Proyecto de validación mediante ingeniería inversa y ... · PDF fileproyecto de validaciÓn mediante ingenierÍa inversa y simulaciÓn del sistema de impulsiÓn de una bomba rotodinÁmica

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA

(ICAI)

GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

ESPECIALIDAD MECÁNICA

Proyecto de validación mediante ingeniería inversa y simulación del sistema de impulsión de una

bomba rotodinámica

Autor: Pablo Valbuena Velasco

Director: Silvia Fernández Villamarín

Madrid Julio 2015

2 Pablo Valbuena Velasco PFG

PROYECTO DE VALIDACIÓN MEDIANTE INGENIERÍA INVERSA Y SIMULACIÓN DEL SISTEMA DE IMPULSIÓN DE UNA BOMBA ROTODINÁMICA Autor: Pablo Valbuena Velasco Directora: Silvia Fernández Villamarín Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia de Comillas

Resumen del proyecto

El objetivo del proyecto de validación mediante ingeniería inversa y simulación del

sistema de impulsión de una bomba rotodinámica es hacer un acercamiento a la relación

entre la ingeniería inversa y la simulación de fluidos.

Para ello se intentará validar la alternativa de simular el paso del fluido a través del

sistema de impulsión de una bomba rotodinámica obtenida mediante la tecnología de

la ingeniería inversa y posteriormente exportada a un software de simulación de fluidos.

La motivación de este proyecto surge del paper Additive manufacturing and

performance of functional hydraulic pump impellers in both non-treated and chemically

post-treated FDM technology desarrollado en la Universidad Pontificia de Comillas y con

el cual se pretendía verificar la validez de los prototipos imprimidos en 3D con tecnología

de Fused Deposition Modelling (FDM) para el rodete de una bomba centrífuga.

Para ello se montaron en la bomba, en sucesivos ensayos, dos prototipos del rodete

obtenidos con la mencionada tecnología de FDM (uno de ellos tratado químicamente)

y se ensayaron en un banco de pruebas para ver el comportamiento de la bomba.

En este proyecto se pretende ir un paso más allá, se quiere partir de esta misma bomba

y unir el rodete modelado en el paper anteriormente descrito con la voluta y el cierre

de la misma bomba. Para ello, estas dos piezas serán escaneadas mediante tecnologías

de ingeniería inversa.

Una vez cumplido este objetivo, se pretenderá validar si resulta viable simular el

comportamiento del fluido en su paso por el modelo digital del conjunto obtenido con

ingeniería inversa.

En cuanto a la fase de la ingeniería inversa, se escanean dos piezas, la voluta y el cierre

que sirve de unión entre la voluta y el motor eléctrico de la bomba.

Para el escaneo de las piezas se utiliza el FARO Laser Scan Arm, un escáner de

triangularización por láser de elevada precisión y cadencia de obtención de puntos.

En primer lugar, se desmonta la bomba separando las partes de interés y se escanea la

pieza de cierre, más sencilla geométricamente hablando que la voluta.

En un primer acercamiento al escaneo de la voluta se ve que hay zonas que resultan

inaccesibles al laser, en particular la zona más interior de la voluta, por lo que se decide

realizar un molde del interior para poder posteriormente digitalizarlo.

Para la realización del molde, tras ponderar diversas opciones, se decide utilizar el

elastómero de silicona S-421 que da lugar a un sólido parcialmente flexible, cualidad

ideal para ser extraído de las zonas más interiores de la voluta sin dañarse.

Una vez reticulado el molde, se procede a su extracción y tras ver que el acabado no ha

sido bueno, se repite el proceso realizando una serie de cambios.

Al repetirse el proceso, se extrae el molde en cuatro partes y se procede a su unión.

Esta unión se intenta llevar a cabo con varios tipos de pegamento y con catalizador de

elastómero de silicona y ninguno de ellos resulta efectivo, por lo que se recurrirá a una

unión con alfileres, quedando ocultos dentro del molde de manera que no perjudican el

proceso de escaneado.

Con el molde terminado, se procede a su escaneado y con ello la primera parte del

proyecto queda clausurada.

Una vez obtenida la materia prima del escaneado (la nube de puntos capturada por el

escáner) se lleva a cabo su procesado con el software Geomagic Studio.

Este procesado se realiza para la nube de puntos del molde de la voluta y del cierre de

la bomba y tiene como objetivo final convertir la nube de puntos en un sólido que pueda

ser exportado y reconocido en el software de simulación de fluidos.

En primer lugar, se limpia la nube de puntos y se eliminan todos los puntos defectuosos

que haya podido capturar el escáner fuera de la bomba o por duplicado.

Con la nube de puntos limpia se procede al mallado, que une los puntos triangulándolos

y convierte la nube en una superficie.

Con la superficie obtenida, se amplía el abanico de operaciones que se pueden realizar

para optimizar el modelo y se refina hasta conseguir el mejor acabado posible.

Una de estas operaciones consistirá en darle un grosor uniforme a todo el modelo, de

manera que posteriormente pueda ser reconocido como sólido en lugar de superficie.

Terminado el proceso de refinado, se sustituirá el triangulado de la malla por un

parcheado con un proceso de “Exact Surfacing”.

Teniendo la pieza con grosor y parcheada, se procede a su exportación en formato IGES

al software que se utilizará para verificar la viabilidad de la simulación de fluidos:

SolidWorks en su extensión de Flow Simulation.

En este software se llevará a cabo el proceso de unión de las tres piezas en un único

conjunto: el rodete (obtenido de investigaciones previas), la voluta y el cierre.

Para llevar a cabo esta unión en un único conjunto, se deben realizar modificaciones en

las piezas obtenidas de la ingeniería inversa para poder establecer relaciones de posición

entre ellas.

En primer lugar, las zonas que dan error al ser exportadas y que no tienen relevancia de

cara a la simulación (como los taladros del cierre) se eliminan y simplifican. Estos errores

son de intersección de geometrías y se dan al producirse picos y zonas irregulares

durante el proceso de triangularizado y parcheado.

En segundo lugar, durante el proceso de ingeniería inversa, se pierden las

circunferencias perfectas en los orificios por lo que se deben aproximar con una

extrusión de corte para poder llevar a cabo relaciones de concentricidad.

En tercer lugar, se deben cerrar todos orificios que no vayan a quedar sellados en el

conjunto, para tener un modelo perfectamente estanco de cara a la simulación del

fluido.

En el caso de los orificios de entrada y salida de la voluta, se definen unos tapones

especiales, de manera que sus caras internas puedan ser utilizadas para las condiciones

de contorno de la simulación.

Una vez adecuadas y ensambladas las piezas, se procede a definir los parámetros de la

simulación de fluido.

Se establecen las condiciones de contorno de flujo volumétrico a la entrada y de presión

atmosférica a la salida. Además se establecen paredes reales estáticas todas las

superficies de la voluta y el cierre que estén en contacto con el fluido.

El objetivo de la simulación será obtener la eficiencia del sistema, por lo que se

establecen como metas de la simulación la presión a la entrada y la salida de la voluta y

el par en todas las caras del rodete en contacto con el fluido. Además, sólo para facilitar

la convergencia de los cálculos, se define como meta el caudal másico a la entrada y

salida de la voluta.

Finalmente, analizando el proceso de simulación y los resultados, se concluye que la

simulación no ha sido exitosa y se hace un análisis de las causas así como una serie de

propuestas de cara a futuros proyectos que podrían surgir a partir de este.

Madrid a 15 de julio de 2015

PROYECTO DE VALIDACIÓN MEDIANTE INGENIERÍA INVERSA Y SIMULACIÓN DEL SISTEMA DE IMPULSIÓN DE UNA BOMBA ROTODINÁMICA Author: Pablo Valbuena Velasco Director: Silvia Fernández Villamarín Collaborating Entity: ICAI – Universidad Pontificia de Comillas

Project Summary

The main objective of the project “Proyecto de validación mediante ingeniería inversa y

simulación del sistema de impulsión de una bomba” is to make an approach to the relationship

between reverse engineering and fluid simulation.

The aim is to validate the alternative of simulating fluid flow through the drive system of a

rotodynamic pump obtained through reverse engineering technology and subsequently

exported to a fluid simulation software.

The motivation for this project came from the paper Additive manufacturing and performance

of functional hydraulic pump impellers in Both non-treated and chemically post-treated FDM

technology developed at the Universidad Pontificia de Comillas and which was intended to

verify the validity of the 3D printed prototypes of the impeller of a centrifugal pump with

Fused Deposition Modelling technology (FDM).

For that purpose, two prototypes of the impeller obtained with the aforementioned

technology FDM where mounted on the pump (one of them chemically treated) and

empirically tested in successive trials to see the behavior of the pump.

This project aims to go a step further, the same pump will be used and the impeller will be

joined to the volute and the closing part of the pump. To do this, the two parts will be scanned

with reverse engineering technology.

Once fulfilled this objective, the project will seek to validate whether it is feasible to simulate

the behavior of the fluid passing through the digital model of the assembly obtained with

reverse engineering.

Regarding the reverse engineering phase, two parts will be scanned, the volute and the part

that closes and joins the volute and the electric pump motor

In the process of scanning the parts, the FARO Laser Scan Arm will be used. This scanner uses

laser triangulation technology and has high accuracy and rate of capturing points.

First, the pump is disassembled separating the parts of interest.

The closing piece, simpler geometrically speaking than the volute is scanned.

In a first approach to scanning the volute, it is spotted that there are areas that are

inaccessible to the laser, particularly the innermost area of the volute, so it is decided to make

a mold of the interior to subsequently scan it.

For the realization of the mold, after weighing several options, it was decided to use the

silicone elastomer S-421 resulting in a partially flexible solid, ideal to be extracted from the

innermost areas without damaging it.

Once the mold solidified, it was extracted and after seeing that the finish result was not good,

the process was repeated making some changes.

After repeating the process, the mold was removed in four parts and then joined together.

This union was tried using several types of glue as well as silicone elastomer catalyst and none

of them were effective, so it was resorted to a union with pins, being hidden inside the mold

so that they would not alter the scanning process.

The finished mold, was then scanned and thus the first part of the project was closed.

Once the raw material from the scanning (the point cloud captured by the scanner) is

obtained, it was processed using Geomagic Studio software.

This process has as main objective to convert the point cloud into a solid that can be exported

and recognized in the fluid simulation software.

First, the point cloud is cleaned and all flaws that the scanner may have captured out of the

pump or in duplicate are removed.

With the cloud of points cleaned, the next step is tu create a mesh, joining the points by means

of a triangularization, turning the cloud into a surface.

With the surface obtained, the range of operations that can be performed to optimize and

refine the model to achieve the best possible quality expands.

One of these operations consist of giving the whole model a uniform thickness, so that later on

it can be recognized as a solid instead of a surface.

After finishing the refining process, the triangulated mesh is patched with an "Exact Surfacing"

process.

Having the workpiece with thickness and patched, it is then exported in IGES format to

SolidWorks Flow Simulation to be used to verify the feasibility of the fluid simulation.

Once in this software the three pieces will be joined in an assemblyt: the impeller (obtained

from previous research), volute and closing part.

To accomplish this union into a single assembly, some changes must be made to the parts

obtained from reverse engineering to establish mates between them.

First, the areas that fail at being exported and have no relevance for the simulation (such as

the closing holes) are eliminated and simplified. These errors are from intersecting geometries.

Secondly, during the process of reverse engineering, perfect circles are lost in the holes so they

are cylindrically extruded in order to conduct relations of concentricity.

Thirdly, all holes must be closed that will not be sealed on the whole must be closed, in order

to have a perfectly watertight model for the simulation.

In the case of the inlet and outlet of the volute, special lids are defined, so that their inner

faces may be used for the boundary conditions of the simulation.

Once the parts are modified and the assembly is define, the next step would be to define the

parameters of the simulation of fluid.

The boundary conditions of flow rate at the inlet and environmental pressure at the outlet are

set.

Furthermore actual the boundary condition of static walls is set on all the surfaces of the

volute and the closing part in contact with the fluid.

The goal of the simulation is to obtain the system efficiency, and so the pressure at the inlet

and outlet of the volute as well as the torque on all the faces of the impeller in contact with

the fluid are set as targets for the simulation.

Also, just to facilitate the convergence of the calculation, the mass flow for the inlet and outlet

of the volute are defined as simulation goals.

Finally, analyzing the simulation process and the results, it can be concluded that the

simulation has not been successful and so an analysis of the causes as well as a number of

proposals for future projects that could arise from this project are made.

Madrid July 15, 2015


Índice 1. Estado de la cuestión .......................................................................................................... 10

1.1. ¿Qué es la Ingeniería Inversa? .................................................................................... 10

1.2. Pasos estandarizados de la Ingeniería Inversa ............................................................ 12

1.3. Fases Globales de La Ingeniería Inversa ...................................................................... 16

1.4. Fabricación Aditiva y prototipado ............................................................................... 18

1.4.1. ¿Qué es la fabricación aditiva? ............................................................................ 18

1.4.2. ¿Qué es un prototipo? ........................................................................................ 19

1.4.3. Tecnologías de fabricación aditiva más exitosas ................................................. 20

1.5. Técnologías de escaneado en 3D ................................................................................ 24

1.5.1. Escaneado por digitalización SIN contacto ......................................................... 26

1.5.2. Escaneado por digitalización CON contacto ........................................................ 31

1.6. Aplicación y alcance de la Ingeniería Inversa .............................................................. 33

1.6.1. ¿Por qué utilizar la Ingeniería Inversa? ............................................................... 33

1.7. Antecedentes del proyecto ......................................................................................... 38

1.7.1. Introducción ........................................................................................................ 38

1.7.2. Ensayos y resultados ........................................................................................... 41

1.8. Objetivos del proyecto y metodología de trabajo ...................................................... 42

1.9. Motivación .................................................................................................................. 46

2. Descripción del caso y pieza a tratar ................................................................................... 49

2.1. Proceso de Escaneado ............................................................................................. 50

2.2. Software para captura y manipulación del escaneado ........................................... 50

2.3. Problemas encontrados .......................................................................................... 51

2.4. Molde interior ......................................................................................................... 55

2.8. Digitalización del alojamiento del eje ..................................................................... 76

3. Procesado y simulación del diseño ..................................................................................... 84

3.1. Adaptación de las piezas ............................................................................................. 84

3.1.1. Adaptación del cierre de la voluta (Alojamiento eje).......................................... 84

3.1.2. Adaptación de la voluta ....................................................................................... 88

3.1.3. Adaptación del rodete ......................................................................................... 92

3.2. Montaje del conjunto .................................................................................................. 93

3.3. Parámetros de la simulación ....................................................................................... 96

3.3.1. Simulación con rotación global interna ............................................................... 96


3.3.2. Simulación de rotación local interna ................................................................... 99

3.4. Resultados de la simulación ...................................................................................... 100

3.5. Conclusiones y propuestas de futuro ........................................................................ 100

4. Limitaciones del proceso y conclusiones .......................................................................... 104

4.1. Efecto escalera ...................................................................................................... 104

4.2. Filtraciones ................................................................................................................ 105

5. Referencias ........................................................................................................................ 106


Índice de Imágenes

ILUSTRACIÓN 1 INTEGRACIÓN DEL PROCESO DE INGENIERÍA DE UN PRODUCTO (APUNTES DISEÑO Y FABRICACIÓN INTEGRADOS)

........................................................................................................................................................... 10 ILUSTRACIÓN 2 FARO LASER SCANNER (UNIVERSITY OF ALBERTA) ........................................................................... 12 ILUSTRACIÓN 3 REVERSE ENGINEERING OVERVIEW (PRESENTACIÓN RE SILVIA FERNÁNDEZ VILLAMARÍN) ......................... 15 ILUSTRACIÓN 4 FABRICACIÓN ADITIVA FRENTE A SUSTRACTIVA (PRESENTACIÓN IMEDRP UPCOMILLAS).......................... 18 ILUSTRACIÓN 5 PROTOTIPO DE TRANSPORTADOR HUMANO (WOO-RAM) ................................................................... 19 ILUSTRACIÓN 6 TECNOLOGÍA SLS (BARCELONA INSTITUTE OF PACKAGING) ................................................................. 20 ILUSTRACIÓN 7 ELECTRON BEAM MELTING (WWW.ARCAM.COM)............................................................................. 21 ILUSTRACIÓN 8 FUSED DEPOSITION MODELLING (BARCELONA INSTITUTE OF PACKAGING) ............................................. 22 ILUSTRACIÓN 9 MÉTODOS DE DIGITALIZACIÓN (PRESENTACIÓN RE DE S. FERNÁNDEZ VILLAMARÍN) ................................. 24 ILUSTRACIÓN 10 ESCANEADO DE UN TELÉFONO MÓVIL MEDIANTE A TECNOLOGÍA DE FOTOGRAMETRÍA [11] ..................... 26 ILUSTRACIÓN 11 EXPLICACIÓN DEL FENÓMENO DE TRIANGULARIZACIÓN POR LÁSER [11] ............................................... 27 ILUSTRACIÓN 12 ESCÁNER DE TIEMPO DE VUELO [11]............................................................................................ 28 ILUSTRACIÓN 13 ESCÁNER DE LUZ ESTRUCTURADA [11] ......................................................................................... 29 ILUSTRACIÓN 14 TOMOGRAFÍA COMPUTARIZADA (KECKMEDICINE.ADAM.COM) .......................................................... 30 ILUSTRACIÓN 15 PCMM FARO [11] ................................................................................................................. 31 ILUSTRACIÓN 16 MÁQUINA PCMM (FARO) ........................................................................................................ 32 ILUSTRACIÓN 17 PRODUCTOS DE APPLE FRENTE A SAMSUNG (HTTP://WWW.OUTSIDETHEBELTWAY.COM/WP-

CONTENT/UPLOADS/2012/08/IPHONE-SAMSUNG-COMPARISON-PHOTO-570X421.JPG) ................................... 33 ILUSTRACIÓN 18 PIEZAS ARTESANALES PARA EL ESCAPE DE UN LOTUS SEVEN VM77 (WWW.PETROLHEADGARAGE.COM) .... 34 ILUSTRACIÓN 19 EJEMPLO DE ESCANEADO DE EDIFICIOS CON TECNOLOGÍAS DE FARO (HTTP://WWW.FARO.COM/ES-

ES/PRODUCTOS/TOPOGRAFIA-3D/LASER-SCANNER-FARO-FOCUS-3D/CASOS-DE-APLICACION/2013/02/15/EL-

ESCANEADO-L%C3%A1SER-REVOLUCIONA-EL-SECTOR-DE-LA-ARQUITECTURA-Y-LA-CONSTRUCCI%C3%B) ............. 35 ILUSTRACIÓN 20 GEOMAGIC MEDICAL (HTTP://WWW.GEOMAGIC.COM/ES/INDUSTRIES/MEDICAL) ................................ 36 ILUSTRACIÓN 21 DE IZQUIERDA A DERECHA: RODETE ORIGINAL, PROTOTIPO SIN TRATAMIENTO DE BUTANONA Y PROTOTIPO

CON TRATAMIENTO DE BUTANONA (DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING, TECHNICAL SCHOOL OF

ENGINEERING – ICAI).............................................................................................................................. 38 ILUSTRACIÓN 22 INSTALACIÓN PARA LA REALIZACIÓN DE LOS ENSAYOS EMPÍRICOS DEL RODETE ....................................... 39 ILUSTRACIÓN 23 RUGOSIDAD MEDIDA PARA LOS 3 RODETES EN 3 ZONAS DISTINTAS ..................................................... 40 ILUSTRACIÓN 24 CURVAS DE ALTURA - CAUDAL PARA LOS TRES RODETES ENSAYADOS ................................................... 41 ILUSTRACIÓN 25 RODETE ORIGINAL DE LA BOMBA ROTODINÁMICA A TRATAR .............................................................. 42 ILUSTRACIÓN 26 VOLUTA DE LA BOMBA ROTODINÁMICA CALPEDA C20E (CALPEDA Y FUENTE PROPIA) ............................ 43 ILUSTRACIÓN 27 PIEZA DE UNIÓN DE LA VOLUTA AL CUERPO CENTRAL DE LA BOMBA (CALPEDA Y FUENTE PROPIA) .............. 44 ILUSTRACIÓN 28 SISTEMA DE DIFUSIÓN POR VOLUTA (HTTP://WWW.ACADEMIA.EDU) .................................................. 49 ILUSTRACIÓN 29 CUERPO DE BOMBA ELEGIDA SIN DESMONTAR ................................................................................ 51 ILUSTRACIÓN 30 CUERPO DE BOMBA ELEGIDA SIN DESMONTAR ................................................................................ 51 ILUSTRACIÓN 31 PROCESO DE DESMONTAR .......................................................................................................... 52 ILUSTRACIÓN 32 PROCESO DE DESMONTAR .......................................................................................................... 52 ILUSTRACIÓN 33 DETALLE DE LA PIEZA DELANTERA ................................................................................................. 53 ILUSTRACIÓN 34 RESULTADO TRAS LIMPIEZA DE ÓXIDO ........................................................................................... 53 ILUSTRACIÓN 35 VOLUTA CON SPRAY ANTI-GLARE APLICADO .................................................................................... 54 ILUSTRACIÓN 36 DETALLE DEL INTERIOR DE LA VOLUTA ........................................................................................... 54 ILUSTRACIÓN 37 PARTE SUPERIOR COMPLETAMENTE SÓLIDA FRENTE A LA PARTE INFERIOR LÍQUIDA ................................. 56 ILUSTRACIÓN 38 EXTRACCIÓN DEL MOLDE DE SILICONA ........................................................................................... 56 ILUSTRACIÓN 39 PIEZA DE PLÁSTICO EXTRAÍDA Y AGUJEROS TAPONADOS .................................................................... 57 ILUSTRACIÓN 40 DEFECTO DE LLENADO Y RESULTADO FINAL .................................................................................... 58 ILUSTRACIÓN 41 DISTRIBUCIÓN DE LA EXTRACCIÓN DEL MOLDE ................................................................................ 59 ILUSTRACIÓN 42 MOLDE DE SILICONA COMPLETAMENTE EXTRAÍDO Y JUNTADO (NO PEGADO) ........................................ 60 ILUSTRACIÓN 43 UNIÓN DE LAS PARTES 2 Y 3 DEL MOLDE ....................................................................................... 62


ILUSTRACIÓN 44 UNIÓN PARTES 1-2-3 DEL MOLDE ................................................................................................ 62 ILUSTRACIÓN 45 DISPOSICIÓN PARA EL ESCANEADO DEL MOLDE ............................................................................... 63 ILUSTRACIÓN 46 DISPOSICIÓN PARA EL ESCANEADO DEL MOLDE VISTO DESDE ABAJO .................................................... 64 ILUSTRACIÓN 47 PRIMERA PRUEBA DE ESCANEO DE LA ZONA QUE ALBERGA EL EJE ........................................................ 65 ILUSTRACIÓN 48 DIGITALIZACIÓN DEL MOLDE (SUCIO) ............................................................................................ 66 ILUSTRACIÓN 49 DETALLE DE DIGITALIZACIÓN DEL MOLDE (SUCIO) ........................................................................... 67 ILUSTRACIÓN 50 DIGITALIZACIÓN DEL MOLDE (LIMPIO) ........................................................................................... 68 ILUSTRACIÓN 51 DIGITALIZACIÓN DEL MOLDE TRAS EL WRAP ................................................................................... 69 ILUSTRACIÓN 52 PUENTES PARA COMANDO FILL HOLES .......................................................................................... 70 ILUSTRACIÓN 53 CERRADO DE AGUJEROS ............................................................................................................. 71 ILUSTRACIÓN 54 DETALLE DE DEFECTO EN LA GEOMETRÍA TRAS EL LLENADO ................................................................ 71 ILUSTRACIÓN 55 TRIM WITH PLANE ..................................................................................................................... 72 ILUSTRACIÓN 56 FLIP NORMALS ......................................................................................................................... 73 ILUSTRACIÓN 57 FILL HOLES (BRIDGES) ................................................................................................................ 74 ILUSTRACIÓN 58 COMANDO SHELL ..................................................................................................................... 75 ILUSTRACIÓN 59 EXACT SURFACING .................................................................................................................... 76 ILUSTRACIÓN 60 PRIMER INTENTO DE ESCANEO DEL ALOJAMIENTO DEL EJE ................................................................. 77 ILUSTRACIÓN 61 PRIMER INTENTO DE ESCANEO DEL ALOJAMIENTO DEL EJE ................................................................. 77 ILUSTRACIÓN 62 SEGUNDO INTENTO DIGITALIZACIÓN ALOJAMIENTO EJE ..................................................................... 78 ILUSTRACIÓN 63 FIT HOLE ALOJAMIENTO EJE ........................................................................................................ 79 ILUSTRACIÓN 64 COMANDO SHELL ALOJAMIENTO EJE ............................................................................................. 80 ILUSTRACIÓN 65 EXACT SURFACE ALOJAMIENTO EJE ............................................................................................... 81 ILUSTRACIÓN 66 EN ROJO SE MUESTRA LA ZONA QUE SE QUIERE ELIMINAR ................................................................. 85 ILUSTRACIÓN 67 EXTRUSIÓN DE CORTE. CORONA CIRCULAR PARA ELIMINACIÓN DE TALADROS ....................................... 85 ILUSTRACIÓN 68 PLANO PARA REALIZAR CARA DE UNIÓN ENTRE ALOJAMIENTO Y VOLUTA .............................................. 86 ILUSTRACIÓN 69 CORONA CIRCULAR EXTRUIDA Y PIEZA TAPONADA ............................................................................ 87 ILUSTRACIÓN 70 EN VERDE, REDONDEADO EN ROJO, EXTRUSIÓN DE CORONA CIRCULAR EN LA VOLUTA ............................. 88 ILUSTRACIÓN 71 ORIFICIO DE ENTRADA DE FLUIDO DE LA VOLUTA ............................................................................. 89 ILUSTRACIÓN 72 ORIFICIO DE SALIDA DE LA VOLUTA ............................................................................................... 90 ILUSTRACIÓN 73 TAPA EN ENTRADA .................................................................................................................... 91 ILUSTRACIÓN 74 TAPA DE SALIDA ....................................................................................................................... 91 ILUSTRACIÓN 75 MODELO ORIGINAL DEL RODETE .................................................................................................. 92 ILUSTRACIÓN 76 ORIFICIO Y CHAVETERO DEL RODETE TAPONADOS ............................................................................ 92 ILUSTRACIÓN 77 PIEZAS PARA EL CONJUNTO ......................................................................................................... 93 ILUSTRACIÓN 78 RODETE (MORADO) UNIDO A LA PIEZA PARA LA REGIÓN DE ROTACIÓN (GRIS) ........................................ 93 ILUSTRACIÓN 79 RODETE Y VOLUTA UNIDOS CON RELACIONES DE POSICIÓN ................................................................ 94 ILUSTRACIÓN 80 VOLUTA Y CIERRE UNIDOS .......................................................................................................... 95 ILUSTRACIÓN 81 ECUACIÓN DE CAÍDA DE PRESIÓN ................................................................................................. 98 ILUSTRACIÓN 82 EQUATION GOAL DEL RENDIMIENTO ............................................................................................. 98 ILUSTRACIÓN 83 CONDICIÓN DE PRESIÓN DE ENTRADA ........................................................................................... 99 ILUSTRACIÓN 84 CONDICIÓN DE PRESIÓN DE SALIDA ............................................................................................... 99 ILUSTRACIÓN 85 DIAGRAMA DE VECTORES DE LA VELOCIDAD DEL FLUJO ......................... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. ILUSTRACIÓN 86 DIAGRAMA DE PRESIONES .............................................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED. ILUSTRACIÓN 87 EJEMPLO DE LAS CAPAS DEPOSITADAS EN FDM

(HTTP://ES.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/MODELADO_POR_DEPOSICI%C3%B3N_FUNDIDA) ...................................... 104


Índice de Tablas

TABLA 1 FASES DE LA INGENIERÍA INVERSA ........................................................................................................... 16 TABLA 2 RESULTADOS DE LAS METAS DEFINIDAS ........................................................ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.



1. ESTADO DE LA CUESTIÓN


Ilustración 1 Integración del proceso de ingeniería de un producto (Apuntes Diseño y Fabricación Integrados)

1. Estado de la cuestión

1.1. ¿Qué es la Ingeniería Inversa?

En primer lugar, para entender el proyecto que se expone es necesario comprender

qué es la tecnología de la Ingeniería Inversa, qué alcance tiene y qué posibilidades

ofrece.

La ingeniería inversa consiste básicamente en pasar de una pieza física a un modelo

digital en 3D del cual se pueden obtener planos con sus respectivas dimensiones y

detalles geométricos.

De una forma más técnica, la ingeniería inversa se define como El proceso de descubrir

los principios tecnológicos de un dispositivo, objeto o sistema, a través de

razonamiento abductivo de su estructura, función y operación [1]

Una descripción menos formal pero no por ello menos útil sería la siguiente:

La ingeniería inversa (RE) se trata de tomar algo, un elemento tangible (un resultado,

un producto terminado, un dispositivo mecánico o electrónico, un software de

computadora, un sistema, etc.) para analizar su composición y funcionamiento en

detalle, generalmente para intentar crear, duplicar u optimizar el mismo sin que sea

una copia fiel al original y asi eficientizarlo [2].


En el ciclo de vida de un producto, la ingeniería inversa aparece en la segunda etapa.

Una vez se ha hecho una observación y un análisis del mercado y ya se ha decidido el

concepto del producto que se quiere fabricar, llega el momento de elaborar un diseño

conceptual.

La ingeniería inversa puede intervenir en este paso para ahorrar tiempo y dinero, así

como asegurarse de que el producto es el deseado, puesto que ya está creado.

También podría darse el caso de que la Ingeniería inversa se utilizara como punto de

partida en el proceso del diseño, es decir, se podría partir del diseño de un producto ya

existente, obtenerse su modelo digital con tecnologías de ingeniería inversa y desde

este punto hacer las modificaciones de diseño pertinentes para llegar al producto

deseado.

La ingeniería inversa puede tener otros usos dentro del ciclo de vida de un producto:

Validación:

Tal y como se pretende hacer en este proyecto, la ingeniería inversa se puede

utilizar durante el proceso de validación de los prototipos y diseños de la pieza

que se pretende fabricar.

Análisis de Mercado:

Para poder analizar con detalle los productos ya existentes en el mercado, la

ingeniería inversa puede ser una técnica muy útil y provechosa.

Calidad:

Una vez la pieza esté fabricada, la ingeniería inversa se puede utilizar para

realizar mediciones, comprobar tolerancias, e incluso detectar defectos en la

superficie de las piezas.


1.2. Pasos estandarizados de la Ingeniería Inversa

Viendo el proceso de la ingeniería inversa desde un punto de vista digital, se podría

dividir en tres pasos principales:

Paso 1: Escaneado

Este proceso consiste en la digitalización de las superficies físicas del componente (coordenadas XYZ de un alto número de puntos). [3] El objetivo es conseguir una nube de puntos que será la materia prima del modelo digital que irá poco a poco tomando forma. Para este paso se pueden utilizar distintas tecnologías (que se analizarán más adelante) y se utilizará el software Geomagic Studio, que permite por un lado gestionar el proceso de la captura de puntos durante el escaneado y por otro lado procesarla nube de puntos capturada y darle el formato necesario para las distintas aplicaciones que se le pueda querer dar al modelo digital de la pieza en cuestión.

Ilustración 2 FARO Laser Scanner (University of Alberta)


Paso 2: Procesado de los datos capturados

En este segundo paso, se pretende dar forma a la nube bruta de puntos que se ha capturado durante el proceso de escaneado. Para ello, se unen todos los puntos de la nube en una malla triangularizada con el comando Wrap. Para dar una idea de los órdenes de magnitud de estas mallas para la pieza que se va a tratar durante este proyecto, la malla creada tiene unos 175.000 triángulos. Posteriormente, según los requerimientos específicos de la pieza a tratar se utilizarán algunos de los comandos que se describen a continuación:

- Fill holes:

o Este comando sirve, como su propio nombre indica, para rellenar los agujeros existentes en la malla.

o Existen varias opciones de llenado, que van desde un llenado plano hasta un llenado respetando la geometría colindante al agujero.

o Existe la posibilidad de rellenar los agujeros uno a uno (Fill Single) o de rellenarlos automáticamente (Fill All).

- Shell:

o Este comando lo que hace es crear una “cáscara” uniforme alrededor de toda la superficie.

o Es un comando especialmente útil cuando se tiene una superficie y se quiere obtener un volumen, que pueda ser tratado como tal en los diferentes programas a los que se exporte.

- Mesh doctor:

o Este comando es una herramienta muy útil que se utiliza independientemente de las características de la pieza.

o Su función es detectar los triángulos defectuosos que pueda tener la malla, y posteriormente se ofrecen diferentes opciones como “arreglarlo” automáticamente (con mayor o menor grado de éxito) o eliminarlos para poder enmendarlo con otros comandos.

o Normalmente se ha de utilizar varias veces durante el procesado de la malla.


- Sandpaper:

o El comando sandpaper es, esencialmente, una lija digital. o Este comando sirve para suavizar las zonas que, por el

motivo que sea se hayan visto deformadas de su geometría original.

o Se puede utilizar con distintos grados de intensidad y se debe tener cuidado de no abusar de él para no perder las geometrías originales.

- Manifold:

o El comando Manifold en su variante “open” elimina los triángulos flotantes de la pieza, es decir, los que no están unidos a la malla principal.

o Este comando es de gran utilidad al principio del procesado, cuando todavía quedan zonas sucias del escaneado y cada vez que se realizan operaciones importantes en la pieza.

- Trim:

o El comando Trim sirve para crear separación y recortar zonas de la pieza.

o Resulta de especial utilidad su modalidad de “Trim with plane” a través de la cual se puede seccionar la pieza valiéndose de un plano previamente definido si se desea.

- Remesh

o El comando remesh es de especial utilidad cuando la malla se ha sometido a un número considerable de cambios y se ha visto deformada.

o Este comando lo que hace es volver a mallar la superficie, respetando los cambios que se la han hecho a la malla pero volviendo a obtener una superficie uniforme


Paso 3: Creación de las superficie

En este paso final del procesado de la ingeniería inversa lo que se pretende es preparar toda la información que se ha obtenido y refinado para poder darle los usos que se pretendían originalmente. Para ello se utilizará el comando Exact Surfacing en su modalidad de Autosurface.

Este comando se utilizado una vez se ha terminado el refinado de la malla.

El comando Exact Surfacing tiene como objetivo convertir la malla

triangularizada en una superficie exacta, es decir, se pasa a una superficie

“parcheada”.

Una vez se tiene la pieza de esta forma se puede guardar en distintos formatos

en función del uso que se le vaya a dar al diseño y del software que se vaya a

emplear. Estos formatos pueden ser .igs y .stp entre muchos otros.

Ilustración 3 Reverse Engineering Overview (Presentación RE Silvia Fernández Villamarín)


1.3. Fases Globales de La Ingeniería Inversa

De una forma más global, se puede dividir el método de la ingeniería inversa en seis

fases: [4]

Tabla 1 Fases de la Ingeniería Inversa

Fase 1: Conocimiento preliminar del objeto de referencia.

Fase 2: Diseño de un plan de investigación.

Fase 3: Aplicación del plan al objeto de referencia.

Fase 4: Sintetizar la información generada por el plan, generar un modelo y demostrar

que éste es fiel al objeto de referencia.

Fase 5: Caracterizar el modelo.

Fase 6: Utilizar el modelo para diversos propósitos.

En la segunda fase “Diseño de un plan de investigación” se intentará desarrollar

un método eficiente (tanto en lo económico como en tiempo invertido) para

poder digitalizar el sistema de impulsión de una bomba rotodinámica, de tal

manera que luego sea posible simular su comportamiento de forma cualitativa

y cuantitativa mediante un software de CAE (Computer-Aided- Engineering).

El principal motivo de realizar una simulación precisa del comportamiento de la

pieza al fluir agua a través de ella es conseguir sustituir el costoso proceso (en

tiempo y dinero) del prototipado, la instalación del prototipo en el conjunto y

finalmente la realización de una serie de ensayos empíricos, todo para verificar

si el diseño propuesto cumple los requisitos.


Si a esto se le suma que en el desarrollo de una pieza habitualmente se realiza

el diseño en distintas etapas, modificándolo gradualmente hasta llegar al

diseño final, queda patente la importancia de realizar simulaciones en lugar de

ensayos empíricos.

Llegado este punto, una importante duda puede surgir: ¿Por qué no simular

directamente el modelo CAD diseñado a mano?

Pues bien, en ocasiones, como es el caso a tratar en este Proyecto, el verdadero

interés no está en saber el comportamiento ideal del modelo, sino en saber el

comportamiento que realmente van a tener los prototipos a la hora de

testarlos en los ensayos empíricos.

Es decir, para conocer el comportamiento ideal de la pieza, se podría obtener

fácilmente exportando el diseño digital en 3D de la pieza a un programa de CAE

y allí simularlo.

En cambio, si lo que se quiere es saber el comportamiento del prototipo, el

proceso es más complicado.

Si se utilizan prototipos obtenidos con técnicas de fabricación aditiva,

dependiendo de qué técnica se utilice (como se verá más adelante) existen una

serie de limitaciones y de efectos que no se pueden ver reflejados en el diseño

original en 3D de la pieza.


Ilustración 4 Fabricación aditiva frente a sustractiva (Presentación IMEDRP UPComillas)

1.4. Fabricación Aditiva y prototipado

Para entender en más profundidad las motivaciones y el interés que subyace en el

proyecto que se propone, resulta indispensable conocer las distintas herramientas de

las que se disponen actualmente para la fabricación de prototipos y en particular las de

fabricación aditiva.

1.4.1. ¿Qué es la fabricación aditiva?

La Fabricación Aditiva consiste en la sucesiva superposición de capas micrométricas

de material hasta conseguir el objeto deseado. Esta modalidad de fabricación

supone una nueva revolución industrial, íntimamente vinculada con el desarrollo

de las TIC, y será la pieza angular de la fábrica de la era digital y del futuro

industrial de los países desarrollados al permitir, entre otras ventajas, prescindir de

herramientas y utillajes de fabricación, reproducir cualquier geometría que el ser

humano pueda imaginar, ofrecer una respuesta inmediata a las cambiantes

necesidades del mercado, y atender a la creciente demanda de diferenciación y

personalización de los productos por parte de los consumidores. [5]


Ilustración 5 Prototipo de transportador humano (Woo-Ram)

La fabricación tradicional sería la sustractiva, proceso a través del cual se

sustrae una porción del material bruto, más grande que la pieza final, hasta

conseguir la forma deseada.

1.4.2. ¿Qué es un prototipo?

Un prototipo es una representación limitada de un producto o sistema que permite

evaluar el diseño y llevar a cabo ensayos empíricos entre otros usos comerciales y

de diversa índole.

Un prototipo digital es una simulación digital de un producto que puede ser

utilizada para evaluar la forma, el ajuste y la función. El prototipo digital se hace

más y más completo a medida que se integran todos los datos del diseño

conceptual, mecánico, y eléctrico. Un prototipo digital completo es una verdadera

simulación digital de todo el producto final, y puede ser utilizado para optimizar y

validar un producto virtualmente con el fin de reducir la necesidad de construir

costosos prototipos físicos. [6]


Ilustración 6 Tecnología SLS (Barcelona Institute of Packaging)

1.4.3. Tecnologías de fabricación aditiva más exitosas

A continuación se muestran algunas de las tecnologías de fabricación aditiva que

más impacto tienen en el mercado.

Sinterizado selectivo por láser (SLS)

El sinterizado selectivo por láser es una técnica de adición de prototipado rápido en

el cual se deposita una capa de polvo, de unas décimas de milímetro, en una cuba

que se ha calentado a una temperatura ligeramente inferior al punto de fusión del

polvo. Seguidamente un láser CO2 sinteriza el polvo en los puntos seleccionados

(causando que las partículas se fusionen y solidifiquen). [7]

Esta técnica fue comercializada en los años 90 y sirve para un rango de materiales que

va desde los polímeros hasta los metales pasando por los cerámicos.

En cuanto a su precisión, y sus límites de funcionamiento, se consigue un espesor de

capa de 100 μm.


Fusión de haz de electrones (EBM)

La fusión de haz de electrones o Electron Beam Melting consiste en la fusión de

materiales utilizando haces de electrones. Permite producir objetos metálicos

en un corto período de tiempo, el uso de metal en polvo y una máquina de

fusión por haz de electrones.

Un haz de electrones de 3.000 vatios calienta la sustancia en polvo en puntos

específicos, los que calientan el material y fusionan las partículas de polvo,

transformando el material en forma sólida. El área de impresión de las

máquinas de fusión por haz de electrones se vacía constantemente por medio

de un túnel de viento, asegurando la solidez de los objetos que se producen por

la densidad acumulada.

Entre sus ventajas destacan:

- Su elevada velocidad de producción. - La solidez de los objetos producidos. - El reducido uso de recursos en comparación con otras tecnologías

como el SLS.

Entre sus limitaciones cabría destacar:

- La limpieza completa de las piezas producidas.

- El acabado superficial

- La resolución de entre 50 y 200 μm. [8]

Ilustración 7 Electron Beam Melting (www.arcam.com)


Modelado por deposición fundida (FDM)

El modelado por deposición fundida o Fused Deposition Modelling es un

proceso de fabricación utilizado para el modelado de prototipos y la producción

a pequeña escala.

El modelado por deposición fundida utiliza una técnica aditiva, depositando el

material en capas, para conformar la pieza. Un filamento plástico o metálico

que inicialmente se almacena en rollos, es introducido en una boquilla.

La boquilla se encuentra por encima de la temperatura de fusión del material y

puede desplazarse en tres ejes controlada electrónicamente.

La boquilla normalmente la mueven motores a pasos o servomotores La pieza

es construida con finos hilos del material que solidifican inmediatamente

después de salir de la boquilla. [9]

Ilustración 8 Fused Deposition Modelling (Barcelona Institute of Packaging)


Las principales ventajas de este procedimiento son los costos del modelado por

deposición fundida y su sencillez de uso.

Las desventajas del modelado por deposición fundida, sin embargo, incluyen

una calidad de impresión reducida en comparación con los procedimientos

estándar de impresión como el sinterizado láser a pesar de los costos

reducidos. El precio de las máquinas de modelado por deposición fundida

oscilan entre los 400 y los 80.000 euros (para los modelos más sofisticados) y

por lo tanto, son mucho más fáciles de adquirir que las impresoras de

sinterizado láser 3D que se inician a partir de los 80.000 euros.

La mayoría de las máquinas de modelado por deposición fundida que se

encuentran a un precio de entre 500 y 3.000 euros son capaces de

proporcionar objetos impresos con una calidad satisfactoria a pesar de que

serían inadecuadas para la creación de prototipos o artículos terminados. [10]


1.5. Técnologías de escaneado en 3D

Se podría decir que el paso más trascendental y delicado de los procesos de Ingeniería

Inversa es el escaneado.

Si no se dispone de una buena “materia prima” no se puede conseguir un buen modelo

en tres dimensiones, por mucho que se intenten suplir las carencias durante el

procesado con el software (por ejemplo, Geomagic Studio).

Actualmente se dispone de un amplio abanico de tecnologías con un rango de precios

que va desde los pocos cientos a los muchos miles de euros, con distintos niveles de

precisión, tiempos de escaneado y usos industriales frente a recreativos.

De una manera general, estas tecnologías de escaneado se dividen en dos tipos

fundamentales:

Digitalización con contacto:

Requieren contacto entre la superficie del objeto y la herramienta de medición que usualmente es un palpador o una sonda.

Digitalización sin contacto:

Usan energía (láser,luz…) como herramienta principal para extraer

información.

Cada método tiene ventajas y desventajas, por lo que es crucial elegir correctamente el método en función del objeto y el tipo de digitalización. [11]

Ilustración 9 Métodos de digitalización (presentación RE de S. Fernández Villamarín)


Como se ve en el esquema arriba mostrado, dentro de los dos grupos principales

de tecnologías de escaneado, existen distintas variantes, de las cuales, se

analizarán las más representativas a continuación.


1.5.1. Escaneado por digitalización SIN contacto

- Fotogrametría:

o Medición de coordenadas 3D, es decir, determinación de propiedades geométricas de un objeto y situación espacial a partir de imágenes fotográficas (diferentes puntos de vista).

o Trabajar con una foto aporta información bidimensional, pero trabajar con dos fotos, en la zona común se tiene visión estereoscópica, es decir información tridimensional. [11]

Ilustración 10 Escaneado de un teléfono móvil mediante a tecnología de Fotogrametría [11]


Ilustración 11 Explicación del fenómeno de triangularización por láser [11]

- Triangularización por láser:

o Deduce la posición de un punto de un objeto mediante la localización y los ángulos entre los dispositivos de emisión y detección.

o Se proyecta una luz de alta energía hacia el objeto y empleando triangularización geométrica (ángulo y distancias) se calcula la posición del punto de una superficie en relativo a un plano de referencia. [11]

o Esta tecnología será la utilizada para el desarrollo de este proyecto

mediante el FARO Laser Scan Arm, debido a su altísima precisión de 40 μm y su eficiente cadencia de toma de puntos de 50000 puntos por segundo.


- Tiempo de vuelo:

o Consiste en el cálculo de distancias basado en la velocidad de la luz,

registrando el tiempo de vuelo de una señal de luz entre el emisor y el objeto. [11]

o Este tecnología de escaneado da una precisión por debajo de 1 mm y tiene una cadencia de toma de puntos de 1000 puntos por segundo, lo cual le hace quedar muy por debajo de los escáneres de triangularización por láser, pero por el contrario, tienen un rango de medición de hasta 300 m, lo que los convierte en una tecnología ideal para tomar medidas de habitáculos, estructuras y, en general, para todo tipo de obras civiles.

Ilustración 12 Escáner de tiempo de vuelo [11]


Ilustración 13 Escáner de Luz Estructurada [11]

- Luz estructurada:

o Se proyectan patrones de luz al objeto y se captura la imagen resultante del reflejo del patrón en la superficie.

o La imagen es analizada (distancia entre líneas) para determinar las coordenadas de los puntos de la superficie.

o La distancia entre líneas es proporcional a la altura de la superficie. [11]

o Tiene una precisión de aproximadamente 45 μm, muy similar a la de los escáneres de triangularización láser.

o El DAVID Laserscanner-SLS-2 puede encontrarse por un precio

aproximado de 3000$ (Amazon), haciéndolo asequible para la pequeña empresa y el público en general.


Ilustración 14 Tomografía Computarizada (keckmedicine.adam.com)

- Tomografía Computarizada (CT):

o Se emplean rayos X para crear una representación tridimensional de un objeto tanto interna como externamente.

o Se toman múltiples imágenes o escaneados del objeto desde diferentes puntos de vista midiendo y registrando la cantidad de radiación que atraviesa el objeto (la energía es absorbida o transmitida en función de la densidad de los materiales del objeto).

o Como resultado se obtiene una reconstrucción volumétrica del objeto. [11]

o Tiene una aplicación principalmente médica, siendo una poderosa

herramienta de diagnóstico que puede servir entre otras aplicaciones para detectar el cáncer y fracturas de huesos.


Ilustración 15 PCMM FARO [11]

1.5.2. Escaneado por digitalización CON contacto

- Máquina de Medición por Coordenadas (MMC):

o Equipo de medición tridimensional que emplea un palpador de contacto para detectar la información de la superficie del objeto.

o En cada contacto, quedan registradas las distancias lineales desplazadas en los tres ejes ajustando la dimensión del palpador (coordenadas XYZ del punto). [11]

o La aplicación de esta tecnología es más para el ámbito de la

metrología que para el modelado en 3D, ya que, al ser completamente manual y no automática, su cadencia de puntos por segundos es muy baja.


Ilustración 16 Máquina PCMM (Faro)

- Máquina de medición por coordenadas portátil (PCMM)

o Se trata de una versión más compacta del MMC o Permite una mayor movilidad y puede ser de gran utilidad para

verificar dimensiones a pie de fábrica.


1.6. Aplicación y alcance de la Ingeniería Inversa

1.6.1. ¿Por qué utilizar la Ingeniería Inversa?

La ingeniería inversa está a la orden del día y surgen innumerables aplicaciones

en diferentes campos.

En primer lugar, la ingeniería inversa puede resolver un gran problema si la

pieza de interés es obsoleta, es decir, ya no se fabrica el producto y se necesita

a toda costa esa pieza. Un claro ejemplo sería un recambio para un coche

antiguo.

Esta aplicación se puede ampliar a productos no obsoletos, es decir, que se

siguen produciendo pero que por el motivo que sea no disponen de una

documentación adecuada.

Por otro lado, resultaría muy interesante la aplicación de la ingeniería inversa si

se quisiera analizar el producto fabricado por una empresa de la competencia.

Otro ejemplo aparece en el proceso de desarrollo de los smartphones. Existen

casos (como el de Apple y Samsung) en los que una empresa se querella con su

rival directo por haberse “inspirado” en sus proyectos a través de la emergente

y cada vez más precisa tecnología de la ingeniería inversa.

Estas situaciones pueden llevar a un debate ético-jurídico en lo referente a los

límites de la propiedad intelectual y patentes cuando la Ingeniería Inversa entra

en juego, por lo que se debe actuar con extremo cuidado cuando se obtiene

información ajena con estos procesos.

Ilustración 17 Productos de Apple frente a Samsung (http://www.outsidethebeltway.com/wp-content/uploads/2012/08/iphone-

samsung-comparison-photo-570x421.jpg)


Se podría ver también el uso de la ingeniería inversa en el mundo de la

artesanía.

Cuando un artesano da forma a sus creaciones, puede darse el caso de que

éstas son únicas y no disponen de planos. Con la ingeniería inversa no solo se

pueden obtener estos planos, sino que se puede hacer un análisis completo de

la pieza en cuestión, modificarla si fuera necesario y adecuarla para su

fabricación en masa.

Ilustración 18 Piezas artesanales para el escape de un Lotus Seven VM77 (www.petrolheadgarage.com)

Finalmente, si se quiere realizar un diseño en 3D de una pieza con un elevado

grado de complejidad geométrica, puede resultar más eficiente y preciso

sustituir el proceso de diseño de CAD por uno de ingeniería inversa.

Ingeniería inversa. Generación y tratamiento de datos 3D. Pr

Actualmente, esta tecnología está más extendida en el sector de la metrología y

en el sector industrial para la producción, inspección, análisis dimensional,

validación, calibración de máquinas y análisis de calidad.

Comúnmente, se utiliza en la industria diferentes tecnologías de ingeniería

inversa para hacer medidas precisas de piezas de gran envergadura, lo que

resultaría muy lento y complicado con métodos tradicionales.


Una aplicación que puede llamar la atención en este ámbito es el uso de la

ingería inversa para proyectos a gran escala, es decir, realizar una digitalización

de estructuras e incluso edificios.

En ocasiones, cuando no se dispone de los planos originales o si la estructura o

el edificio en cuestión han sufrido cambios, recurrir a la digitalización puede ser

de gran ayuda. Con el modelo en 3D resulta sencillo la obtención de planos

precisos e incluso el análisis estructural de daños.

Un ejemplo de la aplicación de esta tecnología a gran escala es el proyecto que

se va a llevar en la Universidad Pontificia de Comillas “Optimización del

mantenimiento asistido por ordenador de un taller de fabricación mediante la

creación de una maqueta virtual con ingeniería inversa” que consistirá en

realizar una digitalización de un laboratorio-taller completo, de manera que se

obtenga un modelo interactiva en 3D a través de la cual se pueda llevar un

registro detallado y ágil del mantenimiento, incidencias y un largo etcétera.

Ilustración 19 Ejemplo de escaneado de edificios con tecnologías de Faro (http://www.faro.com/es-

es/productos/topografia-3d/laser-scanner-faro-focus-3d/casos-de-aplicacion/2013/02/15/el-escaneado-l%C3%A1ser-revoluciona-el-sector-de-la-arquitectura-y-la-construcci%C3%B)

Una de las cualidades más útiles y aplicables de la ingeniería inversa al mercado

actual es su capacidad de aportar soluciones baratas a problemas

aparentemente inabordables.


Finalmente cabe destacar que una de las mejores cualidades de la tecnología

que se expone es su versatilidad y la infinidad de posibilidades que abre en

prácticamente todos los ámbitos. Siendo todavía una tecnología de uso

restringido por su elevado precio (o no tanto), su uso a día de hoy es limitado,

pero es de esperar que en el momento en el que se abarate, llegará a un mayor

rango de público y su aplicación se generalizará.

Buena prueba de la versatilidad que ofrecen estas tecnologías es la aplicación

en el sector médico, en particular del equipamiento médico y la reconstrucción.

Una descripción detallada de este ámbito es la que hacen desde Geomagic.

El ajuste perfecto de aparatos médicos avanzados basado en la forma original

del paciente se hace cada vez más posible con los datos en 3D de Geomagic. Al

capturar la forma original del cuerpo y de los huesos, los audífonos a medida,

los aparatos ortopédicos, las prótesis y las órtesis producen menos dolor

durante el tratamiento, con lo cual se aumenta la calidad de vida de los

pacientes y se minimizan los tiempos de recuperación. [12]

Ilustración 20 Geomagic Medical (http://www.geomagic.com/es/industries/medical)

En cuanto al alcance de esta tecnología, a día de hoy resulta imposible ponerle

techo, pero lo que es seguro es que se trata de una técnica que no sólo ahorra

tiempo y dinero, sino que puede contribuir en gran medida al bienestar, a la

salud y a la economía.

Además de todas las cualidades ya mencionadas, cabe destacar que con estas

técnicas se puede contribuir a un desarrollo sostenible.


Un ejemplo aparece en el proyecto que se va a desarrollar. Si se consigue una

técnica eficiente de simulación de la impulsión de los rodetes obtenidos por

ingeniería inversa, se podrán evitar los costosos y poco ecológicos ensayos

empíricos, en los que se utiliza una gran cantidad de electricidad y agua, que

además puede resultar contaminada en el proceso.

Por otro lado, en el desarrollo de prototipos, si se combina esta tecnología con

la impresión en 3D por FDM (Fused Deposition Modelling) se podría evitar en

gran medida la producción de prototipos intermedios del material de la pieza

original.

Es decir, si se estuviera desarrollando el rodete de una bomba rotodinámica, se

podría partir de un único ensayo a un prototipo, tras el cual se registraría el

desgaste y los resultados con ingeniería inversa para posteriormente realizar las

modificaciones pertinentes y validarlas mediante simulación.


1.7. Antecedentes del proyecto

1.7.1. Introducción

El Proyecto de validación mediante simulación del sistema de impulsión de una

bomba rotodinámica obtenido a través de la ingeniería inversa surge como

continuación y se apoya en proyectos realizados previamente tanto en la

Universidad Pontificia de Comillas como externamente.

El proyecto principal del que se va a partir y a partir del cual se va a empezar a

construir es el paper Additive manufacturing and performance of functional

hydraulic pump impellers in both non-treated and chemically post-treated FDM

technology. (Ver anexos)

En este proyecto, se partió del rodete de una bomba rotodinámica y se

procedió a su digitalización 3D a través de técnicas de ingeniería inversa.

En una segunda fase, se fabricaron dos copias del rodete digitalizado con

técnicas de FDM (Fused Deposition Modeling), en particular, el material

utilizado fue un filamento termoplástico ABS extruído, y la máquina utilizada

para la impresión de los prototipos la “Stratasys Dimension SST 768” que

dispone de una resolución de capa de 0.254mm y con tecnología de material de

apoyo auxiliar.

A uno de los prototipos se le dio un tratado superficial químico para mejorar el

acabado superficial y la rugosidad, y así tener otro sujeto de estudio.

Ilustración 21 De izquierda a derecha: Rodete original, Prototipo SIN tratamiento de butanona y Prototipo CON tratamiento de butanona (Department of Mechanical Engineering, Technical School of Engineering – ICAI)


Posteriormente se hicieron rigurosas pruebas empíricas instalando los 3

rodetes en la bomba original, es decir, el rodete original, el rodete prototipado

con tecnología FDM SIN post-tratamiento superficial de butanona y el rodete

prototipado con tecnología FDM CON post-tratamiento superficial de

butanona.

El objetivo principal de estos ensayos fue la obtención de las curvas

características de la bomba para cada rodete y el análisis del desgaste que sufre

cada uno de los rodetes sometido al mismo número de ciclos de ensayo.

Ilustración 22 Instalación para la realización de los ensayos empíricos del rodete

(Department of Mechanical Engineering, Technical School of Engineering – ICAI)


Ilustración 23 Rugosidad medida para los 3 rodetes en 3 zonas distintas


En la siguiente tabla, se puede apreciar las diferencias de acabado superficial

entre los tres rodetes, tras ser medidas con un rugosímetro en tres caras de

cada rodete.

Como se puede apreciar, con el tratamiento químico superficial se obtiene un

excelente resultado en la rugosidad suerficial del prototipo, reduciendo su Ra

en hasta un 95%, por lo que queda justificado su uso.

Cabe destacar que con el tratamiento superficial, en dos de las tres zonas

comprobadas con el rugosímetro, se consigue un mejor acabado superficial que

en el rodete original.


1.7.2. Ensayos y resultados

A continuación se muestran las curvas de Altura – Caudal obtenidas tras los

ensayos empíricos en el banco de pruebas para los tres rodetes.

Ilustración 24 Curvas de Altura - Caudal para los tres rodetes ensayados


Como se puede apreciar en la figura, a caudales medios y bajos, la altura que

dan los rodetes prototipados es muy similar a la del rodete original

Cabe destacar que la forma de la curva Altura – Caudal del rodete tratado con

superficialmente se asemeja más al rodete original que la del prototipo sin

post-tratamiento, por lo que se puede decir que, en este aspecto, el uso del

tratamiento químico para mejorar el rendimiento del prototipo ha sido

acertado.

Aparte del propio know-how adquirido en este proyecto, que facilitará muchos

pasos del proyecto presente, se va a utilizar el rodete digitalizado obtenido en

este proyecto para poder unirlo a la voluta de la misma bomba digitalizada en

este proyecto y así poder simular el sistema de impulsión mediante un software

de CAE.


Ilustración 25 Rodete original de la bomba rotodinámica a tratar

(Departamento de Ingeniería mecánica ICAI)

1.8. Objetivos del proyecto y metodología de trabajo

Una vez llegado este punto, conviene esclarecer qué se pretende conseguir en este

proyecto y cómo se va a hacer.

En primer lugar, el primer objetivo que se marcará será obtener un modelo digitalizado en 3D del sistema de impulsión de una bomba rotodinámica a través de técnicas de ingeniería inversa. Los miembros que comprenderán el conjunto de del sistema de impulsión serán:

1. Rodete:

o El rodete cumple la función del órgano intercambiador de energía de la bomba rotodinámica.

o No será necesario su escaneado ya que se dispone del modelo en 3D de proyectos anteriores, por lo que sólo se necesitará acoplarlo a los demás componentes.


2. Voluta:

o La voluta constituye el sistema difusor de la bomba rotodinámica, por lo que convierte la energía cinética del fluido en presión.

o Se trata de una cámara en espiral que ensancha progresivamente hasta convertirse en un conducto tronco-cónico a su salida.

o No se dispone de diseño en 3D de este elemento de proyectos

predecesores, por lo que el objetivo será escanearla con un alto grado de precisión con un escáner sin contacto de triangularización por láser.

Ilustración 26 Voluta de la bomba rotodinámica Calpeda C20E (Calpeda y fuente propia)


3. Alojamiento del eje:

o Esta pieza se incluirá en el conjunto para cerrarlo.

o Se trata de la pieza de unión entre el rodete y el motor eléctrico de la bomba a través del eje.

o Al igual que con la voluta, esta pieza se escaneará en 3D con un escáner sin contacto de triangularización por láser.

Ilustración 27 Pieza de unión de la voluta al cuerpo central de la bomba (Calpeda y fuente propia)


Una vez conseguido esto, el segundo objetivo será conocer el comportamiento del conjunto. Para tal efecto, se simulará el recorrido del fluido en su paso por el sistema de impulsión, así evitando realizar ensayos empíricos. Para conseguir esto, se exportará el modelo 3D a un programa de simulación de fluidos (Solid Works) y intentará reproducir la simulación del fluido al ser impulsado dentro la voluta obtenida por ingeniería inversa. Finalmente, el último objetivo del proyecto será analizar todo el proceso así como los resultados para sacar conclusiones y hacer crítica.


1.9. Motivación

Se considera que el proyecto tratado puede aportar valor a los estudios ya

realizados y a los futuros que se realicen en esta área.

Si los resultados son satisfactorios, se obtendrá un procedimiento sistemático y

barato de comprobar, analizar y validar productos fabricados a través de la

ingeniería inversa. En particular del desarrollo del rodete y voluta de una

bomba rotodinámica, como podrían ser posibles nuevos diseños de rodetes

FDM que quieran utilizarse en la bomba.

Esto podría tener un gran valor en el marco de la industria de las

turbomáquinas, ya que normalmente, obtener prototipos válidos del material

original es muy caro y lento, mientras que el proceso que se pretende

desarrollar conllevaría una importante reducción de los costes así como del

tiempo.

Además, de resultar satisfactorio el proyecto propuesto, se podría proponer en

un futuro obtener prototipos con tecnología FDM no sólo del rodete, sino de

todo el sistema de impulsión y ensayarlos en un banco de pruebas para

verificar si la simulación se asemeja a la realidad, dando distintos tratamientos

superficiales a los prototipos y obteniendo sus curvas de funcionamiento.



2. DESCRIPCIÓN DEL CASO Y PIEZA A

TRATAR


2. Descripción del caso y pieza a tratar

En primer lugar, como resulta evidente, se debe seleccionar la pieza de interés.

En el caso que se va a tratar, se ha elegido el sistema difusor de una bomba

rotodinámica para continuar con un proyecto anterior.

Se digitalizó el rodete de esta misma bomba rotodinámica para posteriormente ser

prototipado con técnicas de impresión en 3D y finalmente ser ensayado en un

banco de pruebas para así obtener las curvas de Altura-Caudal y poder compararlas

con las teóricas de la bomba original.

En este proyecto se quiere ir más allá. Se pretende unir el rodete ya digitalizado de

la bomba al sistema difusor y simular el paso del fluido por el conjunto.

Para ello se necesitarán dos piezas de la bomba aparte del rodete: La voluta y el

alojamiento del eje.

La bomba que se va a emplear utiliza un sistema de difusión por voluta. La voluta

está compuesta por tres partes fundamentales. En primer lugar está la corona

directriz, que guía el fluido al salir del rodete. A continuación nos encontramos la

caja espiral que dirige el fluido hacia el cono difusor donde se produce un aumento

de la presión gracias a un ensanchamiento progresivo hasta su descarga.

Ilustración 28 Sistema de difusión por voluta (http://www.academia.edu)


Para poder completar el sistema de impulsión, se tomará también la parte de la

bomba que une el sistema difusor mencionado anteriormente con el resto de la

bomba y donde queda alojado el eje central que hace rotar al rodete.

2.1. Proceso de Escaneado

Una vez tenidas en cuenta las consideraciones de la pieza original, se procede al

escaneado de la superficie.

Para poder continuar con rigor el proyecto en el cuál se digitalizó el rodete, resultó

indispensable utilizar la misma tecnología, para poder obtener el mismo grado de

precisión en todos los componentes del conjunto y que éste fuera coherente.

Por ello se utilizó el FARO Laser Scan Arm. Esta tecnología de digitalización sin

contacto, se caracteriza por tener un funcionamiento enteramente óptico de

triangularización láser y dar una altísima precisión.

Esta tecnología permite la manipulación de pequeñas piezas, con un elevado grado

de eficiencia, gracias a la agilidad que le da poder muestrear miles de puntos de

una sola pasada, facilitando y aligerando el proceso.

2.2. Software para captura y manipulación del escaneado

Las técnicas de digitalización van inherentemente unidas a un software de

ingeniería inversa que permita desarrollar todo el potencial de esta tecnología. El

software que se empleará en el desarrollo de este proyecto será Geomagic Studio.

Tal y como aparece en la propia descripción del software:

Geomagic Studio® es el completo paquete de herramientas para

transformar los datos analizados en 3D en modelos CAD nativos,

poligonales y de superficies muy precisos. [13]

Por lo que podremos, en un único software, llegar hasta el modelo digital que se

pretende simular.

En cuanto al uso del software una vez obtenida la nube de puntos escaneados, se

verá más adelante las herramientas empleadas y los resultados.


2.3. Problemas encontrados

El primer problema que surge a la hora de obtener una línea metódica de trabajo

es la propia digitalización de la voluta.

Cada bomba tiene su propia geometría interna por lo que la forma de digitalización

puede variar de un modelo a otro.

A menudo (y como ocurre en el proyecto planteado) las geometrías son

complicadas y resulta vital reproducirlas de forma precisa, ya que una pequeña

variación geométrica puede alterar las curvas de funcionamiento de toda la

máquina y no resulta fácil realizar correcciones a posteriori.

En la bomba que se va a emplear, el problema no es tanto la geometría de la

bomba en sí, sino el acceso a ella. Por un lado, el eje de la bomba dificulta la

toma de información en sus alrededores. Si a esto se le suma que el eje es de

un metal brillante, el uso del escáner resulta muy complicado.

Por otro lado, el acceso al conducto interno de la voluta resulta imposible con

el escáner láser, ya que su envoltura voluta impide que el láser refleje bien el

fondo de la geometría, por ello se plantean diversas posibles soluciones.

En primer lugar, para solucionar el inconveniente del eje, y poder también

digitalizar el dorso de la pieza libremente, se procedió a desmontar la bomba,

aislando los componentes de interés.

Ilustración 29 Cuerpo de bomba elegida sin desmontar Ilustración 30 Cuerpo de bomba elegida sin desmontar


En primer lugar se desatornillaron los tornillos de sujeción de la carcasa y se

extrajo la tapa trasera.

Ilustración 31 Proceso de desmontar

En segundo lugar se desencajó la parte delantera de la cámara del rodete,

separándola del eje

Ilustración 32 Proceso de desmontar

Tornillos de

sujeción de la

carcasa

Tapa


Ilustración 33 Detalle de la pieza delantera

Nota: la bomba está pintada en su interior de rojo para evitar el

desprendimiento de óxido.

En segundo lugar, para solventar el problema del acceso al fondo del interior de

la voluta, un primer intento fue limpiar bien la voluta con un estropajo. Debido

a los ensayos del proyecto previo a éste, se creó una capa de óxido en el

alojamiento del rodete, lo que puede resultar problemático para la

digitalización.

Ilustración 34 Resultado tras limpieza de óxido


La siguiente alternativa que se utilizó para intentar solucionar el problema del

acceso al interior de la voluta fue el empleo de un spray especial para la toma

de datos con escáner laser (3D Laser scanning anti-glare spray de Helling). Este

spray pulveriza un fino polvo blanco que se posa sobre la pieza y a la vez

uniformiza la superficie y evita que se produzcan destellos, así consiguiendo un

mejor resultado en la toma de datos.

Ilustración 35 Voluta con spray anti-glare aplicado

Ilustración 36 Detalle del interior de la voluta

El resultado fue positivo pero no satisfactorio. Se consiguió una mejor nube de

puntos pero la zona más cubierta del interior seguía fuera del alcance del

escáner.

En negro se aprecia la zona más

interior a la que no llega el escáner

debido a la envoltura de la carcasa

Envoltura de la voluta que evita

que el escáner pueda llegar a la

zona más interior.


2.4. Molde interior

Visto que el problema persistía, se planteó la opción de realizar un molde del

interior de la voluta para posteriormente escanearlo y, a través de las herramientas

necesarias en Geomagic Studio, revertirlo de manera que cuadre con el resto de

información ya capturada.

En primera instancia se propuso el empleo de un molde duro (con un material

parecido al que utilizan los dentistas para realizar moldes de dientes) pero se

descartó la opción por la dificultad de extraer el molde una vez finalizado.

La opción que resultó más razonable para realizar el molde fue el uso de silicona,

principalmente por dos motivos. En primer lugar se trata de un material barato y

de fácil acceso, de manera que de salir mal el molde se podría repetir tantas veces

como fuera necesario. En segundo lugar, al ser un material blando y flexible

permite un mayor grado de manipulación a la hora de extraerlo del interior del

sistema de impulsión, por lo que resulta más conveniente que los otros materiales

ponderados.

Para la elaboración del molde se empleó el elastómero de silicona S-421 que

consta de dos partes: La base (Base S-421) y el catalizador (catalizador S-421).

Estos dos componentes del elastómero de silicona se mezclan a temperatura

ambiente con la proporción de 100 partes de base por cada 5 de catalizador, de

manera que en 24 horas reticulan, así obteniendo un acabado final elástico y

flexible con excelentes propiedades mecánicas.

Si bien esta es la teoría, en la práctica resultó más complicado. En primer lugar,

debido a la forma de la pieza, con sus geometrías complejas y sus zonas interiores

de difícil acceso, el proceso de endurecimiento no es uniforme, por lo que las 24

horas inicialmente estimadas se convirtieron en aproximadamente una semana.

En primer lugar se taparon los agujeros del molde con plastilina y, donde fuera

necesario un tapón de mayor espesor, un relleno de papel de rollo.

En segundo lugar, se deben utilizar polvos de talco de manera que formen una fina

capa uniforme por todo el interior de la pieza, para así evitar que la silicona se

quede pegada en el proceso de extracción. Para esparcir de forma homogénea los

polvos de talco se utilizó un pincel.

A continuación, se procedió a la mezcla de la base y el catalizador del elastómero

de silicona. Para ello, se utilizó como recipiente una lata cortada y un utensilio de

plástico para remover la mezcla.


Finalmente se procedió al vertido del elastómero en el interior de la pieza. Se

esperó durante unos días a que la parte superior se hubiera solidificado para poder

darle la vuelta a la pieza. Una vez hecho esto, se destaparon los agujeros inferiores

para comprobar si el elastómero había reticulado también por la zona que no

estaba en contacto directo con el aire. Visto que seguía sin solidificar, se dejó otros

tantos días para que solidificara.

Una vez estuvo completamente solidificada la silicona, sólo quedaba el paso final:

la extracción. Este paso fue el más complicado, ya que la silicona al solidificarse

queda muy compacta y la forma de la voluta entorpece la labor, por lo que se optó

por cortar en dos el molde y extraer ambas mitades por separado.

Ilustración 37 Parte superior completamente sólida frente a la parte inferior líquida

Ilustración 38 Extracción del molde de silicona


Ilustración 39 Pieza de plástico extraída y agujeros taponados

Para ello fue imprescindible el uso de un cutter fino. También se barajó la

posibilidad de utilizar un bisturí de uso médico que pudiera llegar sin problema a la

zona más interior, pero no fue necesario.

Finalmente, tirando con cuidado y haciendo palanca con un destornillador, las dos

mitades del molde salieron íntegras y sin pegarse al interior de la voluta.

Este primer molde se tuvo que descartar ya que, el exceso de plastilina a la entrada

del cono difusor impidió que se reprodujera fielmente la forma de espiral de la

cámara interior, por lo que se decidió repetir el proceso.

Para evitar los errores del primer intento, se desmontó la pieza de plástico a la

salida de la voluta, para así poder incluir en el molde el cono difusor y poder

taponar la pieza más eficientemente.

En segundo lugar, para facilitar la extracción del molde y debido a su escaso interés

para la aplicación presente, se taponó el orificio inferior de manera que el molde

fuera liso y uniforme en su dorso. Además se reforzó con cinta aislante para evitar

fugas de silicona.

Una vez estuvieron las preparaciones realizadas (y solventando algún problema

de fugas) se procedió a la mezcla de la base de la silicona con el catalizador y al

llenado de la pieza con silicona.

Orificio inferior taponado

al ras con plastilina.

Pieza de plástico para

empalme con brida exterior.


La principal diferencia de este segundo intento de molde con respecto al

primero es que en él, el reto sería reproducir el interior del cono difusor

(gracias a haber conseguido desmontar la pieza de plástico para el empalme

con la brida exterior) así como conseguir un llenado completo sin rechupes que

reprodujera fielmente la geometría interior de la voluta y permitiera un

digitalizado de calidad, para así poder unirlo al resto de escaneados mediante

herramientas digitales.

Debido a los cambios efectuados para este segundo molde, el tiempo de

secado fue menor pero hubo problemas de llenado del cono difusor.

El problema reside en la posición en la que se dejó la pieza a secar, ya que había

que asegurar por un lado que no se derramase la silicona de la cavidad principal

y por otro lado que se consiguiera llenar el cono difusor.

El resultado fue el mostrado en las siguientes imágenes. Debido al gran defecto

de llenado se decidió, una vez estuvo seco el molde, añadir silicona adicional en

la salida del cono difusor. La gran incógnita sería si se conseguiría una buena

unión entre el molde ya reticulado y completamente terminado y la nueva

silicona añadida, pero como se ve en las imágenes la unión fue perfecta y es

prácticamente inapreciable la zona de unión.

Ilustración 40 Defecto de llenado y resultado final


Una vez conseguida la compactación y reticulación total de la silicona dentro de

la voluta se tuvo que afrontar el problema de la extracción del molde.

Para este segundo intento, la extracción sería más difícil que para el primero, ya

que esta vez la geometría del molde era más complicada al incluir el cono

difusor.

La forma cónica del difusor dejaba pocas alternativas a la hora de ser extraído,

ya que la única opción es extraerlo desde su parte más ancha.

Por estos motivos se decidió extraer el molde en cuatro partes en lugar de dos

como se había hecho anteriormente.

La distribución sería dividir en dos mitades casi iguales la parte principal y una

de ellas dividirla en dos cuartos. Por otro lado se aislaría la parte cónica para

extraerla al final, así pudiendo empujar desde el interior y al mismo tiempo tirar

desde el exterior con ayuda de algún objeto punzante.

kalk

3

2

1 1

2

3

Ilustración 41 Distribución de la extracción del molde


Ilustración 42 Molde de silicona completamente extraído y juntado (no pegado)

Con ayuda de un cutter, un punzón y un destornillador para hacer palanca, al

final fue posible extraer el molde completo sin que éste sufriera desgarros ni

modificaciones de forma, quedando cuatro piezas preparadas para ser unidas y

posteriormente digitalizadas.


2.5. Unión de las piezas del molde

El siguiente paso a realizar de cara a la digitalización del interior de la voluta tras la

extracción del molde es la unión de sus cuatro partes.

De cara a este objetivo se barajaron diferentes posibilidades, siendo la primera y

principal por su facilidad y su fácil acceso el pegado de las piezas.

Lo que a priori se presentaba con un proceso rápido y sencillo, resultó ser más

problemático y lento de lo que parecía.

En primer lugar se probaron dos tipos de pegamentos de gran fuerza, uno

industrial (Loctite 401) y uno de uso más común pero aun así de secado rápido y

elevada resistencia (Loctite Super Glue-3 Profesional). El resultado en la pruebas

que se llevaron a cabo no fue positivo, ya que por la naturaleza de la silicona, los

pegamentos convencionales no se consiguen adherir a su superficie y se precisan

pegamentos especiales con base de silicona, mucho más complicados de

encontrar.

Por ello se decidió recurrir al proveedor original de la silicona para obtener

información sobre el pegado de su producto. Se propuso la opción de unir las

piezas de silicona con el propio catalizador que se había utilizado en la mezcla, pero

tampoco resultó efectivo en las pruebas que se llevaron a cabo.

Llegado este punto, se decidió utilizar una forma más rudimentaria pero, vistos los

resultados, mucho más exitosa que todo lo intentado anteriormente: juntar las

piezas atravesándolas con alfileres.

Se utilizaron unos alfileres convencionales, y con unos alicates se les quitaron las

cabezas y se cortaron en varios trozos para que las incisiones tuvieran menos

profundidad y poder cruzar mejor los alfileres.

Juntando primero las piezas 2 y 3, planas sobre una mesa y haciendo presión para

preservar la forma, se atravesaron un número de alfileres utilizando los alicates

anteriormente mencionados hasta que se consiguió una unión sólida.


Ilustración 43 Unión de las partes 2 y 3 del molde

Una vez finalizado, se unió el conjunto 2-3 con el 1, repitiendo el proceso y

finalmente se unió la parte del cono difusor con el resto, quedando así una sola

pieza.

Ilustración 44 Unión partes 1-2-3 del molde


Ilustración 45 Disposición para el escaneado del molde

La única pega encontrada en el proceso de unión de las partes del molde de

silicona reside en que la parte del cono difusor no queda completamente rígida

con respecto al cuerpo central del molde, ya que su punto más estrecho está

precisamente en la unión con la parte central y debido a su gran volumen y la

densidad de la silicona, la rigidez es prácticamente nula.

2.6. Digitalización

Con el molde terminado y completamente unido, el último paso a dar de este

proceso es la propia digitalización con el Laser Scan FARO utilizado previamente

para el escaneo del exterior de la voluta y la pieza de unión con el eje.

El gran reto de este escaneado no es tanto el proceso de escanear sino el

proceso de preparar la pieza de manera que quede perfectamente sujeta e

inmóvil durante todo el escaneado y que a la vez esté puesta de tal manera que

la pistola alcance todos los puntos, por arriba y por abajo.

Para ello se hicieron varias pruebas utilizando los diferentes utensilios auxiliares

que ofrece la mesa de escaneado, hasta conseguir finalmente una estructura

aceptablemente estable utilizando tres “torres” atornilladas a la mesa, un trozo

de silicona como base y plastilina para fijarlo todo bien y evitar vibraciones.


Como se puede apreciar en las imágenes, el resultado final resulta un tanto

aparatoso, pero debido al peso de la sección del molde perteneciente al cono

difusor (separada del cuerpo central del molde) es necesario añadir la tercera

“torre” anclada a la mesa para así poder garantizar una estabilidad durante

todo el proceso de escaneado.

Ilustración 46 Disposición para el escaneado del molde visto desde abajo

Cabe destacar que es crucial la correcta sujeción de las piezas durante el

proceso por la propia tecnología del FARO Laser Scan Arm.

Este aparato de medición, a través de un brazo articulado y un laser, es capaz

de registrar todas las coordenadas dentro de su radio de acción, es decir, la

mesa.

Por ello, una vez calibrado, el láser asignará un punto en la nube de puntos para

cada coordenada que registre durante el proceso de escaneado.

De este modo, si en una primera pasada del láser se registra una coordenada (a

la que se asigna un punto dentro de la nube) y antes de la siguiente pasada se


moviera la pieza, aunque fuera ligeramente, el láser volvería a registrar ese

mismo punto pero en otra coordenada, así solapándose y duplicándose los

puntos en el modelo digital.

Este fenómeno provocaría una gran suciedad en la nube de puntos, haciéndola

inutilizable.

Un ejemplo de esto se puede ver en el primer escaneado que se llevó a cabo de

la parte del alojamiento del eje de la bomba.

Como se puede ver en la imagen, la nube de puntos es muy sucia y totalmente

irrecuperable, ya que aunque se limpiase utilizando las distintas técnicas de

Geomagic, se perdería mucha precisión, así perdiendo también la esencia y

toda validez del modelo.

Además, se puede apreciar que hay una gran cantidad de puntos

desconectados, y no se sabe muy bien si se trata de suciedad de escaneado

(puntos que ha captado el Laser Arm que pertenecen a los alrededores de la

pieza) o si son puntos pertenecientes a nuestra pieza pero que, por el propio

movimiento de ésta durante el proceso de escaneado, se han desconectado del

cuerpo principal.

Ilustración 47 Primera prueba de escaneo de la zona que alberga el eje


Ilustración 48 Digitalización del molde (sucio)

2.7. Tratado de la nube de puntos

Una vez capturado el molde de silicona se procedió al análisis de la información

obtenida.

Este paso es clave para la consecución de los objetivos, ya que si se parte de una

materia prima pobre, el proceso se complica y se pierde precisión.

A primera vista los resultados fueron poco alentadores por varios motivos.

En primer lugar, como se puede apreciar en la imagen, la información capturada

tiene suciedad y algunos puntos desconectados, pero la forma principal del cuerpo

se mantiene por lo que no es un problema grave.


El verdadero problema está en el borde del molde.

Como se puede apreciar en el detalle aumentado, el grado de suciedad es alto y

algunas zonas no están bien rellenada. Este problema se debe probablemente a

un error humano durante el proceso de escaneado.

Observando este problema, se pensó que sería mejor “arreglar” los errores de

escaneado con la multitud de herramientas de las que se dispone en Geomagic

Studio que replantear la disposición del molde para su escaneado o incluso

escanearlo en varias partes, ya que que esto sólo haría el proceso más

farragoso y en ningún caso garantizaba ganar precisión en la digitalización, todo

lo contrario, se podía incluso perder precisión en todos los pasos intermedios

en lugar de ganarla.´

El primer paso en este proceso de mejora y arreglo del material digitalizado fue

simplemente limpiar toda la suciedad en los alrededores de la pieza y eliminar

toda la sección del borde del molde anteriormente comentado, donde se

concentraba el material más problemático y peor capturado.

Ilustración 49 Detalle de Digitalización del molde (sucio)


Ilustración 50 Digitalización del molde (limpio)

Como puede apreciarse en la imagen, una vez eliminada la zona del borde,

queda una pieza con un aspecto mucho mejor y que se acerca más a los

objetivos finales.

Además, también se elimina la zona superior del molde, ya que en primer lugar

se trata de una zona que no es de interés al ser parte del sobrante del molde y,

en segundo lugar, es una zona plana, por lo que resulta muy sencillo

reconstruirla en Geomagic Studio.

En cuanto a la textura, se puede apreciar que se ha reproducido de forma

bastante fiel la superficie del molde de silicona, que a su vez, gracias a sus

propiedades mecánicas, es una fiel réplica del interior de la voluta.

El siguiente paso de este proceso de adecuación de la información digitalizada

será hacer el Wrap de la superficie digitalizada.

Este proceso consiste básicamente en pasar de una nube de puntos a una

superficie uniforme, a través de un complejo proceso de triangulado.

Este paso intermedio es clave de cara a realizar las siguientes operaciones, ya

que nos permitirá manejar mejor nuestra superficie.


Ilustración 51 Digitalización del molde tras el Wrap

Como se puede ver en la imagen obtenida directamente del fichero de

Geomagic Studio, la textura de la superficie se ha perdido casi completamente,

pero la geometría sigue fiel, si bien no se puede saber todavía cuál va a ser el

resultado en la gran zona que ha quedado como agujero de la pieza.

Por tanto, el siguiente paso lógico en el proceso será conseguir “rellenar” los

agujeros de manera que se acerque lo máximo posible a la geometría deseada.

Para tal efecto se utilizará el comando de Geomagic Studio “Fill Holes”,

sólamente disponible después de haber realizado la operación de Wrap (de ahí

su vital importancia para el desarrollo del proceso).

Para conseguir cerrar las zonas vacías con el comando “Fill Holes” se realiza en

dos pasos.

El primer paso es crear una serie de “puentes” por toda la zona de interés que

se pretende cerrar.

Por “puentes” se entiende una “tira de material” que cruza de un lado de la

zona vacía al otro, respetando la geometría del punto inicial y final, de tal

manera que se pasa de tener un grandísimo agujero a un número de agujeros

más pequeños.

La ventaja de tener agujeros pequeños a la hora de utilizar el comando “Fill

Holes” es que se respeta la geometría colindante de una forma más localizada,

es decir, el programa analiza una zona menor a la que amoldar el relleno, así

consiguiendo un resultado más preciso y limpio.


Ilustración 52 Puentes para comando Fill Holes

Como puede verse en la captura de pantalla, hay un gran número de puentes que se

adaptan a la geometría de su punto de partida y de fin, aunque cabe mencionar que

esto no garantiza que se vaya a conseguir reproducir la geometría intermedia,

especialmente si no es una geometría suave y hay algún cambio pronunciado.

Una vez finalizados los puentes se procedió al propio relleno de los agujeros mediante

el comando mencionado anteriormente.

Para hacer esto el Geomagic Studio ofrece tres posibilidades:

1. “Curvature”: El agujero es rellenado siguiendo la curvatura de los puntos colindantes.

2. “Tangent”: El agujero es rellenado siguiendo la curvatura de los puntos colindantes pero de una forma más roma y suavizada.

3. “Flat”: El agujero es rellenado de forma primordialmente plana.

Para rellenar los agujeros confeccionados con los puentes se eligió la opción

“curvature” para reproducir lo mejor posible la zona del borde.


Ilustración 53 Cerrado de agujeros

Llegado este punto se detectó un defecto en la geometría de la voluta tras el llenado

de los agujeros que podría tener una repercusión negativa en la precisión.

Ilustración 54 Detalle de defecto en la geometría tras el llenado

Como puede apreciarse en el detalle aumentado, la zona entre el borde inferior

y borde superior (círculo rojo) tiene una marcada pendiente, que debería tener

una pendiente poco pronunciada, casi plana (ver ilustración 20).

Este defecto puede tener una gran repercusión a la hora de simular el fluido en

la voluta, ya que esta pendiente hace que se vea reducida la sección de paso

del fluido.


Tras analizar en profundidad el proceso llevado a cabo, se llegó a la conclusión

que este problema podía ser solventado modificando los puentes realizados

anteriormente, eliminando los que tuvieran una mayor repercusión para este

fenómeno y añadiendo nuevos más precisos.

Una vez cambiados los puentes y solucionado este asunto se procedió al

retoque de la pieza.

En primer lugar, se hizo recortó la parte superior de la pieza para uniformizar la

malla en la zona superior.

Para conseguir esto, se utilizó el comando “trim with plane”.

En primer lugar, se definió el plano “plane 1” de manera que fuera lo más

paralelo posible a la base de la pieza.

A continuación, en el comando “trim with plane” se seleccionó este plano y se

le dio un offset de aproximadamente 1mm de manera que desaparecieran

todos los picos de la malla sin modificarla sustancialmente.

Ilustración 55 Trim with plane

Como puede apreciarse en la imagen (círculo rojo), al recortar con un plano la

zona superior, el cono difusor se ve irremediablemente afectado, por lo que se

solventa un problema pero se crea otro.


Ilustración 56 Flip Normals

Llegado este punto, se mira el proceso de una forma global y se ve que

realmente la superficie de interés de la pieza no es la exterior, sino la interior,

que es por la que va a fluir el agua.

Para tener en cuenta este efecto en la pieza se utiliza el comando “Flip

normals”.

Este comando lo que hace es coger las normales de todos los triángulos de la

malla y las invierte, de manera que ahora la superficie de trabajo (mostrada en

azul en Geomagic) pasa a ser la interior, y la superficie “interior” (mostrada en

amarillo en Geomagic) pasa a ser la exterior.

En esta imagen se ve más claramente el plano auxiliar “Plane 1” (en verde)

utilizado para la operación anterior de trim with plane.

Tras invertir las normales se procede a arreglar el agujero creado

anteriormente al recortar la parte superior con el plano.


Para ello en primer lugar se cierra el círculo de salida con un puente.

Ilustración 57 Fill holes (bridges)

A continuación, se ponen sucesivamente dos puentes más y se rellenan las dos

zonas con el comando “fill single”. Una vez hecho esto, con el comando

“Sandpaper” se procedió al suavizado de la zona que se acababa de rellenar

para que respetara el máximo posible la curvatura del cono difusor.

Tras terminar el rellenado del agujero se comprueba que no hay más agujeros

sin cerrar en la pieza y se revisa que no haya puntos desconectados.

Para el siguiente paso se utiliza el comando “Shell”.

La utilidad de este comando está en darle grosor a la pieza, que hasta ahora no

era más que una cáscara, ya que con el proceso de escaneado únicamente se

consiguen registrar los puntos que hacen contacto con el láser.

Cabe destacar que el comando Shell engrosa la pieza hacia fuera, de manera

que no se ven afectadas las dimensiones interiores de la voluta, por donde va a

circular el fluido en la simulación.

Se pone un grosor de aproximadamente un milímetro y el resultado final es el

mostrado en la siguiente imagen:


Ilustración 58 Comando Shell

Como se puede apreciar, hay un grosor uniforme y constante en la pieza, que

ha pasado de ser una cáscara a ser un volumen que puede ser exportado a un

programa de CAE (en el caso tratado será SolidWorks) para poder llevar a cabo

las pertinentes simulaciones del fluido en su paso por la voluta.

Finalmente, la última acción que se llevará a cabo en Geomagic antes de

exportar la pieza al programa de CAE será convertir la malla de polígonos en

una superficie exacta, que puede ser guardad en formatos .stp y .igs para ser

posteriormente exportada a SolidWorks como si la pieza hubiera sido diseñada

en un programa de CAD.

Para conseguir esto, se utiliza el comando Exact Surfacing AutoSurface.

En los parámetros del proceso se pone el “Surface Detail” al máximo para

reducir al mínimo la pérdida de precisión del proceso.

Cabe mencionar que este proceso de Exact Surfacing consume muchos recursos

del ordenador y tarda considerablemente más que los comandos vistos hasta el

momento.

Una vez finalizado el proceso, el resultado final queda, como se ve en la imagen

siguiente, como un único elemento en lugar de una malla de polígonos.


Ilustración 59 Exact Surfacing

Llegado este punto, se guarda el archivo de la pieza en formato .stp y en

formato .igs , ambos aceptados en SolidWorks.

2.8. Digitalización del alojamiento del eje

El digitalización del alojamiento del eje de la bomba resultó mucho más sencilla

que la de la voluta por su mayor simpleza geométrica y la facilidad de acceso

del laser scan arm a todas sus zonas.

Por ello no fue necesaria la elaboración de ningún molde y bastó con despegar

la capa superficial de óxido con un estropajo convencional.

El proceso de escaneado se realizó en dos intentos.

En el primer intento, la captura fue poco limpia y no se pudo compensar en el

postprocesado.


Ilustración 60 Primer intento de escaneo del alojamiento del eje

Ilustración 61 Primer intento de escaneo del alojamiento del eje


Ilustración 62 Segundo intento digitalización alojamiento eje

Como puede apreciarse en las imágenes, hay mucha suciedad, puntos

duplicados y puntos desconectados de la nube principal.

El principal motivo de estos defectos es que la pieza no permaneció

perfectamente fijada a la mesa durante el escaneado, dando lugar a la

duplicación de puntos y a la captura de puntos no pertenecientes a la pieza.

Además, cabe notar que el factor humano en lo referente al pulso y la

velocidad de movimiento del brazo del laser scan arm provocó en mayor o

menor medida la suciedad en el primer escaneado.

En el segundo y último intento, se corrigieron estos errores fijando bien la pieza

a la mesa con plastilina y haciendo recorridos de escaneado firmes y

constantes.

Como se puede ver en la siguiente imagen, la “materia prima” de la que se

parte para la digitalización es mucho mejor que en el anterior intento.

La forma principal de la pieza esta captada con mucha precisión y sólo hay una

gran zona de suciedad fuera de la pieza.


Ilustración 63 Fit hole alojamiento eje

Los pasos a seguir para el tratado de la nube de puntos son prácticamente los

mismos que en el caso del molde de la voluta mencionado anteriormente y por

ello se relataran con menor detalle.

El procesado de la nube s de puntos se inició con una limpieza general de

puntos desconectados en los alrededores de la pieza y de grandes zonas de

suciedad.

A continuación se procede a convertir la nube de puntos en una malla

triangularizada con el comando “Wrap” que nos permitirá continuar con el

procesado de la información.

Una vez obtenida la malla se rellenan los agujeros que pudieran existir y se

limpia el agujero inferior con el comando “fit hole” así consiguiendo que sea

circular y lo más cercano posible a su forma original.

A continuación se utilizó el comando “Shell” para conseguir pasar de una

cáscara a una pieza con volumen, engrosando 1 mm hacia fuera

uniformemente alrededor de toda la pieza.


Ilustración 64 Comando Shell alojamiento eje

Es importante que la pieza sea engrosada por su lado “negativo” (amarillo) para

que así el lado “positivo” (azul) no vea su geometría modificada, puesto que es

por el que va a circular el fluido en la simulación que se hará posteriormente.

Una vez conseguido un volumen cerrado, se procede a convertir la malla

triangularizada en una superficie exacta para que puede ser pasada a formato

.igs y .stp y así poder exportar la pieza a programas de CAE.


Ilustración 65 Exact surface alojamiento eje

2.9. Conclusiones de la digitalización

Llegado este punto convenía pararse un momento y mirar a los objetivos finales

del proyecto y analizar si se iba por la buena senda.

El objetivo es poder simular el comportamiento del fluido en la voluta a su

entrada y su salida a través del software Solid Works. Para ello, lo más

importante es tener la geometría interna de la voluta, para saber cómo se

convierte la velocidad del fluido en presión a lo largo de este sistema difusor.

Se concluye por lo tanto que, teniendo bien definida la geometría interior de la

voluta, es suficiente el grado de detalle obtenido en la digitalización del molde

de silicona con el FARO Laser ScanArm y que la tecnología empleada para el

desarrollo del proyecto es la adecuada.

Por otro lado, de cara a ser exportado a programas de simulación de fluidos,

surge la pega de que la geometría es compleja y consume muchos recursos

durante el mallado para la simulación.



3. PROCESADO Y SIMULACIÓN DEL DISEÑO


3. Procesado y simulación del diseño

3.1. Adaptación de las piezas

Una vez finalizado el proceso de escaneado, se obtienen dos sólidos: La voluta

de la bomba centrífuga y la pieza que sirve como alojamiento del eje de la

misma.

De cara a poder simular el comportamiento de la bomba, se añade un tercer

elemento: El rodete de la bomba diseñado en proyectos anteriores.

Debido a la compleja geometría de las piezas escaneadas, al ser exportadas a

SolidWorks, se producen una serie de fallos, por eso se llevarán a cabo una

serie de simplificaciones y modificaciones que harán posible la correcta

exportación a SolidWorks así como la unión de las tres piezas en un conjunto

que respete los movimientos del rodete con las debidas relaciones de posición

y funcionamiento.

3.1.1. Adaptación del cierre de la voluta (Alojamiento eje)

Para la adaptación de esta pieza se intentaron realizar las modificaciones en Geomagic, pero visto el resultado, se decidió hacerlo directamente en SolidWorks para obtener un resultado más limpio. El primer objetivo de modificación sería la eliminación de la zona de los taladros.


Debido a las complejas geometrías que había creado Geomagic en esta zona durante el proceso del mallado, al exportar el documento a SolidWorks daba problemas de intersección de la geometría, por lo que, ya en SolidWorks se eliminó esta zona. Para ello se dibujó una corona circular y se extruyó un corte barriendo toda la zona problemática.

Ilustración 66 En rojo se muestra la zona que se quiere eliminar

Ilustración 67 Extrusión de corte. Corona Circular para eliminación de taladros


El segundo objetivo de modificación para esta pieza sería crear una cara

perfectamente plana en la zona de unión entre la susodicha pieza y la voluta.

Para ello, en primer lugar se definió el plano lo más paralelo posible a la zona

problemática, para poder realizar los bocetos.

Ilustración 68 Plano para realizar cara de unión entre alojamiento y voluta

Como se puede ver en la imagen, no supone un problema que el plano seccione

la parte superior de la pieza.

A continuación se definió en el mencionado plano un boceto de una corona

circular, y se extruyó de manera que las partes coincidentes entre la extrusión y

la pieza principal quedaran fusionadas, para así no tener errores de geometrías

coincidentes.

Como se puede apreciar en la siguiente imagen, la circunferencia exterior de la corona

circular es de mayor diámetro que la pieza. Esto es porque no afecta al

comportamiento del fluido a su paso por la voluta y así se puede facilitar la posterior

construcción del conjunto (empalme entre voluta y pieza de alojamiento del eje.


Ilustración 69 Corona circular extruida y pieza taponada

Como se ve en la imagen, una vez solucionado el problema de la cara plana en

la zona de unión con la voluta, se procedió al rellenado del agujero inferior.

El motivo de taponar las piezas es conseguir un modelo estanco para que

SolidWorks acepte el modelo al realizar la simulación del fluido y no de

problemas.


3.1.2. Adaptación de la voluta

Una vez adaptada la pieza de cierre, se adapta la voluta.

Se han de realizar diversas modificaciones, tanto en la zona de empalme con las

demás piezas como en las aperturas para la entrada y salida de fluido.

En primer lugar, para la zona de empalme con la pieza de cierre, se repite el

proceso de la extrusión de corona circular, definiendo un plano de ajuste y

extruyendo, fusionando la extrusión al cuerpo principal de la pieza (opción de

“merge” en SolidWorks).

Una vez conseguido esto, ya se tiene una cara plana en la zona superior de la

bomba que permitirá la correcta definición de relaciones durante el proceso de

ensamblaje de piezas.

El siguiente objetivo que se debe atacar es realizar el orificio de entrada de

fluido a la voluta, que no existe en el modelo, ya que, evidentemente, al

realizar el molde de la voluta se pierde este orificio.

Ilustración 70 En verde, redondeado en rojo, extrusión de corona circular en la voluta


Para ello, se puede definir un plano paralelo a la cara plana superior de la

voluta, definida por la extrusión de corona circular anteriormente mencionada.

Una vez realizado esto, se realiza el orificio con el comando de extrusión de

corte, cumpliendo la condición de concentricidad con la corona directriz

anteriormente mencionada.

Con el orificio definido, se repite el proceso del extruido con corona directriz

hacia fuera y hacia dentro, para poder definir correctamente las tapas de la

voluta de cara a la simulación de fluido, tal y como se mencionará más

adelante.

Un proceso similar se lleva a cabo con el orificio de salida de la voluta.

Para recuperar la forma circular del orificio, perdida durante el escaneado y el

postprocesado del mismo, se define el plano de mejor ajuste con la salida y se

realiza de nuevo una corona circular, fusionándola con la pieza.

Ilustración 71 Orificio de entrada de fluido de la voluta


Ilustración 72 Orificio de salida de la voluta

Llegado este punto se explicará el crucial paso de la creación de tapaderas para

el modelo.

Como se mencionó anterior, para que el modelo sea válido para la simulación,

éste debe ser perfectamente estanco, entonces: ¿Qué pasa con los orificios de

entrada y salida de la voluta?

Pues bien, se deben crear unas tapas.

Estas tapas no pueden ser de cualquier forma, deben de cubrir completamente

el orificio y además estar “desacopladas” del cuerpo principal de la pieza, es

decir, en el caso a tratar, éstas serán extrusiones cilíndricas de diámetro

ligeramente mayor que el orificio (tanto para la entrada como para la salida) y

es de vital importancia que a la hora de realizar la extrusión se compruebe que

la opción “merge” (fusión) no esté seleccionada.

De esta manera, se crea la tapa como un cuerpo aparte de la pieza principal y

se puede emplear para las condiciones de contorno en la simulación.


Ilustración 73 Tapa en entrada

Ilustración 74 Tapa de salida


Ilustración 75 Modelo original del rodete

3.1.3. Adaptación del rodete

El únco cambio que se le debe realizar al rodete será “hacerlo estanco”, es decir,

rellenar el orificio destinado a alojar el eje principal de la bomba.

Debido al escaso interés del chavetero para la simulación del fluido, se taponará

completamente realizando una extrusión cilíndrica.

Ilustración 76 Orificio y chavetero del rodete taponados


3.2. Montaje del conjunto

El conjunto será formado por tres piezas: La voluta, el cierre y el rodete.

Ilustración 77 Piezas para el conjunto

Si se decide realizar una simulaciónd e fluido con una región local de rotación se

tendrá que añadir una cuarta pieza.

Esta cuarta pieza definirá la región de rotación y será simplemente un cilindro con

el mismo diámetro del rodete y de profundidad idéntica a la de los álabes.

Ira unido al rodete con las relaciones de posición de concentricidad y de caras

coincidentes. Tambíen se pueden hacer coincidir en lugar de las caras, las

circunferencias.

Ilustración 78 Rodete (morado) unido a la pieza para la región de rotación (gris)


La voluta y el cierre irán fijos en el conjunto (fix) mientras que el rodete se

mantendrá “flotante” (float) de manera que no pierda el grado de libertad de la

rotación.

Para montar el conjunto se precisan una serie de relaciones de posición, que se

describen a continuación.

Voluta - Rodete:

- Relación de concentricidad entre el rodete y cualquiera de las coronas circulares extruidas anteriormente en la voluta (son concéntricas entre sí).

- Cara coincidente entre la cara superior de la voluta y la cara posterior del rodete (extruida de manera que cuadre el rodete pueda rotar sin choca

Ilustración 79 Rodete y voluta unidos con relaciones de posición


Voluta – Cierre:

- Relación de concentricidad entre las coronas circulares extruidas en ambas piezas.

- Cara coincidente en la cara exterior de las coronas extruidas de ambas piezas.

Ilustración 80 Voluta y cierre unidos


3.3. Parámetros de la simulación

Para la simulación del fluido en su paso por el rodete y la voluta se intentarán dos

tipos de simulación: Utilizando rotación global interna y con rotación local interna.

El objetivo de esta simulación será obtener el rendimiento del conjunto con la

siguiente fórmula:

η=|(𝑃𝑜𝑢𝑡𝑙𝑒𝑡 − 𝑃𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡) · 𝑄

𝜔 · 𝑀|

Siendo 𝑃𝑜𝑢𝑡𝑙𝑒𝑡 la presión a la salida de la voluta, 𝑃𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡 la presión a la entrada de la

voluta, Q el caudal, 𝜔 la velocidad angular del rodete y M el par del rodete.

3.3.1. Simulación con rotación global interna

La simulación de rotación global indica que todos los elementos del conjunto

(salvo que se especifique lo contrario) y el fluido rotan.

Por ello se definirán las siguientes condiciones de contorno:

- Paredes reales estáticas:

o Tanto la voluta como el cierre del eje se especificarán estáticas, ya que sólo se desea que rote el rodete así como el fluido.

- Caudal Volumétrico de entrada:

o En la cara interna del tapón de entrada se definirá in flujo axial de caudal volumétrico, para que quede definida la sección de entrada de la voluta.

- Presión ambiental a la salida:

o En la cara interna del tapón de salida se impondrá la condición de presión ambiental, para que quede definida la sección de salida de la voluta.


Una vez definidas las condiciones de contorno, se definen las metas de la

simulación.

En primer lugar se definirán las metas de superficie:

- Caudal másico:

o Se define como meta el caudal másico a la entrada y salida de la voluta, de cara a añadir criterios de convergencia para los cálculos de la simulación.

- Presión Estática:

o Se define como meta la presión estática a la entrada y la salida de la voluta para poder incluirlas en la fórmula de la eficiencia del sistema.

- Par:

o Se define como meta el par en todas las caras del rodete en contacto con el fluido.

o El par será un elemento más para el cálculo de la eficiencia del sistema.

Con las metas de superficie definidas, se definen las ecuaciones meta de la

simulación, que serán las siguientes:

- Caída de presión: o Con esta meta se define el numerador de la ecuación del

rendimiento.

o Consistirá en restar la meta de superficie de presión a la salida y la de presión a la entrada.


Ilustración 82 Equation goal del rendimiento

Ilustración 81 Ecuación de caída de presión

- Rendimiento:

o Esta meta será directamente el rendimiento del sistema.

o Se dividirá la meta de la caída de presión entre el par y la velocidad angular.


3.3.2. Simulación de rotación local interna

Para esta simulación se elegirá en el Wizard de SolidWorks - Flow Simulation la

opción de rotación local interna.

Esta variante consistirá en que el conjunto permanecerá estático y lo que

rotará será una región a definir por el usuario.

La región definida fue la descrita en el epígrafe 3.2.

Será un cilindro de diámetro igual al rodete, concéntrico a él y de profundidad

igual a la de los álabes del rodete.

Las únicas diferencias para la simulación de fluido entre rotación local y

rotación global será que en el presente caso, se tendrá que elegir la región de

rotación con su velocidad angular.

Además, se sustituye la condición de contorno de flujo volumétrico de entrada

por presión ambiental a la entrada.

Ilustración 83 Condición de presión de entrada

Ilustración 84 Condición de presión de salida


3.4. Resultados de la simulación

Tras correr la simulación con la región de rotación local y la rotación global se

analizarán los resultados obtenidos.

En primer lugar, con la rotación global se consiguió que convergieran los cálculos.

Los resultados obtenidos no fueron los esperados en lo que se refiere a las

presiones del fluido y rendimientos.

Finalmente, mencionar que la simulación utilizando región local de rotación no dio

frutos, ya que los cálculos no llegaron a converger.

Deberían verificarse todos los datos y parámetros que se han establecido en la

simulación, desde la propia definición del sistema y sus condiciones de contorno

hasta la geometría de los tres elementos que constituyen el sistema.

3.5. Conclusiones y propuestas de futuro

Vistos los resultados poco alentadores obtenidos tras la simulación, se hará un

análisis de los posibles motivos.

En primer lugar, cabe mencionar que el proceso de simulación ha sido muy

trabado.

El proceso de mallado previo a los cálculos ha sido muy largo en todas las pruebas

que se han realizado, incluso bajando la resolución elegida para la simulación.

Este problema es el probable desencadenante de los errores sucesivos.

Al tener la voluta una geometría parcheada y muy compleja, exportada desde

Geomagic, se entiende que el proceso del mallado para la simulación no ha sido

bueno y de ahí que no se hayan obtenido los resultados esperados.

Por otro lado, al haber tenido que modificar la geometría de las piezas escaneadas

para poder acoplarlas juntas y poder definir correctamente las condiciones de

contorno y las metas, irremediablemente se ven afectados los resultados, aunque a

priori este no parece haber sido el motivo principal, ya que los cambios se han

realizado de manera que no se viese modificada en exceso la geometría principal

de la voluta, elemento principal de la simulación.

De cara a posteriores proyectos como continuación a éste, se propone utilizar la

opción de parametric surfacing durante el proceso de ingeniería inversa.

Lo que este proceso permitirá será pasar de tener una superficie compleja,

parcheada y de difícil mallado, a una superficie con geometrías parametrizadas, de

mayor utilidad para la exportación a programas de CAD-CAM-CAE.


Además se propone utilizar un software de simulación de fluidos que de más

libertad de funcionamiento que SolidWorks y que funcione mejor con geometrías

complejas.



4. LIMITACIONES DEL PROCESO


4. Limitaciones del proceso y conclusiones

4.1. Efecto escalera

De cara a futuros proyectos, hay una serie de limitaciones encontradas en el

transcurso de este proyecto que podrían atacarse y analizar.

En primer lugar se analizará el “efecto escalera” que aparece en los prototipos

imprimidos con tecnología FDM.

Es importante resaltar que el objetivo propuesto no es simular el

comportamiento del sistema de impulsión original, puesto que el fabricante

tiene sus curvas de funcionamiento, sino simular el comportamiento del rodete

FDM en la voluta original.

Este matiz es importante porque resulta de vital importancia conseguir

reproducir las imperfecciones y el acabado superficial del prototipo para tener

un grado de precisión más elevado y que las simulaciones se acerquen al

ensayo empírico.

La técnica empleada para el prototipado es la de modelado por deposición

fundida (FDM).

A grandes rasgos, esta tecnología consiste en ir depositando el material

(plástico) en estado líquido en sucesivas capas hasta conseguir la forma final de

la pieza.

Ilustración 85 Ejemplo de las capas depositadas en FDM (http://es.wikipedia.org/wiki/Modelado_por_deposici%C3%B3n_fundida)


El problema surge cuando en la superficie del prototipo se aprecian los

“saltos” entre capa y capa de material.

Este es el denominado “efecto escalera” y es el que resultará más

problemático a la hora de ser reproducido en el modelo.

4.2. Filtraciones

Otro efecto de interés a tener en cuenta serían las filtraciones en los

prototipos.

Debido a las imperfecciones de fusión en las capas, los prototipos de FDM

resultan porosas, en mayor o menor medida en función de las

características geométricas de la pieza y el equipo de impresión.

Por ello, es natural que en los ensayos empíricos se produzcan una serie de

filtraciones a causa de estas porosidades que afecten al rendimiento del

sistema y, en definitiva, a sus curvas de funcionamiento.

Al producirse las infiltraciones, el equipo puede resultar más pesado,

pudiendo ocurrir que se descompensara y se produjeran vibraciones,

afectando tanto a su rendimiento como a su duración, debido a la fatiga de

éste.

Por otro lado, como es lógico, al producirse filtraciones, se ve

inevitablemente afectado el caudal, aumentando las pérdidas volumétricas

exteriores, siendo:

Q= Qrod - qe - qi

Donde Q representa el caudal total de la bomba, Qrod el caudal en el rodete,

qe el caudal que se pierde fuera del rodete y qi el caudal que es recirculado.

Finalmente, una de las soluciones que se plantean si resulta imposible

reproducir la rugosidad del prototipo es aplicar un factor de corrección o

incluir este efecto en las pérdidas mecánicas de la bomba.


5. Referencias

[1] "http://www.alegsa.com.ar/Dic/ingenieria%20inversa.php," [Online].

[2] http://www.eoi.es/blogs/pedroismaelvegazo/2011/12/16/aplicacion-de-la-ingenieria-

inversa-en-las-organizaciones/. [Online].

[3] P. R. S. F. Villamarín.

[4] E. J. López.

[5] R. L. (www.tendencias21.net).

[6] A. (lhttp://latinoamerica.autodesk.com),

"/adsk/servlet/index?siteID=7411870&id=11988760#section1".

[7] https://es.wikipedia.org/wiki/Sinterizado_selectivo_por_l%C3%A1ser.

[8] http://es.3dilla.com/impresora-3d/electron-beam-melting/.

[9] https://es.wikipedia.org/wiki/Modelado_por_deposici%C3%B3n_fundida.

[10] http://es.3dilla.com/.

[11] P. I. I. S. F. Villamarín.

[12] http://www.geomagic.com/es/industries/medical. [Online].

[13] http://www.geomagic.com/es/products/studio/overview/. [Online].

[14] I. d. u. y. d. d. elástomero.

Documents

Proyecto de validación mediante ingeniería inversa y ... · PDF fileproyecto de validaciÓn mediante ingenierÍa inversa y simulaciÓn del sistema de impulsiÓn de una bomba rotodinÁmica