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Rodolfo Albarracín Forero Andrei Cuenca Demidova Paola Rueda Jaime SÍNTESIS DE UNA HERRAMIENTA MANUAL PARA CORTAR PANELA Entrega Final – Segundo Proyecto

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Definición del problema y de las necesidades del usuario

a) Definición de las necesidades La panela es un alimento derivado de la caña de azúcar, el cual pasa por un proceso de purificación y una etapa de melaza para luego finalmente ser solidificada en moldes y posteriormente distribuirla para su venta. Es un alimento muy popular en Colombia para la elaboración de postres y de una tradicional bebida caliente llamada “agua de panela”. Debido a la popularidad de este alimento y a que actualmente no existe un método que facilite el proceso de partir la panela, es necesario desarrollar una herramienta que mediante su uso manual permita que el usuario corte la panela según sus requerimientos y sin necesidad de recurrir a instrumentos poco convencionales que puedan poner en peligro su integridad.

Dado el planteamiento anterior, a continuación se enlistan las necesidades para el nuevo diseño y desarrollo de la herramienta: 









La herramienta debe garantizar su facilidad de uso, dado que se espera que el público al que va dirigido no tenga ninguna restricción al momento de usarla. El tamaño no debe superar un volumen de 18000 centímetros cúbicos, esto se debe a la restricción de espacio en las cocinas de los hogares colombianos, además de que no es un artefacto que se mantenga en constante uso por lo que debe ser práctico de almacenar. Como se mencionó en el punto anterior, se quiere que la herramienta sea almacenable mientras no se encuentra en uso, por lo que su peso no debe superar los 2000g para ser fácilmente transportada. Dada la popularidad de la panela en el país y que es un producto que comúnmente se encuentra en cualquier tipo de hogar, el costo de la herramienta, tanto en diseño como en precio de mercado, debe ser asequible por cualquier tipo de público y no superar los $20.000 en promedio. La herramienta debe garantizar en lo posible un máximo aprovechamiento de la ventaja mecánica, para que el esfuerzo realizado por el usuario sea el mínimo posible y no le desgaste realizar la tarea de partir la panela.





Para un mejor funcionamiento de la herramienta, se requiere que ésta ejerza la máxima fuerza sólo en el momento del impacto con la panela, ya que es este el instante donde es preciso concluir la tarea. Finalmente se espera que la herramienta logre partir la panela con precisión y sin desperdicios del alimento.

b) Generación de requerimientos



Uso intuitivo del mecanismo: El mecanismo debe ser de uso manual y debe poder ser usado por cualquier usuario que así lo requiera. No necesita de instalaciones o movimientos complejos para empezar a funcionar.



Tamaño: El tamaño del sistema se mide por el volumen ocupado, además de unas dimensiones máximas en cuanto al largo, la altura y el ancho. El volumen se calcula entonces según la siguiente ecuación:

V =l ∙ h∙ a Donde V es el volumen, l es el largo, h es la altura y a es el ancho. El largo, la altura y en ancho deben tener unas dimensiones máximas de 25cm, cada una, por lo que el volumen del mecanismo no debe ser mayor a 16000 centímetros cúbicos. 

Peso: El peso total del sistema hace referencia a la suma del peso de cada una de las piezas utilizadas para la construcción del mecanismo, como la base, las barras a utilizar, las uniones, entre otros. Para optimizar el peso del mecanismo y que éste sea lo más liviano posible, se puede hacer uso de materiales que cumplan con las propiedades requeridas pero que además sean de los más livianos del mercado. El peso ideal del mecanismo sería no mayor a 1000g.

M T =∑ M i 

Costo total: Dadas las alternativas ya existentes en el mercado que se estudiaron anteriormente y teniendo en cuenta que se espera que éste sea un mecanismo asequible para cualquier persona, el costo total no debe superar los $20.000. En el costo total se incluyen además de los costos de todos los materiales y del proceso de manufactura, el porcentaje de ganancia que se espera obtener por la venta del mecanismo.

CT =∑ C i + g Donde g representa la ganancia.



Tiempo de operación: El sistema no debe superar los 20 segundos de funcionamiento al momento de cumplir su tarea, ya que un tiempo excesivo lo convierte en un mecanismo ineficiente y que no tendrá acogida dentro del público.



Precisión: Este aspecto hace referencia a que la fuerza es aplicada en el punto deseado, además que su magnitud es la requerida para cumplir el objetivo de partir la panela. Lo anterior quiere decir que no existen vibraciones en el mecanismo que puedan generar un desfase en la ubicación.



Ventaja mecánica: La ventaja mecánica relaciona las fuerzas de entrada y salida del sistema, y lo que se busca al optimizar el mecanismo es que este aspecto se haga cada vez mayor. Como se muestra en la siguiente ecuación, es posible concluir que la ventaja mecánica es inversamente proporcional a la fuerza de entrada y directamente proporcional a la fuerza de salida, es decir que lo que se espera es que le mecanismo proporcione la máxima fuerza de salida posible con la mínima fuerza de entrada y así obtener la fuerza necesaria para partir la panela.

VM =Fout /F ¿

3

2

1

Uso Intuitivo (10%)

El mecanismo es de uso manual e intuitivo.

El mecanismo es de uso manual.

El mecanismo no es de uso manual.

Tamaño (5%)

El mecanismo ocupa un volumen igual o menor a 16000 cm³.

El mecanismo ocupa un volumen entre 16000 – 22500 cm³.

El mecanismo supera el volumen de 22500 cm³.

Peso (5%)

El mecanismo pesa menos de 1000 g.

El mecanismo pesa entre 1000 – 2000 g.

EL mecanismo pesa más de 2000 g.

Costo Total (10%)

El mecanismo no cuesta más de $20.000

El mecanismo cuesta entres $20.000 - $30.000

El mecanismo cuesta más de $30.000

Tiempo de Operación (20%)

El mecanismo tarda 20 segundos o menos en operar. El mecanismo funciona con la magnitud de la fuerza requerida o más y en la ubicación de impacto adecuada. La ventaja mecánica del mecanismo es mayor o igual a 2.

El mecanismo tarda entre 20 y 40 segundos en operar.

El mecanismo tarda más de 40 segundos en operar.

El mecanismo funciona con la magnitud de la fuerza requerida pero hay un desfase en la ubicación de impacto.

El mecanismo no funciona con la magnitud de la fuerza requerida y no impacta en la ubicación.

La ventaja mecánica del mecanismo está entre 1 y 2.

La ventaja mecánica del mecanismo es menor a 1.

Precisión (20%) Ventaja Mecánica (30%)

Tabla 1. Calificación para los requerimientos de ingeniería.

La Tabla 1 muestra la calificación asignada para cada caso, dados los requerimientos de ingeniería planteados anteriormente, esta tabla se basó en un estudio y análisis de cada uno de los requerimientos, evaluando así cuáles eran los valores esperados y cuáles los no deseados, además permitiendo un rango de aceptación. Este proceso se hizo con base en el estudio de mecanismos ya existentes que cumplen la función de partir panela.

c) Planteamiento del mecanismo - Comparación de los mecanismos (Sólo mencionar las ventajas del que seleccionamos en comparación con las desventajas del otro mecanismo) - Memorias de cálculos

- Síntesis del mecanismo - Resultados

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Simulación y análisis computacional

Mecanismo prensa/palanca La Imagen 1 muestra el modelo CAD del mecanismo de prensa/palanca seleccionado para cumplir el propósito de partir panela. Este sistema fue el que presentó los mejores resultados en cuanto a las calificaciones obtenidas para cada uno de los parámetros y requerimientos de ingeniería estudiados en las fases de diseño y desarrollo.

Imagen 1. Modelo CAD del mecanismo para partir panela seleccionado.

A continuación se presentan los resultados obtenidos para la simulación computacional del mecanismo, sometida a distintas condiciones de uso. Para efectos de simulación del mecanismo, se consideraron las siguientes condiciones de operación: Materiales: Madera Roble y Aluminio 6061 Número de piezas: 16 Densidad madera: 600 kg/m3 Densidad Aluminio: 2700 kg/m3

Fuerza de entrada: 50 N y 70 N A partir del ensamble del mecanismo en CAD, se determinó lo siguiente: Rango de ángulos de entrada: 38.5° Volumen físico del mecanismo: 0.003312286 m^3 Aluminio = 4.996478 E-5 m^3 Madera roble = 0.00326 m^3 Volumen del espacio donde cabe el sistema: 20cm x 25cm x 33.5cm = 16750 cm^3 Peso: Aluminio (134.9g), Madera (1956 g), Total = 2.0909Kg

a) Variación del ángulo de entrada entre sus límites en un tiempo de 2.8 segundos

Velocidades de entrada y salida por componentes 60.000 40.000 20.000 0.000 -0.2

V[Y] (IN) ( mm/s )

0.3

0.8

1.3

-20.000

1.8

2.3

2.8

V[Z ] (IN) ( mm/s ) V[Z ] (OUT) ( mm/s ) V[Y] (OUT) ( mm/s )

-40.000 -60.000 -80.000 Time ( s ) Gráfica 1. Relación de velocidades de entrada y salida por componentes.

Velocidades de entrada y Salida por magnitud 80.000 70.000 60.000 50.000 40.000

V (OUT) ( mm/s ) V (IN) ( mm/s )

30.000 20.000 10.000 0.000 -0.2

0.3

0.8

1.3

1.8

2.3

2.8

Time ( s ) Gráfica 2. Relación de velocidades de entrada y salida por magnitud.

b) Fuerzas de entrada de 50N y 70N

Fuerza de entrada y fuerza de salida para 50N 180.000 160.000 140.000 120.000 100.000

Force (Force:1) ( N )

80.000

Force (Unknown force) ( N )

60.000 40.000 20.000 0.000 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90 100

Step number Gráfica 3. Relación de fuerza de entrada y salida del sistema para 50N de entrada.

Fuerza de entrada y fuerza de salida para 70N 250.000 200.000 150.000 Force (Force:1) ( N ) Force (Unknown force) ( N )

100.000 50.000 0.000 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90 100

Step number Gráfica 4. Relación de fuerza de entrada y salida del sistema para 70N de entrada.

Mecanismo basado en reducciones La Imagen 2 muestra el mecanismo basado en reducciones, opcionado en la segunda fase de diseño, sin embargo este no fue el seleccionado, sólo se presentan las simulaciones a continuación con el propósito de comparar ambos mecanismos.

Imagen 2. Modelo CAD del mecanismo basado en reducciones.

A continuación se presentan los resultados obtenidos para la simulación computacional de este mecanismo, sometida a distintas condiciones de uso.

Para efectos de simulación del mecanismo cortador, se consideraron las siguientes condiciones de operación:

Materiales: Madera Roble y Aluminio 6061 Número de piezas: 13 (Considerando solo el mecanismo principal sin los elementos de soporte) Densidad madera: 600 kg/m3 Densidad Aluminio: 2700 kg/m3

A partir del ensamble del mecanismo en CAD, se determinó lo siguiente: Rango de ángulos de entrada: 360° (Palanca rotatoria) Volumen físico del mecanismo: 0,001446715576 m^3 Aluminio = 0,001163972237 m^3 Madera roble = 0,000282743339 m^3 Volumen del espacio donde cabe el sistema: 25cm x 45cm x 30.5cm = 33750 cm^3 Peso: Aluminio (3142.7g), Madera (169,6 g), Total = 3.3123Kg (Sin incluir elementos de soporte)

a) Velocidad de entrada al sistema dada a 6.28 rad/s (360°/s) en la palanca rotatoria

Relacion de Velocidad del tren de engranajes 140.000 120.000 100.000 80.000

V (Trace:1) ( in/s )

60.000

V (Trace:2) ( in/s )

40.000 20.000 0.000 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Time ( s )

Gráfica 5. Relación de la velocidad tangencial con la velocidad de salida del tren de engranajes.

La gráfica relaciona la velocidad tangencial del engranaje de entrada con respecto al engranaje de salida. Para una entrada de 6.28 rad/s (360°/s), la salida correspondió aproximadamente a 75.2 rad/s equivalentes a la 124 in/s respecto al radio del engrane. Acorde a la ecuación, la relación de trasmisión equivaldría a:

75.2 6.28

0.333

( )

=2.28( Relació n de transmisión individual)

Teóricamente la relación de transmisión es de 2.5 por lo cual el valor no se encuentra muy alejado y sigue cumpliendo la finalidad del diseño, que consiste en aumentar drásticamente la velocidad de salida.

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Comparación de mecanismos

A partir de los resultados obtenidos de los modelos CAD y las simulaciones, se realizó la siguiente tabla comparativa entre los valores críticos de los parámetros de ingeniería establecidos, con el fin tener un criterio fundamentado para la selección del modelo a fabricar.

Tabla 2. Comparación de parámetros críticos útiles para selección del modelo.

Conclusiones A partir de la Tabla 2 se puede concluir entonces sobre cada uno de los mecanismos que: 









El peso del modelo de la cortadora aumenta considerable respecto al peso de la prensa. Esto se debe a que el modelo contiene una cantidad de volumen de aluminio mayor y por su densidad el peso aumenta. La consecuencia que esta opción recae sobre el precio del aluminio y el mecanizado de los engranajes con las dimensiones seleccionadas. Como las dimensiones de los engranajes no coinciden con dimensiones comerciales, se requiere un mecanizado que aumenta considerebalmente los costos y por ende el tiempo de producción por lo cual, respecto a este aspecto la opción del mecanismo palanca en mejor. La relación de fuerza del reductor es mucho mayor respecto al mecanismo de la palanca por lo cual respecto a este aspecto la opción del reductor es mejor, pero no justifica el aumento de precio y tiempo de producción para la aplicación requerida. El volumen espacial requerido del mecanismo de palanca es mucho menor respecto al mecanismo de cortadora, por lo cual es una mejor opción respecto a los indicadores de ingeniería establecidos. El número de piezas a manufacturar es menor en el mecanismo de palanca respecto al mecanismo cortadora, teniendo en cuenta que no se están contando las piezas requeridas para generar un soporte del mecanismo, por ende la opción del mecanismo de prensa/palanca es mejor opción.

A partir del análisis se corrobora que la opción del mecanismo prensa/palanca para cortar panela es mucho mejor, tal como se había establecido en las entregas anteriores de la etapa de diseño y selección.

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Fase de desarrollo

a) Proceso de manufactura

La Imagen 3 muestra el modelo CAD final del mecanismo de prensa/palanca seleccionado para el propósito de partir la panela. Al modelo se le realizaron ciertas modificaciones con el fin de facilitar el proceso de prototipado mediante la técnica de manufactura aditiva, además de también facilitar la fase de ensamble.

Imagen 3. Modelo CAD resultante del mecanismo seleccionado para prototipado.

Dadas las restricciones que se tenían para el proceso de manufactura del prototipo se debieron tener en cuenta varios aspectos para de ésta forma obtener el mejor modelo. Primero que todo era importante seleccionar la impresora 3D que mejor se ajustaba a los requerimientos de desarrollo del prototipo, se escogió la impresora DaVinci. Esta impresora fue la seleccionada ya que se tenía un presupuesto límite para la impresión de las piezas, y era ésta la que mejor se ajustaba, además que la piezas no requerían de una alta resolución por lo que se podía sacrificar este aspecto, por otro lado esta impresora permitía el modelamiento de las piezas sin restricciones de tamaño. Del total de las piezas a manufacturar, por cuestiones de presupuesto, fue necesario que algunas se realizaran por otros métodos y en otros materiales. Fue este el caso de las uniones y los pines, con el propósito de solucionar esto se decidió realizar las piezas en madera, debido a la baja complejidad de las geometrías y al bajo costo del material, sin embargo fue necesario tener en cuenta que esto no sacrifique de ninguna forma el funcionamiento de la herramienta, por lo que se debe garantizar que no se afecte el movimiento por la interacción entre los distintos materiales. La escala seleccionada para el prototipo fue 1:2, se seleccionó esta escala porque permitía que se mantuviese el funcionamiento del mecanismo, en caso de que el prototipo fuese demasiado pequeño podía no evidenciar del todo sus características, además al requerir piezas tan pequeñas iba a ser necesario acceder a una impresión de alta resolución, lo que aumentaba considerablemente los costos de producción.

b) Planos del prototipo

Plano 1. Base aplanadora.

Plano 2. Base de palanca.

Plano 3. Palanca.

Plano 4. Soporte de palanca.

Plano 5. Tubo aplanadora.

Plano 6. Puntilla.

Plano 7. Eje base aplanadora.

Plano 8. Unión 1 de la palanca.

Plano 9. Unión 2 de la palanca.