Optimización del proceso de fundición mediante el =
proceso
de ingeniería inversa y aditiva de un cabezote de un motor de bajo cilindra=
je
Optimization of the casting process throu=
gh
the reverse and additive engineering process of a small displacement engine
head
|
=
1 |
Edgar Fabián Sánchez
Carrión |
|
http://or=
cid.org/0000-0002-8027-2799 |
|
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|
Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo (ESPOCH), Facultad de Mecánica, Riobamba,
Ecuador, |
|||
|
=
2 |
Edison Patricio Abarca Pérez |
|
http://or=
cid.org/0000-0001-7041-4805 |
|
|
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Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo (ESPOCH), Facultad de Mecánica, Riobamba, Ecuad=
or, |
|||
|
|
Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo (ESPOCH), Facultad de Mecánica, Riobamba, Ecuad=
or. |
<=
span
lang=3DEN-US style=3D'font-size:12.0pt;font-family:"Times New Roman",serif;
mso-ansi-language:EN-US'>
<=
span
lang=3DEN-US style=3D'font-size:12.0pt;font-family:"Times New Roman",serif;
mso-ansi-language:EN-US'>
|
|
Artículo de Investigación Científica y
Tecnológica Enviado: 16/05/2022 Revisado: 27/06/2022 Aceptado: 01/07/2022 Publicado:26/07/2022 DOI: https://doi.org/10.33262/c=
oncienciadigital.v5i3.1.2249 |
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Cítese: |
|
Sánchez Carrión, E.=
F.,
Abarca Pérez, E. P., & Arguello, E. E. (2022). Optimización del proce=
so
de fundición mediante el proceso de ingeniería inversa y aditiva de un
cabezote de un motor de bajo cilindraje. ConcienciaDigital, 5(3.1), 236-2=
53. https://d=
oi.org/10.33262/concienciadigital.v5i3.1.2249 |
||||
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|
CONCIENCIA DIGITAL, es una revista
multidisciplinar, trimestral, que se publicará en soporte electrón=
ico
tiene como misión contribuir a la formación de
profesionales competentes con visión humanística y crítica que sean capac=
es
de exponer sus resultados investigativos y científicos en la misma medida=
que
se promueva mediante su intervención cambios positivos en la sociedad.&nb=
sp;https://concienciadigital.org =
La revista es edita= da por la Editorial Ciencia Digital (Editorial de prestigio registrada en la Cámara Ecuatoriana de Libro con No de Afiliación 663) www.celibro.org.ec<= o:p> |
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Esta revista está protegida bajo una licencia
Creative Commons Attribution Non Commercial No Derivatives 4.0 Internatio=
nal.
Copia de la licencia: http://creativecommons.org/licen=
ses/by-nc-nd/4.0/ |
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|
Palabras claves: fundición de aluminio, CAD-CAM, ingeniería inversa, aleación, mold=
es
en arena. |
|
Resumen Introd=
ucción:
En la industria manufactura de piezas y partes e=
n la
industria automotriz se ha visto escasamente desarrollada en nuestro país=
, es
por ello por lo que se ha creado políticas gubernamentales como el acuerdo
ministerial N 14 264, el cual busca ampliar la gama de productos de
fabricación nacional para la industria automotriz. Objetivos: El
objetivo se enfoca en la obtención del modelo y los parámetros del proces=
o de
manufactura para obtener un modelo mediante la ingeniería inversa; para
conseguir un prototipo de alta calidad y económicamente viable. Metodología: El
proceso de manufactura elegido es la fundición en arena el cual es un pro=
ceso
que nos permite obtener figuras complejas con alta calidad y coste asequi=
ble,
para ello es necesario realizar el elemento, el procedimiento aplicado es=
un
proceso de escaneo, que el resultado es una nube de punto, para luego
transformar a una malla y obtener un elemento sólido obteniendo las
características iniciales del proceso. Result=
ados: Con las características del proceso de moldeo,
mediante iteraciones teniendo un error de 0.39 % para un caudal de 0.1728543=
3 |
||||
|
Aluminum casting, CAD-CAM, reverse engineering,
alloying, sand casting |
|
Abstract |
||||
<=
span
lang=3DEN-US style=3D'font-size:12.0pt;font-family:"Times New Roman",serif;
mso-ansi-language:EN-US'>
Introducción
En
el campo de la industria de la manufactura de piezas y partes para el campo
automotriz se ha visto escasamente desarrollada en nuestro país, es por ell=
o por
lo que los gobiernos han creado políticas para que se pueda desarrollar la
industria automotriz nacional mediante el acuerdo ministerial N 14 264, el =
cual
busca ampliar la gama de productos de fabricación nacional para la industria
automotriz.
Dentro
del mercado automotriz ecuatoriano se ha visto un incremento de las
importaciones de motos en el sector llegando a su pico más alto en el mes de
mayo del 2021 con un total de 7824 unidades importadas, cifras reportadas p=
or
AEADE en su boletín del mes de mayo del 2022.
El
desarrollo de este trabajo presenta un modelo de un elemento automotriz com=
o es
el cabezote de un motor de 100 cc. que dentro de la industria nacional es un
producto que es ampliamente distribuido como repuestos y el alcance es
presentar los parámetros de desarrollo de este producto mediante la fundici=
ón
de arena para obtener un elemento funcional de producción nacional y que sea
viable su manufactura, para así contribuir a la industria y al cambio de ma=
triz
productiva, teniendo en consideración la optimización de las características
del material y su porcentaje de elementos aleantes a la matriz principal de
aluminio (Gumbmann et al., 2017). Tanto las características de la fundición=
, así
como los elementos complementarios para obtener un molde de arena, deben
satisfacer las propiedades necesarias para el elemento fundido (Sadarang & Kumar, 2021). Así=
mismo
este trabajo se enfoca en el diseño del elemento mediante ingeniería inversa
mediante escaneo 3D y fotogrametría del elemento ya indicado
La
fundición como proceso de manufactura es necesaria altos consumos de energía
por lo cual para que la fundición de estos elementos sea viable económicame=
nte
es necesario tener en cuenta la eficiencia energética del proceso (Haraldss=
on &
Johansson, 2018). Tomando en consideración debemos enfocarnos a que este
proceso sea amigable con el medio ambiente, es por ellos que la manufactura
aditiva nos ayuda a optimizar procesos y ahorrar energía en el proceso de la
fundición (Sivarupan et al., 2019=
).
La
investigación también enfoca el diseño y los parámetros del proceso de
manufactura del cabezote de un motor de 100 cc. mono cilíndrico mediante la
utilización de la ingeniería inversa y un método propio de fundición, ya qu=
e,
en Ecuador no se cuenta con procesos de manufactura de piezas y partes
automotrices de un motor de combustión interna tanto móviles como fijas, por
tal razón, por ellos se estudia las variables óptimas del proceso manufactu=
ra
de un cabezote mediante métodos de desagregación tecnológica. El que el pro=
ceso
de manufactura seleccionado que va a ser la fundición por arena, dentro de =
los
objetivos es reutilizar la arena de moldeo garantizando las propiedades de =
la
arena y la preocupación ambiental (Venkata
et al., 2021).
En la industria nacional el gobierno ecuatoriano=
en
su intento por el cambio de la matriz productiva y para desarrollar la
industria de manufactura automotriz de piezas y partes, establece la normat=
iva
gubernamental donde los vehículos motorizados ensamblados en el territorio
nacional deben contener el 19% de autopartes fabricadas en el Ecuador,
generando diferentes estrategias para reducir las importaciones en especial=
en
el sector industrial automotriz.
Figura 1
Importaciones históricas de motos
Fuente: Asociac=
ión de
Empresas Automotrices del Ecuador (AEADE, 2020)
En
la figura 1 podemos observar que en lo que van del año 2022 ya tenemos 6134
unidades de motocicletas importadas a nuestro país, según datos de la AEADE;
podemos observar que es una industria en incremento a nivel nacional, a la =
cual
según lo planteado anteriormente es un nicho de mercado en alza en nuestro =
país
y es por ello por lo que es objeto de nuestro estudio. Cabe recalcar que la
mayoría de los repuestos de esta industria vienen importados de otros paíse=
s, y
es por ello por lo que el objeto de estudio es los parámetros del proceso de
manufactura de este.
Metodología
En
los procesos de manufactura dentro de la industria automotriz, el proceso de
fundición es muy ampliamente difundido para construir diversos tipos de
maquinaria, un amplio campo es la construcción de piezas y partes automotri=
ces
que para ello es necesario un conocimiento técnico, CAD, del proceso de
manufactura y la mecánica de fluidos.
Dentro
del modelo que nos va a servir para la fundición es necesario tener claro l=
as
tolerancias, el proceso de moldeo, fundición y las variables de la fundición
entre las cuales destaca los diferentes tipos de moldes para obtener una al=
ta
eficiencia, calidad y un coste competitivo para el mercado nacional. Tenien=
do
en cuenta que la fabricación por fundición es llevar al material de relleno=
a
una alta temperatura para introducir en un molde con la forma previa del ob=
jeto
final que necesitamos, desde este punto el material se enfría produciendo u=
na
solidificación, un dato importante es que influyen entre otros parámetros en
que el elemento final sea de fácil maquinabilidad (Dong et al., 2009). Los
moldes más tradicionales son los de arena ya que por su costo y la compleji=
dad
de los elementos que se puede realizar es el más difundido y es el que se v=
a a
necesitar para los procesos aquí descritos. También es necesario considerar=
la
cantidad de energía que está presente en la fundición que es un valor
importante para la generación del costo de producción y así optimizar dicha
energía (Carabalí et al., 2018).
Para
obtener el elemento se utiliza procesos de escaneo del elemento original pa=
ra
así tener la pieza con las medidas correctas para la fundición, para ello
utilizamos la ingeniería inversa: Se interpreta a la ingeniería inversa com=
o la
técnica de copiado de geometrías en diferentes aplicaciones artísticas,
prototipado de elementos mecánicos, etc. Sin embargo, la ingeniería inversa=
es
el proceso mediante el cual, el diseñador parte de la existencia de un sist=
ema,
elemento, o aplicación de ingeniería en cuestión para realizar su reproducc=
ión
e innovación de forma eficiente y rápida, en especial cuando se trata de
geometrías complejas (Monroy et al., 2013).
Una
característica adicional es integrar la ingeniería aditiva al proceso de
fundición para así optimizar el proceso ante su par tradicional para garant=
izar
procesos de alta calidad (Hawaldar &=
Zhang,
2018). Por lo que es necesario obtener el elemento con las medidas
reales para luego tener al modelo pasarlo a un programa para poder imprimir=
lo
en 3D con un filamento que nos garantice las medidas y poca deformación del
elemento a ser fundido, para que este sirva de modelo para nuestro molde de
arena, este proceso nos ayuda a optimizar el molde con elemento con el que
conste toda la estructura interna y externa de nuestro elemento a fundir (<=
span
style=3D'background:#FCFCFC'>Almaghariz et al., 2016). Una vez alcan=
zada
las medidas necesarias de nuestros parámetros de molde se va a realizar el
mismo procedimiento teniendo en cuanta las consideraciones detalladas para =
que
el procedimiento sea compatible con la impresión en 3D (Snelling et al., 20=
19).
Resultados
El
elemento que se va a analizar en este trabajo es un block de motocicleta, el
cual se utiliza la parte CAD para modelar dicho elemento y así encontrar las
medidas iniciales para comenzar nuestro análisis del este proceso de fundic=
ión,
calculando todos los parámetros necesarios que se van a detallar a
continuación.
El
material que vamos a utilizar en el presente trabajo será una Aleación de
Aluminio 1060 que presenta diversos beneficios para el elemento, así como
también vamos a utilizar una arena silícea para el molde, que vamos a poder
calcular todos los parámetros para nuestro trabajo.
Para
el siguiente trabajo tenemos un cabezote del motor de 100 cc, para los
parámetros geométricos del motor tenemos los siguientes datos que se presen=
tan
a continuación:
Figura 2
Elemento obtenido medias fotogrametría
La fu=
erza
de compresión, la permeabilidad del molde y la dureza son las tres importan=
tes
propiedades del molde de arena verde, donde estas propiedades están
directamente influenciadas por el tipo de arena que se va a utilizar en la =
fundición
(Nandagopal & Sivakum=
ar,
2022). Es por ello por lo que necesitamos describir los datos del material a fundir tenemos en la
siguiente tabla:
Tabla 1
Datos de material y arena a fundir
|
Datos material aluminio |
Datos
molde – Arena silícea |
|
|
|
En
primera instancia necesitamos obtener la constante del molde vamos a utiliz=
ar
en el proceso y el cual depende de la arena que vamos a utilizar:
Con
la información geométrica del elemento a fundir calculamos el tiempo en que
comienza a solidificarse nuestro elemento teniendo en cuenta la regla Chvorinov que relaciona la constante del =
molde,
el volumen y área superficial.
Para
poder calcular el caudal es necesario determinar la masa total del sistema =
es
necesario obtener la masa del elemento a fundir, pero también tener la masa=
del
sistema de fundición, es por ello por lo que es necesario en este punto asu=
mir
a esta masa y tomaremos el valor de 1 Kg.
La
altura del bebedero que consideramos es 200 mm y el flujo másico obtenido
anteriormente obtenemos los siguientes datos complementarios al sistema de
distribución del fundido.
Con
estos valores podemos obtener las dimensiones para el bebedero el canal y e=
l área
de la puerta para el fundido como se presenta a continuación.
El
área superior del elemento:
El área inferior:
Con
lo que vemos que el diámetro superior es más grande que el diámetro inferior
con lo que nos aseguramos de que la forma sea troncocónica para evitar la
entrada de burbujas de aire al canal de distribución. Con estos datos obten=
er
el volumen del bebedero.
=
En
el cálculo del ancho del canal lo definimos por:
La
longitud del canal lo definimos como un sistema en el que solo vamos a tener
una sola entrada de alimentación a nuestro material fundido obteniendo el
siguiente valor:
Con
los datos obtenidos anteriormente definimos el valor del canal mediante la =
siguiente
ecuación:
Las condiciones geométrica=
s de
la base del bebedero la definimos mediante las siguientes ecuaciones:
Con los resultados obtenid=
os
de los valores obtenemos el volumen total del sistema en el que vamos a fun=
dir
para comparar con el valor asumido.
Con los valores del volumen del sistema procedem=
os a
comparar si la masa asumida se encuentra dentro de los valores.
Con la masa encontrada
calculamos un nuevo caudal:
La
masa asumida para este proceso es de 1 kg y dentro de nuestros cálculos ten=
emos
una masa de 0.3458 Kg, el caudal estimado es 0.285 Kg/s y 0.19 Kg/s
respectivamente, teniendo un error porcentual del 33.23 %; por lo que con e=
sta
nueva masa y caudal vamos a realizar una iteración hasta poder encontrar da=
tos
que se ajuste a nuestro sistema de distribución de colada.
Para
poder validar la información de nuestros elementos a fundir, fue necesario
realizar nuestro procedimiento hasta encontrar un error bajo que en nuestro
caso fue de 0.39 %. En el gráfico podemos observar la curva que maneja el e=
rror
hasta llegar a nuestra medida deseada.
Figura 3
Errores en los parámetros de fundición
Como
podemos observar en la figura 3 que los cálculos realizados logran
estabilizarse en un caudal de 0.17285433 =
Figura 4
Medida del caudal en cada iteración
Una
vez encontrado el valor del caudal corregido procedemos a encontrar tal y c=
omo
se detalló en los procesos anteriores los diámetros de los bebederos; tenie=
ndo
después del procedimiento un diámetro superior de bebedero de 16,73 mm, y un
diámetro inferior del bebedero de 10.21 mm.
Figura 5
Medida del diámetro superior e inferior del bebedero en cada iteraci=
ón
Un
cálculo necesario es el proceso de encontrar el volumen del sistema y como
observamos en la iteración 3 ya obtenemos un valor de 82373.2617 mm3.
Figura 6
Medida de la variación del volumen del sistema en cada iteración
El valor del volumen total=
del
sistema nos permite encontrar la masa necesaria:
Obteniendo la masa total n=
ecesaria
para fundir nuestro elemento:
Con los valores que hemos
obtenido procedemos a introducirlo en un software CAD, y nos permite compro=
bar
el volumen que vamos a necesitar para fundir el cabezote.
Figura 7
Medida del sistema de distribución
Posteriormente
utilizando ingeniería aditiva (impresión 3D) crear nuestros modelos para la
fundición. Modelo con el cual nos va a ayudar a moldear la arena, pero es
necesario tener en cuenta que la arena de moldeo va a contener aglutinantes=
y
otros parámetros para que nuestro modelo obtenido tenga la solidez adecuada=
que
va a necesitar el elemento fundido (Goto
et al., 2022). Estas características del modelo es importante tener =
en
cuenta el tamaño de grano de la arena de moldeo para que la fundición obten=
ida
sea satisfactoria a los elementos y condiciones detalladas en este trabajo =
(Sivarupan et al., 2020).
Figura 8
Impresión en 3D de los elementos
Para
el costo de construcción que llevaría este cabezote y ya al tener ya la masa
total de que se va a necesitar para el elemento, entre tanto la manufactura
aditiva utilizada es necesario seleccionar el material de impresión correct=
o y la
orientación de deposición de material adecuadas para tener un elemento ópti=
mo
que sirva de modelo para el moldeo (Tezel
et al., 2020). Por lo tanto, que el elemento es necesario considerar=
las
operaciones posteriores del elemento fundido, que provienen de la ingeniería
inversa y la facilidad del mecanizado (Jun
& Li, 2022). El costo financiero se lo representa en la siguiente
tabla:
Tabla 2
Costos de materia prima para la fundición
|
Descripción
|
Costo |
|
Arena
y Resina |
$
75.00 |
|
Fundentes
|
$ 100.00 |
|
Servicios
CAD |
$
40.00 |
|
Impresión
3D |
$ 40.00 |
|
Aluminio
|
$
30.00 |
Conclusiones
·&nb=
sp;
Los parámetros óptimos para este proceso se lo rea=
lizo
con una altura de bebedero de 200mm y un caudal de 0.17285433
·&nb=
sp;
Con el valor del caudal tenemos un diámetro superi=
or
de bebedero de 16,73 mm, y un diámetro inferior del bebedero de 10.21 mm. E=
stos
parámetros se los realiza para una fundición en arena la cual nos sirve para
las formas complejas que presenta el cabezote del motor y es una industria =
que
se puede desarrollar en el país.
·&nb=
sp;
Para la geometrización del elemento se utilizó la
fotogrametría, ya que es una técnica adecuada para obtener toda la geometría
para el proceso ya descrito. Así mismo utilizamos impresión 3D para el proc=
eso
de fundición fue una vez obtenido los valores finales para que la fundición=
sea
óptima. Todo esto se lo realizaría para obtener una optimización del proceso
con un alto relación costo vs. Calidad.
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El artículo que se publica es de exclusiva responsabilid=
ad
de los autores y no necesariamente reflejan el pensamiento de la Revista Conciencia Digital.
El artículo queda en propiedad de la revista y, por tant=
o,
su publicación parcial y/o total en otro medio tiene que ser autorizado por=
el
director de la Revista Conciencia
Digital.
=
=
ISSN: 2600-5=
859 Vol. 5 No 3.1,<=
span
style=3D'mso-spacerun:yes'> pp. 236 – 253 , julio 2022
www=
.concienciadigital.org
Imaginación Página