata
Diseño
Se diseñó una máquina autómata inspirada en las plantas del género Calathea, de la familia Marantaceae, conocidas por su capacidad de mover las hojas en respuesta al ciclo diurno, en un fenómeno denominado “patrón de oración.” Este fenómeno consiste en que, durante el día, las hojas de la planta se despliegan o descienden, mientras que por la noche se elevan o “rezan”, un comportamiento que responde a estímulos circadianos y constituye un ejemplo de movimiento nictinástico en plantas.
El propósito de esta máquina es emular el movimiento nictinástico de las hojas de una Calathea, es por ello que se diseñó un sistema mecánico de levas que convierte el movimiento rotativo de tres levas en un movimiento lineal, permitiendo el ascenso y descenso armonioso y controlado de las hojas de la planta. Este sistema de levas está integrado en el interior de una caja que simula una maceta y es accionado al hacer rotar una manivela.
Partes
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Vista isométrica. -
Plana frontal. -
Plana posterior. -
Lateral izquierdo. -
Lateral derecho.
La máquina autómata diseñada contempla tres elementos principales:
- Figura: Toma la forma de una planta.
- Mecanismo: Se establece un mecanismo de levas.
- Caja: Adquiere el rol de una maceta.
Maceta
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Vista isométrica. -
Plana frontal. -
Plana posterior. -
Lateral izquierdo. -
Lateral derecho.
La estructura consiste en una caja preexistente obtenida de un repositorio de código abierto diseñada para ser cortada con cortadora láser CNC, compuesta por tres piezas principales:
- Desarrollo: Es un rectángulo alargado con pestañas de ensamblaje a lo largo de su perímetro. Esta pieza incluye zonas de flexión que permiten el plegado de sus extremos, formando así los laterales y el reverso de la estructura.
- Tapas: Las tapas superior e inferior tienen una forma cuadrada con esquinas redondeadas y están provistas de orificios en su contorno. Estos orificios están diseñados para alinearse con las pestañas del cuerpo principal, facilitando el ensamblaje de la estructura.
La caja incluye orificios específicos para montar el mecanismo de levas en su interior y cuenta con una ventana en la cara frontal para observar su funcionamiento. Además, incorpora un grabado superficial en la parte posterior a modo de rotulado.
Mecanismo de levas
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Vista isométrica. -
Plana frontal. -
Plana posterior. -
Lateral izquierdo. -
Lateral derecho.
Este sistema se diseñó para ser cortado con cortadora láser CNC, con excepción de la guía de seguidor de leva que esta diseñada para ser impresa en 3D.
El mecanismo consta de seis componentes:
- Leva: Es una pieza circular cuya rotación define el patrón de movimiento que se transmite al seguidor de leva.
- Seguidor de leva: En contacto directo con la leva, su función es desplazarse linealmente en respuesta al perfil de la leva, transformando así el movimiento rotativo en lineal.
- Guía de seguidor de leva: Es una estructura de forma cilíndrica que limita el desplazamiento horizontal del seguidor de leva.
- Eje: Un prisma rectangular que conecta la leva con el sistema de transmisión, permitiendo la rotación y el funcionamiento integral del mecanismo.
- Manivela: Elemento que genera el movimiento rotativo inicial, activando el sistema de levas.
- Tope: Ubicado en el extremo opuesto a la manivela, evita el desplazamiento de la posición del eje.
Planta
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Vista isométrica. -
Plana frontal. -
Plana posterior. -
Lateral izquierdo. -
Lateral derecho.
La planta Calathea diseñada consiste en un conjunto de cuatro hojas pequeñas y tres hojas de mayor tamaño, cada una acompañada de su respectivo pecíolo. Las piezas que representan las hojas están conformadas por óvalos de MDF cortados con cortadora láser CNC, cuya superficie ha sido grabada para replicar el patrón característico de la especie.
Por otra parte, los pecíolos son piezas impresas en 3D que conectan el conjunto de las cuatro hojas pequeñas a la estructura de la maceta, mientras que, en el caso de las tres hojas de mayor tamaño, los pecíolos se vinculan directamente con el seguidor de levas.
Materiales
Para la fabricación de la máquina autómata, se contempló el uso de los siguientes materiales:
- Plancha de MDF de 50 x 60 [cm]: Una unidad.
- Palo de maqueta 3x3 [mm]: Una unidad.
- Filamento ABS.
Software utilizado
AutoCAD
El software AutoCAD, parte de la suite de AutoDesk, se utilizó para realizar el diseño digital del mecanismo de levas, las figuras y para modificar el archivo generado en Boxes Py. Este archivo externo contenía la estructura de la caja del autómata, a la cual se le aplicaron modificaciones para integrar tanto el mecanismo de levas como las figuras de la máquina.
Además, AutoCAD permitió establecer el orden jerárquico de corte para su posterior elaboración en MDF, definiendo de manera precisa las áreas correspondientes a cortes internos, grabados superficiales (scan) y cortes externos.
Fusion
El software de modelado 3D, Fusion, se utilizó para diseñar componentes como uniones, guías y seguros.
Las uniones permitieron incorporar las figuras de la máquina al ensamblaje de la caja y al mecanismo de levas, el cual requirió el uso de guías para regular su movimiento. Mientras que los seguros, por su parte, se implementaron como un tope y una manivela montados en el eje central, asegurando que tanto este eje como las levas mantengan su posición correcta dentro del sistema.
Boxes Py
El software de código abierto Boxes Py se utilizó para generar un boceto digital con el desarrollo geométrico de una caja de 10 x 10 x 10 [cm].
Esta estructura fue adaptada y modificada para integrar tanto las figuras del autómata como el mecanismo de levas que le proporciona movimiento a la máquina automáta.
Máquinas utilizadas
Corte láser CNC
Se utilizó una máquina de corte láser CNC con los siguientes parámetros operacionales:
- Potencia de corte: 60%.
- Velocidad de corte: 16 [mm/s].
- Potencia de scan: 18%.
- Velocidad de scan: 250 [mm/s].
Impresora 3D
Se utilizó una impresora 3D con los siguientes parámetros técnicos:
- Support type: Automatic.
- Support: 20°.
- Material: ABS.
- Nozzle diameter: 0,4 [mm].
- Layer: 0,29 [mm].
- Quality: High.
- Infill: 30%.
Proceso constructivo
Fabricación
Corte láser
En base a los parámetros operacionales presentados anteriormente, el proceso de corte láser exigió la definición de una jerarquía para la ejecución de ciertos segmentos del boceto digital, lo cual se estableció de la siguiente manera:
- Grabados superficiales (scan): Asignados con la primera prioridad, representados en color verde.
- Cortes internos: Otorgados con la segunda prioridad, designados en color rojo.
- Cortes externos: Con la tercera prioridad de ejecución, identificados en color negro.
Impresión 3D
El proceso de impresión 3D comienza con la configuración del modelo 3D en un software slicer, empleando los parámetros previamente definidos. Una vez completada la impresión, y según la calidad del filamento y de la impresora, puede ser necesario un lijado superficial para mejorar la apariencia estética de las piezas.
Proceso análogo
La construcción del mecanismo de esta máquina autómata incorpora un palo de maqueta para optimizar la integridad estructural y la resistencia del sistema mecánico de levas. Las dimensiones de estas piezas (1 y 4) están especificadas en el archivo .DXF2000, incluido en el repositorio de archivos.
Este archivo puede ser utilizado para el corte láser de dichas piezas en una plancha de MDF; sin embargo, para obtener resultados óptimos al momento de ensamblar y accionar la máquina autómata, se recomienda emplear un palo de maqueta dimensionado de forma análoga.
Ensamblaje
Secuencia de pasos
1. Se construyen los seguidores de levas mediante la unión a presión de los tres pares de piezas n°1 con las piezas n°2.
2. El mecanismo de levas se ensambla insertando las piezas n°3 a lo largo de la pieza n°4. Para ello, las piezas n°3 se agrupan en tres tríos, alineados con el centro de la pieza n°4 y manteniendo una distancia de 16 mm entre los tríos.
3. Se unen los extremos de la pieza n°10 para conformar los laterales de la maceta.
4. Las ranuras de la pieza n°10 se insertan a presión en la pieza n°11.
5. Se inserta el mecanismo de levas, construido en el paso 2, de manera diagonal en el interior de la pieza n°10, alineando el eje con los orificios de los laterales de la maceta.
6. Se colocan las piezas n°5 y n°6 en cada extremo del eje dispuesto en el paso anterior.
7. Se incorporan las tres piezas n°7 en los orificios centrales de la pieza n°12.
8. Las piezas del paso 1 se insertan en el reverso de las piezas n°7.
9. Se cierra la maceta añadiendo la pieza n°12 al conjunto formado en el paso 5.
10. Las dos piezas n°13 y la pieza n°14 se añaden mediante presión, alternando entre ellas según la orientación de sus ranuras.
11. Las tres piezas n°15 se insertan a presión sobre las ranuras de las piezas del paso anterior.
12. Las cuatro piezas n°8 se insertan de manera diagonal en los orificios periféricos de la pieza n°12.
13. Se insertan las cuatro piezas n°9 en las ranuras diagonales de las piezas n°8.
Repositorio de archivos
Los archivos necesarios para la reproducción del objeto se almacenan en una carpeta de Drive.
Esta carpeta incluye:
- Un archivo .DXF2000 para corte láser.
- Un archivo .STL que contiene todas las piezas a imprimir agrupadas.
El archivo para corte presenta los colores de la jerarquía operacional ya definidos, mientras que el último archivo para impresión en 3D, está preparado para ser cargado en el software slicer de preferencia según la máquina, aplicando los parámetros operacionales previamente adjuntos.