Proyecto Final FMD 2020 Marina Cabezas

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Proyecto Final FMD 2020 Marina Cabezas
TítuloProyecto Final FMD 2020 Marina Cabezas
Tipo de ProyectoProyecto de Curso
Palabras Claveautómata, impresión 3d, router cnc, corte láser
Período2020-2020
AsignaturaFabricación con Medios Digitales
Del CursoFabricación con Medios Digitales 2020
CarrerasDiseño
Alumno(s)Marina Cabezas
ProfesorLeonardo Aravena
PDFArchivo:Instructivo FMD.pdf

Investigación

¿Qué es un autómata?

Es un mecanismo relativamente auto-operante que imita la figura y los movimientos de un ser animado, un mecanismo que puede ser tanto funcional (como un reloj) como decorativo (como un pajarito que mueve sus alas). Sus movimientos pueden ser activados por agua, pesos que caen, vapor, entre otros.

En un comienzo, estos objetos mecánicos decorativos fueron hechos para uso eclesiástico y decoraciones de mesa en la Edad Media y el Renacimiento. Espectaculares fuentes pueden ser vistas en jardines italianos del siglo XVI; autómatas elaborados (como El Turco, que jugaba ajedrez) fueron populares entre los siglos XVIII y XIX.

A través de la historia, los autómatas han sido apreciados como una fuente de entretenimiento, belleza y asombro.

Casos y referentes

El caballero mecánico de Leonardo Da Vinci

El caballero mecánico.jpg

En torno a 1495 Da Vinci ya había diseñado su primer autómata, un caballero armado mecánico que en el interior de su armadura albergaba un complejo mecanismo de ruedas, engranajes, cables y poleas. Podía sentarse y levantarse, girar la cabeza, cruzar los brazos y alzar el visor de su casco, tal y como recogen los bocetos y dibujos del cuaderno recuperado en 1950. No se tiene la certeza de que Leonardo llegase a construirlo, pero sí se sabe que funcionaba gracias a una réplica que realizó la NASA. Mark Rosheim, ingeniero de la agencia espacial estadounidense, replicó en 2002 el autómata a partir de aquellos esquemas y comprobó la perfección de su diseño, hasta un punto en que implementó algunas ideas de Leonardo en su trabajo con los robots de la NASA.

Aquí se puede ver un poco del funcionamiento del caballero.

Y aquí se pueden hojear algunos de los cuadernos de Leonardo que contienen mecanismos y animaciones de los mismos.



El Turco, un autómata que jugaba ajedrez

El turco.jpg

Este autómata era un invento del barón Wolfgang von Kempelen. El turco había sido diseñado para jugar ajedrez contra cualquier oponente que lo desafiara. Desde su presentación en sociedad en 1770 había derrotado a todos, excepto a un puñado de los mejores jugadores de la época. «Sin embargo, la cuestión de su modus operandi aún no se ha determinado», escribía Poe aquel año.

No tenía precisamente los mejores acabados del mundo. El turco, cuyos movimientos eran bruscos y su confección poco refinada, no parecía gran cosa, pero parecía tener la capacidad de pensar y hasta de sentir. Lo que asombraba era que El turco era un jugador realmente bueno. Parecía responder con una habilidad inexplicable al impredecible comportamiento de los humanos.

Como sospechó Edgar Allan Poe, y otros, El turco era manipulado por un hombre alojado en el gabinete que trabajando a la luz de las velas. El jugador oculto tenía que ser muy bueno. Los dueños de El turco lo contrataban en cada lugar. Debía hacer mover las piezas con el aparato del brazo del pantógrafo. Y asentía con la cabeza moviendo los ojos del autómata, guardando el máximo silencio.

Si bien resultó ser un humano que fingía ser una máquina, que pretendía ser un humano, fue algo más que eso. Fue un provocador temprano de una profunda inquietud. Esa que produce la posibilidad de que una máquina llegue a ser realmente capaz de sentir y pensar como un humano. Y ese es un enigma ético que sigue sin solución.

En este video se explica brevemente la historia del Turco.

Estudio de mecanismos: Máquinas simples

Se denominan máquinas a ciertos aparatos o dispositivos que se utilizan para transformar o compensar una fuerza resistente, o levantar un peso en condiciones más favorables. Es decir, realizar un mismo trabajo con una fuerza aplicada menor, obteniéndose una ventaja mecánica. En general, las máquinas simples son usadas para multiplicar la fuerza o cambiar su dirección, para que el trabajo resulte más sencillo, conveniente y seguro.

Esta ventaja mecánica comporta tener que aplicar la fuerza a lo largo de un recorrido (lineal o angular) mayor. Además, hay que aumentar la velocidad para mantener la misma potencia.

Son máquinas que poseen un solo punto de apoyo, las máquinas simples varían según la ubicación de su punto de apoyo. La rueda, la palanca, la polea simple, el tornillo, el plano inclinado , el polipasto, el torno y la cuña son algunas máquinas simples. La palanca y el plano inclinado son las más simples de todas ellas.

Palanca

Está constituida básicamente por una barra rígida, un punto de apoyo (fulcro) y dos fuerzas presentes (mínimo): una fuerza (o resistencia) a la que hay que vencer (normalmente es un peso a sostener, levantar o a mover en general) y la fuerza (o potencia) que se aplica para realizar la acción que se menciona. La distancia que hay entre el punto de apoyo y el lugar donde está aplicada cada fuerza, en la barra rígida, se denomina brazo . Así, a cada fuerza le corresponde un cierto brazo.

En una palanca podemos distinguir entonces los siguientes elementos:

  • Punto de apoyo o fulcro.
  • Potencia (esfuerzo) : Fuerza que se ha de aplicar.
  • Resistencia (carga): Peso que se ha de mover.
  • Brazo de potencia : Distancia entre el fulcro y el punto de la barra donde se aplica la potencia.
  • Brazo de resistencia : Distancia entre el fulcro y el punto de la barra donde se encuentra la resistencia o carga.
Brazo de potencia (izquierda) y brazo de resistencia (derecha)

TIPOS DE PALANCA:

  • Primer grupo/clase
Palanca g1.jpg

Se caracteriza por tener el fulcro entre la fuerza a vencer y la fuerza a aplicar. Esta palanca amplifica la fuerza que se aplica; es decir, consigue fuerzas más grandes a partir de otras más pequeñas. Por ello, con este tipo de palancas pueden moverse grandes pesos, basta que el brazo b1 sea más pequeño que el brazo b2.

Algo que desde ya debe destacarse es que al accionar una palanca se producirá un movimiento rotatorio respecto al fulcro, que en ese caso sería el eje de rotación.

Algunos ejemplos de este tipo de palanca son: el alicates, la balanza, la tijera, las tenazas y el balancín.

  • Segundo grupo/clase
Palanca g2.jpg

Se caracteriza porque la fuerza a vencer se encuentra entre el fulcro y la fuerza a aplicar. También se observa, como en el caso anterior, que el uso de esta palanca involucra un movimiento rotatorio respecto al fulcro que nuevamente pasa a llamarse eje de rotación.

Algunos ejemplos de esta tipo de palanca son: carretilla, destapador de botellas, rompenueces.




  • Tercer grupo/clase
Palanca g3.jpg

Se caracteriza por ejercerse la fuerza “a aplicar” entre el fulcro y la fuerza a vencer. Este tipo de palanca es ideal para situaciones de precisión, donde la fuerza aplicada suele ser mayor que la fuerza a vencer, y, nuevamente, su uso involucra un movimiento rotatorio.

Un ejemplo de este grupo de palancas es el brazo humano, y cualquier articulación. Otro ejemplo lo tenemos al levantar una cuchara con sopa o el tenedor con los tallarines, una corchetera funciona también aplicando una palanca de este tipo.



En algunas ocasiones, ciertos artefactos usan palancas de más de un tipo en su funcionamiento, son las palancas múltiples.

  • Palancas múltiples
Palancas múltiples.jpg

Son palancas combinadas. Por ejemplo, el cortaúñas es una combinación de dos palancas, el mango es una palanca de 2da clase que presiona las hojas de corte hasta unirlas. Las hojas de corte no son otra cosa que las bocas o extremos de una pinza y, constituyen, por tanto, una palanca de tercer género.




Resumen palancas

La ubicación del fulcro respecto a la carga y a la potencia o esfuerzo, definen el tipo de palanca
Polea

La polea sirve para elevar pesos a una cierta altura. Consiste en una rueda por la que pasa una cuerda a la que en uno de sus extremos se fija una carga, que se eleva aplicando una fuerza al otro extremo. Su función es doble, puede disminuir una fuerza o simplemente cambiar la dirección de la fuerza. Si consta de más de una rueda, la polea amplifica la fuerza. Se usa, por ejemplo, para subir objetos a los edificios o sacar agua de los pozos.




TIPOS DE POLEA:

  • Polea fija: Sólo cambia la dirección de la fuerza. La polea está fija a una superficie.
  • Polea móvil: Se mueve junto con el peso, disminuye el esfuerzo al 50%.
  • Polipasto o aparejo: Formado por tres o más poleas en línea o en paralelo. Es un mecanismo que se utiliza para levantar o mover una carga aplicando un esfuerzo mucho menor que el peso que hay que levantar, se logra una disminución del esfuerzo igual al número de poleas que se usan. Estos mecanismos se utilizan mucho en los talleres o industrias que manipulan piezas muy voluminosas y pesadas porque facilitan la manipulación, elevación y colocación de estas piezas pesadas, así como cargarlas y descargarlas de los camiones que las transportan. Suelen estar sujetos a un brazo giratorio que hay acoplado a una máquina, o pueden ser móviles guiados por raíles colocados en los techos de las naves industriales. Los polipastos tienen varios tamaños o potencia de elevación, los pequeños se manipulan a mano y los más grandes llevan incorporados un motor eléctrico.


Rueda

Máquina simple más importante que se conoce, no se sabe quién ni cuándo la descubrió o inventó; sin embargo, desde que el hombre utilizó la rueda la tecnología avanzó rápidamente, podemos decir que a nuestro alrededor siempre está presente algún objeto a situación relacionado con la rueda. La rueda es circular.


Plano inclinado
Imagen plano inclinado.jpg

El plano inclinado permite levantar una carga mediante una rampa o pendiente. Esta máquina simple descompone la fuerza del peso en dos componentes: la normal (que soporta el plano inclinado) y la paralela al plano (que compensa la fuerza aplicada). De esta manera, el esfuerzo necesario para levantar la carga es menor y, dependiendo de la inclinación de la rampa, la ventaja mecánica es muy considerable. Al igual que las demás máquinas simples, cambian fuerza por distancia. El plano inclinado se descubre por accidente ya que se encuentra en forma natural. Es básicamente un triángulo donde se utiliza la hipotenusa. La función principal del plano inclinado es levantar objetos por encima de la Horizontal.

El plano inclinado puede presentarse o expresar también como cuña o tornillo.

  • Cuña: Se forma por dos planos inclinados opuestos, las conocemos comúnmente como punta, su función principal es introducirse en una superficie. Ejemplo: Flecha, hacha, navaja, desarmado, picahielo , cuchillo.
  • Tornillo: Plano inclinado enrollado, su función es la misma del plano inclinado pero utilizando un menor espacio. Ejemplos: escalera de caracol, carretera, saca corcho, resorte, tornillo, tuerca, rosca.


Nivel o torno

Máquina simple constituida por un cilindro en donde enredar una cuerda o cadena, se hace girar por medio de una barra rígida doblada en dos ángulos rectos opuestos. Como todas las máquinas simples, el torno cambia fuerza por distancia, se hará un menor esfuerzo entre más grande sea el diámetro. Ejemplos: grúa, fonógrafo, pedal de bicicleta, perilla, arranque de un auto antiguo, grúa, ancla, taladro manual.

Engranajes

Se denomina engranaje al mecanismo utilizado para transmitir potencia mecánica de un componente a otro. Los engranajes están formados por dos ruedas dentadas, de las cuales la mayor se denomina corona y la menor piñón.​ Un engranaje sirve para transmitir movimiento circular mediante el contacto de ruedas dentadas.

Una de las aplicaciones más importantes de los engranajes es la transmisión del movimiento desde el eje de una fuente de energía hasta otro eje situado a cierta distancia y que ha de realizar un trabajo. De manera que una de las ruedas está conectada a la fuente de energía (rueda motriz) y la otra está conectada al eje que debe recibir el movimiento del eje motor (rueda conducida).​ Si el sistema está compuesto de más de un par de ruedas dentadas, se denomina tren.

La principal ventaja que tienen las transmisiones por engranaje respecto de la transmisión por poleas es que no patinan como las poleas, con lo que se obtiene exactitud en la relación de transmisión.

PARTES DEL SISTEMA DE ENGRANAJES

  • Módulo (M): el módulo de un engranaje es una característica de magnitud que se define como la relación entre la medida del diámetro primitivo expresado en milímetros y el número de dientes. El tamaño de los dientes está normalizado (indicado por números), dos engranajes de un conjunto deben tener el mismo módulo.
  • Diámetro primitivo (Dp): Es la circunferencia a lo largo de la cual engranan los dientes.
  • Paso circular (Pc): Es la longitud de la circunferencia primitiva correspondiente a un diente y un vano contiguos.
  • Número de dientes (Z): Es el número de dientes que tiene el engranaje.
  • Diámetro exterior (De): Es el diámetro de la circunferencia, coincide con la parte exterior del engranaje.
  • Diámetro interior (Di): Es el diámetro de la circunferencia que limita la base del diente.

ALGUNOS TIPOS DE ENGRANAJES

  1. Ejes paralelos
    • Cilíndricos de dientes rectos
    • Cilíndricos de dientes helicoidales
    • Doble helicoidales
  2. Ejes perpendiculares
    • Helicoidales cruzados
    • Cónicos de dientes rectos
    • Cónicos de dientes helicoidales
    • Cónicos hipoides
    • De rueda y tornillo sin fin

En términos generales los engranajes de dientes helicoidales son capaces de transmitir más potencia que uno de dientes rectos, además de una mayor velocidad, menos ruido y más durabilidad. Por contrapartida, requieren mayor costo de fabricación y necesitan más lubricación para su funcionamiento.

Bielas

Se puede definir como el elemento mecánico que, mediante tracción o compresión, transmite el movimiento a través de la articulación de otras partes de una máquina o motor.

PARTES DE UNA BIELA

Una biela se divide en tres partes principales:

  • Cabeza de la biela: Es la parte con el orificio de mayor tamaño y abraza a la muñequilla del cigüeñal. Actúa como una abrazadera con dos mitades. Una está unida al cuerpo y la otra, llamada sombrerete, se une a la otra con tornillos. Dicha abrazadera sujeta un casquillo metálico o rodamiento que posteriormente abraza la muñequilla del cigüeñal.
  • Cuerpo: Es la parte central alargada y la que debe soportar las mayores tensiones. La sección puede tener forma de H, de cruz o de I.
  • Pie: Es la pieza que abraza el eje del pistón y cuenta con un diámetro inferior al de la cabeza. En él se introduce un casquillo a presión, que posteriormente aloja un cilindro metálico que cumple la función de unir la biela al pistón.

TIPOS DE BIELA

En función de la forma de la cabeza de biela, y como se une a ella el sombrerete, se pueden distinguir:

  • Biela aligerada: es una biela en la que el ángulo que forman las dos mitades de la cabeza no es perpendicular al eje longitudinal del cuerpo.
  • Biela enteriza: se trata de un tipo de biela en la que la cabeza no incluye el sombrerete desmontable, por lo que forma un todo solidario con el cigüeñal o debe separarse a través de muñequillas desmontables.

¿De qué depende el tamaño de una biela?

Las dimensiones de una biela dependen directamente del tamaño que tenga el cigüeñal del motor. Ello viene determinado por régimen de rotación máximo y, cuanto más elevado sea, menor diámetro se requerirá, pero también muñequillas de mayor tamaño.

De igual modo, a mayor número de cilindros y de longitud del cigüeñal hacen necesaria una mayor rigidez y también un incremento del diámetro de las muñequillas.

DIBUJOS DE ALGUNOS MECANISMOS

Dib Fmd2.jpg Dib Fmd3.jpg Dib Fmd1.jpg

Proyecto

CANGREJO AUTÓMATA

La idea de hacer un cangrejo nace de la intención de hacer múltiples partes móviles y utilizar una combinación de los mecanismos previamente estudiados. Inicialmente, los movimientos del cangrejo que buscaban replicarse eran el movimiento independiente y alternado de sus patas, el desplazamiento de izquierda a derecha y el abrir y cerrar de sus tenazas.

Las primeras preguntas que surgen son qué mecanismos utilizar y dónde ubicar la caja transformadora que contiene dichos mecanismos. Con respecto a la ubicación de la caja se consideraron dos opciones: utilizar un mecanismo interno (dentro del cuerpo del cangrejo) o externo (en una caja transformadora). A medida que se desarrollaba el proyecto surgió una tercera opción: un sistema que contemplaba una parte dentro del cangrejo (el movimiento de las patas) y una parte fuera de él (el desplazamiento de izquierda a derecha). Así, las decisiones tanto del mecanismo a utilizar como la ubicación de la caja eran interdependientes.

PRIMERAS IDEAS

Tomando como base éste autómata, surge la primera idea.

Cangrejo boceto 1.jpg Cangrejo boceto 2.jpg

Contemplaba una caja de caras abiertas o transparentes (que dejaran ver el cangrejo) con una caja transformadora ubicada en la parte superior. Esta caja transformadora tendría un mecanismo con hilos que sostuvieran y movieran el cangrejo. El desplazamiento de izquierda a derecha del cangrejo se lograría desplazando la caja superior.

La idea es descartada por la complejidad de unir ambos mecanismos.

Maqueta análoga

El mecanismo elegido para el movimiento de las patas es una adaptación del mecanismo de Theo Jansen y del mecanismo de este autómata. El siguiente video muestra la primera maqueta, intentando replicar el mecanismo de Jansen.


Prototipos digitales

PRIMERA PROPUESTA

Los engranajes laterales serían atravesados por una traba que sería fijada con el paso del eje central a lo largo del cangrejo. En la imagen se ve la mitad de uno de los tres módulos del autómata sin el eje central.

Cangrejo foto1.png Cangrejo foto2.png

Se imprimieron unos engranajes de prueba:

Los engranajes impresos en plástico gris se imprimieron sin raft, uno se rompió al despegarlo de la cama.

Engranaje 1 prueba 4.jpg Engranaje 1 prueba 5.jpg Engranaje 1 prueba 6.jpg

Los engranajes impresos en plástico azul se imprimieron con raft y giraron bien, sin embargo, el juego entre la parte dentada y el centro era demasiado. Se ajustó esta tolerancia de 0,6mm a 0,4mm.

Engranaje 1 prueba 1.jpg Engranaje 1 prueba 2.jpg Engranaje 1 prueba 3.jpg

SEGUNDA PROPUESTA

Los engranajes ya no son fijados por una traba trasera sino que por chavetas individuales. Se aumenta el grosor de los dientes del engranaje central y se agrega una cara extra a cada módulo con el objetivo de estabilizarlo de mejor manera, logrando que el eje descanse en los módulos y no en el mismo engranaje.

En el siguiente video se puede ver el movimiento del mecanismo en el módulo frontal del autómata, mecanismo que debe ser replicado en los demás módulos. Si bien están ensamblados dos de los tres engranajes del mecanismo, el tercero trabaja de la misma manera que el engranaje lateral ya ensamblado. La manivela funciona tanto en sentido horario como antihorario.

IMPRESIÓN 3D DE ENGRANAJES Y MANIVELA

Fmd 44.jpg Fmd 33.jpg

Fmd 22.jpg Fmd 11.jpg

Se ajustó la tolerancia de la manivela a 0,4mm para evitar la separación de sus componentes.

CORTE EN ROUTER CNC

Para este corte se utilizaría una fresa de 3mm. El problema que se presenta es que la fresa es más grande que algunas de las perforaciones.

Dxf propuesta 2.png

Propuesta final

Cangrejo fmd.png

Finalmente, se modificaron algunas piezas para construir el soporte del autómata. Por motivos de tiempo no se construyeron las tenazas y se descartó la adhesión de un mecanismo que desplazara el autómata lateralmente.

Archivos para fabricación

Archivos STL para impresión 3D.

Archivo DXF para corte láser en terciado o MDF de 3mm.

Instructivo

Archivo:Instructivo FMD.pdf