Diseño 3D y análisis estructural de un patín eléctrico tripulado de carga de herramientas para mantenimiento por medio del software SolidWorks y Ansys.
El trasladar herramientas de forma convencional desde el taller de mantenimiento hasta el lugar donde ocurrió la falla es una labor que disminuye la capacidad de respuesta del departamento de mantenimiento, sobre todo cuando se presentan fallas en equipos principales de las distintas áreas del proceso de producción.
El mantenimiento repercute directamente en todo el proceso productivo, si este no llega a realizarse de forma eficiente las instalaciones o equipos no funcionarán el tiempo planificado, provocando con esto paradas costosas en el proceso productivo, ya que si en ese momento no se cuenta con otros equipos de producción o un personal que pueda arreglar el desperfecto oportunamente, no se terminará el producto a tiempo, se atrasará la producción, entrega y por ende provocará insatisfacción en el cliente, lo que puede traducirse en pérdidas de dinero en un futuro. La atención que dicho departamento provea a las empresas debe cumplir con dos características primordiales; ser “oportuna y eficiente”.
El diseño 3D y análisis estructural de un patín eléctrico tripulado para carga de herramientas de mantenimiento se evaluó con el software SolidWorks y Ansys, espera tener como finalidad en una segunda etapa ser construido y con ello facilitar el traslado de las herramientas empleadas por el departamento de mantenimiento, evitando pérdida de tiempo y esfuerzo físico por parte de los técnicos que conforman dicho departamento.
Para desarrollar el diseño de un patín eléctrico tripulado para carga de herramientas de mantenimiento, se realizó una búsqueda del estado del arte, modelado tridimensional y análisis en SolidWorks.
El diseño mecánico es la expresión de una idea que soluciona de forma innovadora un problema concreto y sirve de guía para llevarlo a la práctica, es decir, para construirlo y evaluarlo. En mayor o menor grado es posible pasar directamente del análisis a la construcción sin tener un diseño bien especificado, esto, sin embargo, puede jugar en contra de la eficiencia en el proceso e incluso poner en riesgo todo un proyecto.
Las desventajas de trabajar sin diseño son muchas: falta de una orientación adecuada, ya que las personas involucradas pueden tener ideas diferentes sobre lo que se quiere construir y errores de interpretación; se pueden adelantar mucho en la construcción y tener que desecharlo todo por falta de consistencia o porque simplemente se asumió algo que después resulta incorrecto; se le dedica demasiado tiempo a aspectos del problema y se descuida otros de igual o mayor importancia; no hay forma de evaluar si lo que se ha avanzado corresponde en tiempo y esfuerzo a lo que se habría esperado (2).
SolidWorks es un software CAD para modelado mecánico en 2D y 3D, desarrollado por Dassault Systèmes (Ilustración 1).
Ilustración 1. Interfaz de SolidWorks Fuente de consulta: Elaboración propia con utilización de software SolidWorks.
Este software fue elegido ya que ofrece múltiples ventajas de productividad entre las que destacan:
- Herramientas de software que cubren el proceso del diseño: desde el diseño y la validación hasta las comunicaciones técnicas y la gestión de datos. La interfaz de diseño intuitivo y el software integrado trabajan de manera conjunta para ofrecerle la libertad de centrarse en la innovación. Puede maximizar la productividad de su diseño y sus recursos de ingeniería para obtener de forma más rápida mejores productos y más rentables.
- La inteligencia integrada elimina las conjeturas del diseño en 3D. Las herramientas de diseño inteligente minimizan las necesidades de formación y le permiten detallar rápidamente diseños sin cometer errores. Puede acotar automáticamente las operaciones de fabricación en 3D, comprobar el grado de finalización de las cotas y mostrar de manera gráfica el estado de las cotas en 2D. La detección de colisiones e interferencias aseguran que todas las piezas encajan antes de construir un prototipo físico, de modo que se reduce el costo y se acorta el ciclo de diseño general para una comercialización más rápida.
- La disminución del costo total de propiedad proviene de una mayor eficiencia. Las soluciones de diseño en 3D de SOLIDWORKS se implementan de manera rápida, son fáciles de utilizar y, también, sencillas de administrar (2).
El diseño del patín eléctrico tripulado requirió de un análisis de esfuerzos por elementos finitos aplicado a la estructura de este, este se llevó a cabo por medio del software ANSYS el cual permite determinar la resistencia y deformación del material que para este análisis se empleó (acero tubular PTR y aluminio aleación 6061).
ANSYS es un ecosistema de programas CAE para diseño, análisis y simulación de partes por elementos finitos FEA, incluye las fases de preparación de meshing o malleo, ejecución y post proceso, el programa ejecuta análisis de piezas sometidas a fenómenos físicos usadas en ingeniería y diseño mecánico, puede resolver problemas físicos sometidos a esfuerzos térmicos, fluidos, vibración y aplicaciones específicas, brevemente se describen sus módulos principales por disciplina (3) (Ilustración 2).
Ilustración 2. Interfaz de ANSYS Fuente de consulta: Elaboración propia con utilización de software ANSYS.
El diseño del chasis del patín, así como de sus componentes se realizó mediante el software SolidWorks. Inicialmente se tenía considerado el diseño de un vehículo integrado solamente por tres llantas y la plataforma fija donde el conductor podría montarse y trasladar una caja de herramientas, conforme se fue avanzando en el diseño se identificaron diversas necesidades que requirieron ajustes, en el caso de la plataforma, esta se hizo elevadiza, con el fin de convertirla en una mesa de trabajo que facilitará la manipulación de las herramientas por parte del conductor.
Ilustración 3. Patín eléctrico: a) Plataforma sin accionar, b) plataforma accionada.
Fuente de consulta: Elaboración propia con utilización de software SolidWorks.
Una vez que se integró y determinó el diseño, continuó el análisis de esfuerzos de la estructura del patín, con apoyo del software ANSYS y aplicando una fuerza de 1960 Newton.
Para efectos de dicho análisis fue necesario exportar la pieza realizada previamente en SolidWorks hacia Ansys, una vez emigrada se llevó a cabo un análisis estático de esfuerzos, asignándose primeramente el material y después los puntos estáticos y cara del chasis del patín, donde se aplicaría la fuerza. Una vez ingresados estos parámetros se agregaron los indicadores de deformación, elasticidad de materiales, estrés equivalente y tensión elástica, se procedió a la ejecución del análisis y, después de unos segundos el software determinó los resultados que aparece en la ilustración 4.
Para determinar esta fuerza se consideraron los 200 kg que inicialmente se establecieron como capacidad de carga del patín, al ser un peso en kilogramos se realizó la multiplicación por la gravedad con un valor de 9.8 m/s^2 y así obtener la fuerza en Newton. En la Ilustración 4 pueden observarse los resultados de dicho análisis donde el color verde muestra la deformación que presenta la estructura, mientras que el azul hace referencia a que no hay deformaciones.
W=(Kg)(9.8 m/s^2 )=1960 N (1)
Ilustración 4. Patín Eléctrico a) análisis de chasis Fuente de consulta: Elaboración propia con utilización de software ANSYS.
Ilustración 4. Patín Eléctrico b) análisis de cuerpo. Fuente de consulta: Elaboración propia con utilización de software ANSYS.
El llevar acabo un diseño en 3D antes de manufacturar cualquier dispositivo es primordial ya que nos permite tener los planos necesarios para la construcción y visualización de la estética, además de realizar diversos análisis estáticos y de esfuerzos utilizando materiales específicos, con la intensión de tener un referente antes de llevar la idea a la realidad.
Por: Ing. Francisco Miguel Hernández López
Docente del Tecnológico Nacional de México/ITJMMPH Campus Tamazula
M.I.E. Emmanuel Vega Negrete
Docente del Tecnológico Nacional de México/ITJMMPH Campus Tamazula
M.S.C. Marco Antonio Celis Crisostomo
Docente del Tecnológico Nacional de México/ITJMMPH Campus Tamazula
M.E.R. Jorge Alberto Cárdenas Magaña
Docente del Tecnológico Nacional de México/ITJMMPH Campus Tamazula
SOLIDWORKS. Dassault Systèmes. [En línea] 2002-2019. [consulta: 20 de junio 2022]. Disponible en: https://www.solidworks.es
3D CAD Portal. ANSYS. [En línea] 2019. [consulta: 24 de junio 2022]. Disponible en: http://www.3dcadportal.com/ansys.html
