Modelado y animación en 3D de un motor de vapor oscilante de un cilindro con Solid Edge

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Organización Industrial Modelado y animación en 3D de un motor de vapor oscilante de un cilindro con Solid Edge Autor: Alfonso Emilio Martínez Del Río Tutor: Rafael Ortiz Marín Dpto. Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 iii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de Organización Industrial Modelado y animación en 3D de un motor de vapor oscilante de un cilindro con Solid Edge Autor: Alfonso Emilio Martínez Del Río Tutor: Rafael Ortiz Marín Dpto. de Ingeniería Gráfica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2021 v Modelado y animación en 3D de un motor de vapor oscilante de un cilindro con Solid Edge Autor: Alfonso Emilio Martínez Del Río Tutor: Rafael Ortiz Marín El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2021 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis amigos ix Resumen Este trabajo se centra en el modelado y recreación virtual con Solid Edge de un motor de vapor oscilante de un cilindro. Se realiza un breve recorrido por la historia del motor, se contextualiza el de vapor y se explica detalladamente sus características para luego hablar de la herramienta Solid Edge y seguidamente pasar a describir el modelado de sus componentes, el ensamblaje final y la animación del mecanismo de funcionamiento del motor. Ilustración 35: Logo de Solid Edge [58]. 21 Ilustración 36: Logo de Creo [59]. 22 Ilustración 37: Logo de Inventor [60]. 22 Ilustración 38: Conjunto base 23 Ilustración 39: Boceto 23 Ilustración 40: Protusión y vaciado 1 23 Ilustración 41: Vaciado 2 24 Ilustración 42: Vaciado 3 24 Ilustración 43: Agujeros 24 Ilustración 44: Agujero para cojinete. 24 Ilustración 45: Caracteristicas de los avellanados 25 Ilustración 46: Avellanados 25 Ilustración 47: Agujeros 25 Ilustración 48: Planta de la base terminada 25 Ilustración 49: Base modelada 26 Ilustración 50: Protusión 26 Ilustración 51: Vaciado 1 26 Ilustración 52: Vaciado 2 26 Ilustración 53: Cojinete modelado 27 Ilustración 54: Arbol de modelado 27 Ilustración 55: Boceto 27 Ilustración 56: Protusión 27 Ilustración 57: Agujeros con rosca 28 Ilustración 58: Vaciados 1 28 Ilustración 59: Vaciados 2 28 Ilustración 60: Bloque soporte modelado 28 Ilustración 61: Conducto modelado 29 Ilustración 62: Conjunto cigüeñal 29 Ilustración 63: Protusión 29 Ilustración 64: Vaciado 30 Ilustración 65: Eje modelado 30 Ilustración 66: Protusión 30 Ilustración 67: Vaciado 30 Ilustración 68: Agujero con rosca 31 Ilustración 69: Leva modelada 31 Ilustración 70: Manivela modelada 31 Ilustración 71: Protusión y vaciado del Casquillo 32 Ilustración 72: Casquillo modelado 32 Ilustración 73: Arandela modelada 32 iii Ilustración 74: Protusión 33 Ilustración 75: Simetría 33 Ilustración 76: Vaciados 33 Ilustración 77: Patrón circular 34 Ilustración 78: Agujero roscado 34 Ilustración 79: Volante de inercia 34 Ilustración 80: Conjunto cilíndro 35 Ilustración 81: Cilíndro 35 Ilustración 82: Protusión 35 Ilustración 83: Vaciado 36 Ilustración 84: Agujero roscado M8 36 Ilustración 85: Agujeros roscados M4 36 Ilustración 86: Cilindro modelado 37 Ilustración 87: Boceto 37 Ilustración 88: Vaciados 37 Ilustración 89: Protusión 38 Ilustración 90: Rosca 38 Ilustración 91: Rosca 38 Ilustración 92: Protusión 39 Ilustración 93: Chaflan y protusión 39 Ilustración 94: Protusiones 39 Ilustración 95: Chaflan 40 Ilustración 96: Vaciado 40 Ilustración 97: Modelado Pistón biela 40 Ilustración 98: Boceto 41 Ilustración 99: Modelo del Muelle 41 Ilustración 100: Base y Cojinete 43 Ilustración 101: Base con un Cojinete montado 43 Ilustración 102: Piezas que conforman el conjunto Cigüeñal 44 Ilustración 103: Modelo del conjunto Cigüeñal 44 Ilustración 104: Piezas que conforman el conjunto Cilíndro 45 Ilustración 105: Union Tapa y Cilíndro 45 Ilustración 106: Conjunto Cilindro 45 Ilustración 107: Base, Bloque soporte y Conductos 46 Ilustración 108: Base y Bloque soporte 46 Ilustración 109: Subensamblado 1 46 Ilustración 110: Componentes del Subensamblado 2 47 Ilustración 111: Perspectiva y planta del ensamblado del motor 47 Ilustración 112: Motor de vapor de un cilindro oscilante 49 Ilustración 113: Vista con motor. 49 Ilustración 114: Código QR. 50 Ilustración 115: Explosionado axial en la dirección del eje X. 50 Ilustración 116: Explosionado 2. 51 Ilustración 117: Explosionado 3. 51 Ilustración 118: Logo de Keyshot [61] 53 Ilustración 119: Pantalla de inicio 53 Ilustración 120: Modelo importado 54 Ilustración 121: Materiales. 54 Ilustración 122: Ambiente seleccionado 55 Ilustración 123: Blackplate incorporado al entorno anterior 55 Ilustración 124: Cambiar los parámetros colores (dcha.) y texturas (izq.) 56 Ilustración 125: Herramienta Scene. 56 Ilustración 126: Barras de herramientas Material (izda.) y Luz (dcha.). 57 Ilustración 127: Barra de herramientas Camara (izda. y centro) e Imagen (dcha.). 57 Ilustración 128: Modelo Importado 58 Ilustración 129: Vista superior motor de vapor 58 Ilustración 130: Vista inferior motor de vapor 59 Ilustración 131: Vista principal motor de vapor 59 Ilustración 132: Vista posterior motor de vapor 59 Ilustración 133: Vista lateral izquierda motor de vapor 60 Ilustración 134: Vista lateral derecha motor de vapor 60 Ilustración 135: Perspectiva 1 60 Ilustración 136: Perspectiva 2 61 Ilustración 137: Ejemplo de análisis de esfuerzos con elementos finitos [63]. 63 1 INTRODUCCIÓN 1.1. Objetivos y motivación El objetivo de este proyecto es modelar, ensamblar y animar un motor de vapor de un cilindro oscilante, partiendo de los planos, para la construcción de modelos a escala, dibujados por De Waal. Son varios los motivos por los que se ha elegido esta propuesta: - En todos los proyectos de ingeniería y arquitectura, el uso de programas Computer-Aided Design/Manufacturing (CAD/CAM) son una parte fundamental. Permiten detectar incompatibilidades y errores en los planos, animación o ensamblaje del modelo sin incurrir en ningún tipo de coste de producción. - Al modelar, una por una todas las piezas que conforman el motor, se logra llegar a un nivel mucho mas elevado de conocimiento mecánico sobre dicho mecanismo. - La máquina de vapor, constituye uno de los ingenios mas notables en la historia del conocimiento científico, y uno de los más transcendentales en la transformación económica, social y tecnológica de la sociedad desde mediados del siglo XVIII. - Estudio y análisis de los motores de vapor, sus orígenes, evolución y aplicaciones. - Conocer mas en profundidad el manejo del programa CAD Solid Edge tras cursar la asignatura de Diseño Asistido por Ordenador. 1.2. Metodología usada La herramienta CAD empleada es el software Solid Edge, que engloba el total de los aspectos de un proceso de desarrollo: dibujo 2D y diseño 3D, simulación, fabricación y gestión de datos entre otros. Aunque no tiene un módulo especifico para CAM. [1] Inicialmente, se presenta el motor de vapor a modelar, sus orígenes, historia, funcionamiento y aplicaciones. A continuación, se modelan las piezas del motor en el entorno de trabajo Pieza, con las medidas obtenidas a partir de los planos. Una vez obtenidas las piezas, se definen sus posiciones y orientaciones relativas para luego proceder al ensamblaje de los distintos subconjuntos que componen el motor. Posteriormente, se realiza el ensamblaje de todos ellos entre sí. Previo al ensamblaje y para asegurar un correcto montaje después, se efectuan dos análisis con Solid edge en los subconjuntos: el análisis de interferencias para detectar posibles errores de diseño y el análisis de restricciones para verificar que todas las piezas puedan estar correctamente ensambladas. Tras el ensamblaje completo el motor se renderiza. Para ofrecer una visión realista del funcionamiento del motor, se realiza un vídeo en el que se muestra la simulación del mecanismo. Para ello se ha hecho uso de la opción Motores incluida en el entorno de trabajo Conjunto. Introducción 2 1.3. Estructura del trabajo Este documento se ha dividido en varios capítulos: En el Capítulo 1, Introducción, se muestra una visión general del trabajo y se detallan los objetivos. En el Capítulo 2, Estado del Arte, se sintetiza la evolución de los motores térmicos hasta la actualidad, contextualizando el de vapor. En el Capítulo 3, Selección del software, se presenta la herramienta CAD escogida Solid Edge y se compara con otros programas de modelado que se comercializan. En el Capítulo 4, Funcionamiento, se define la actividad del motor en general y la función que tiene cada pieza dentro del conjunto. En el Capítulo 5, Modelado, se explica el modelado de cada una de las piezas del motor apoyándose en las imágenes del proceso seguido. En el Capítulo 6, Ensamblado, se describe el procedimiento de montaje, los diferentes subconjuntos que componen el motor y los vínculos que se establecen entre las piezas. En el Capítulo 7, Recreación virtual, se proporciona una descripción exhaustiva de la animación que se adjuntará junto a este documento, e incluye una simulación del movimiento del motor y un explosionado para apreciar el despiece. En el Capítulo 8, Renderizado, se presenta el programa KeyShot con el que se ha renderizado y el resultado obtenido. En el Capítulo 9, se exponen los resultados obtenidos, las conclusiones y posibles futuros desarrollos de este trabajo. Por último, se especifican las referencias que han sido citadas en el texto . 2 ESTADO DEL ARTE 2.1 Motor térmico. La máquina de vapor fue una invención tecnológica que propicio un salto cualitativo en la sociedad de la época e impulso este tipo de energía, al sentar las bases sobre las que nacerían nuevos avances tecnológicos. En el siglo XIX los motores de combustión revolucionaron el transporte terrestre, marítimo y aéreo. Un motor es toda máquina capaz de transformar cualquier tipo de energía en energía mecánica. El tipo de energía que transforman puede ser: química, mecánica, eléctrica y térmica. El motor térmico quema combustible para aprovechar la energía liberada en forma de calor y transformarla en energía mecánica o movimiento. El movimiento producido puede ser alternativo o rotativo. Si la combustión tiene lugar fuera del motor, las máquinas reciben el nombre de motores de combustión externa y si la combustión tiene lugar dentro de la máquina, motores de combustión interna. [2] Motores de combustión externa. Ilustración 1: Motor alternativo de vapor (izq.) y turbina de vapor (dcha.) [2] Motores de combustión interna. Ilustración 2: Motor alternativo (izq.) y turbina de gas (dcha.) [2] Estado del arte 4 Ilustración 3: Motor rotativo (izq.) y motor cohete (dcha.) [2] 2.2 Breve contexto histórico. En 1816 Robert Stirling inventa el motor de aire caliente o Motor Stirling. Al igual que la máquina de vapor este motor es accionado por calor. Posee un ciclo cerrado de expansión y contracción cíclica. Para que el gas realice la expansión y contracción se necesita una fuente de calor y otra de frío. Su alto precio y gran peso impidieron su éxito. [3] Ilustración 4: Motor Stirling [4] En 1876 Nikolaus Otto desarrolla el motor de combustión interna. Este motor no necesita una fuente de calor externa, sino que la energía se obtiene de la explosión de una mezcla previamente comprimida de combustible y aire. Este tipo de motores, junto con los motores diésel, son los más utilizados en la actualidad. [5] Ilustración 5:Motor Otto [5] En 1878, Carl Gustav De Laval desarrollaría la turbina de vapor de acción. El funcionamiento de una turbina se basa en proyectar un gas sobre los álabes de un rotor, obteniendo de esta forma un movimiento circular. [6] 5 Modelado y animación en 3D de un motor de vapor oscilante de un cilindro con Solid Edge Ilustración 6: Turbina de Gustav De Laval [7] En 1884 Charles Algernon Parsons patentó la turbina de vapor de reacción. La diferencia entre ambas turbinas reside en que la de reacción obtiene la energía de la caída tanto de la presión como de la energía cinética, mientras que en las de acción la energía se obtiene solo de la caída de energía cinética. [8] Ilustración 7: Turbina de Parsons [9] En 1893 Rudolf Diesel desarrolló el motor que lleva su nombre. La principal diferencia con el motor de gasolina es la ausencia de chispa, ya que los motores diésel utilizan la auto-ignición. [10] A finales de siglo XIX, los avances se centraron, en mejorar la potencia y reducir el tamaño de las máquinas térmicas. En los inicios del XX los sistemas de combustión interna y las turbinas de vapor eran la alternativa, prueba de ello es que la fuente principal de generación de electricidad, hasta mediados de siglo, fueron las turbomáquinas de vapor. A día de hoy la máquina de vapor es un motor muy poco usado, pero en cambio el motor Stirling atrae el interes de los fabricantes por sus bajas emisiones contaminantes. En el sector aeronáutico las turbinas son ampliamente utilizadas. Sus últimos desarrollos se centran en como utilizar de manera mas eficiente su energía. En la industria automovilistica, se emplean principalmente los motores de gasolina (Otto) y diésel, aunque en la actualidad los avances de este sector se orientan mas a los motores eléctricos. En la navegación marítima, la aparición de la máquina de vapor supuso un avance significativo. Sin embargo, la eficiencia poco elevada de este tipo de motores marinos, llevo a sustituirlos por las turbinas de vapor. El primer barco que la utilizo fue el Turbinia, del ingeniero Charles Algernon Parsons en 1894. Posteriormente, los motores diésel con menor consumo de combustible y una mayor eficiencia térmica las desbancaron, salvo los submarinos nucleares que usan turbinas de vapor a alta presión como plantas motrices o plantas generadoras. [11], [12]. Estado del arte 6 Ilustración 8: Turbinia barco propulsado con la Turbina de Parsons [13] En el transporte ferroviario las locomotoras de vapor fueron fundamentales desde principios del siglo XIX hasta que a mediados del XX fueron reemplazadas por las locomotoras diésel y eléctricas más baratas y potentes. [14] 2.3 Máquina de vapor La máquina de vapor es un dispositivo para convertir la energía térmica del calor que produce un combustible en trabajo mecánico utilizando como elemento transmisor el vapor de agua. Su principio fundamental es la conversión del calor en trabajo. Este trabajo depende, como en todas las máquinas térmicas, del salto de temperatura, es decir, de la diferencia de temperatura del vapor antes de expandirse y de la que tiene al evacuar al exterior. Para su funcionamiento se genera vapor de agua en un depósito cerrado por calentamiento desde la caldera, este vapor entra en el cilindro empujando un pistón. Mediante un mecanismo de biela-manivela, el movimiento lineal alternativo del pistón del cilindro se transforma en un movimiento de rotación que acciona, por ejemplo, las ruedas de una locomotora o el rotor de un generador eléctrico. Una vez alcanzado el final de carrera el émbolo retorna a su posición inicial y expulsa el vapor de agua utilizando la energía cinética de un volante de inercia. Este vapor de agua expulsado, se dirige al condensador, que lo enfría y lo devuelve al depósito en forma de agua, comenzando asi de nuevo el ciclo. [15] Ilustración 9: Máquina de Vapor [16] 7 Modelado y animación en 3D de un motor de vapor oscilante de un cilindro con Solid Edge 2.4 Contexto histórico Se pasa a describir cronológicamente la evolución de esta invención y como sus aplicaciones influyeron a lo largo de la historia en la sociedad y en la técnica. La eolípila, inventada por Herón de Alejandría alrededor del año 100, es considerada la primera máquina de vapor. Se basaba en el mismo principio que hace que giren los aspersores de jardín, excepto en que la fuerza motriz era el vapor en vez de la presión del agua. Esta máquina estaba compuesta por una cámara (generalmente esférica) unida a dos tubos situados en direcciones opuestas por donde era expulsado el vapor, haciendo girar al mecanismo La eolípila de Herón era un juguete, hecho para entretener más que para hacer un trabajo útil. Este dispositivo asombraba a los fieles congregados en un templo al hacer que una puerta se abriera cuando se encendía un fuego en el altar. [17] Ilustración 10: Eolípila de Herón de Alejandría [18] No hubo gran evolucion en este ámbito hasta el siglo XVII, cuando en 1629 Giovanni Branca diseñó una máquina capaz de realizar un movimiento en base al impulso que producía sobre unos mecanismos el vapor que salía por un caño. Se desconoce si la máquina se construyo, pero es una de las maquinas precursoras de lo que a día de hoy se conocen como turbinas de acción. [19] Ilustración 11: Máquina de Giovanni Branca [20] A finales del siglo XVIII se empezaron a diseñar máquinas de vapor con gran éxito comercial. Thomas Savery, ingeniero militar inglés, inventó la primera máquina de este tipo en 1698, a la que llamo la amiga del minero, ya que resolvía el principal problema de la minera de la época, extraer agua de minas y pozos. [21] Estado del arte 14 Ilustración 26: Maqueta de la caldera de vapor de tubo de agua de Babcock y Wilcox [28] La siguiente evolución de los motores de vapor lleva a 1884 cuando Charles Algernon ingeniero britanico, crea la turbina de vapor de reacción como ha sido expuesto anteriormente en el epígrafe 2.2 de este capítulo. La turbina funcionó por etapas. En cada etapa, la expansión del vapor se limitó a la menor permitida, extrayendo la mayor cantidad de energía cinética posible sin dejar que las palas de la turbina giraran demasiado rápido y dañaran el equipo. Este invento fue un gran avance en la ingeniería eléctrica ya que permitió producir electricidad a un coste menor. [44] Ilustración 27: La primera turbina de vapor de Parsonsi [45] A principios del siglo XX llegan las centrales geotérmicas. Similares a las centrales termoeléctricas de turbina de vapor, en el caso de la geotérmica el calor del interior de la Tierra, se utiliza para calentar agua u otro fluido de trabajo. Dicho fluido hace girar la turbina de un generador, produciendo electricidad. Posteriormente, el fluido se enfría y es devuelto a la fuente de calor. La primera estación de energía de este tipo se construyó en 1904 en Larderello (Italia). [46] Ilustración 28:Sistema de central geotérmica [46] A mediados del siglo XX surgen las centrales nucleares empleadas para la generación de energía eléctrica a partir de energía nuclear. Esta se convierte en energía térmica, a su vez esta energía se convierte en energía interna al convertir el agua en vapor. Tanto la energía interna como la calorífica del agua pasan a ser energía cinética cuando es accionada por la turbina. Por último, el generador convierte esta energía cinética en eléctrica. [47]. La primera central nuclear se construyó en 1954 en la antigua URSS 15 Modelado y animación en 3D de un motor de vapor oscilante de un cilindro con Solid Edge En el siglo XXI, y a pesar de los desastres nucleares acaecidos como el de 1986 en Chernóbil (Ucrania) y el mas reciente en 2011 de la central de Fukushima en Japón, se siguen utilizando y construyendo mas. Se puede concluir subrayando que muchos son los diseñadores que a lo largo de la historia han contribuido a mejorar la máquina de vapor estimulando el desarrollo de mecanismos que podían hacer muchos otros trabajos. El vapor movía las máquinas en las fábricas, las locomotoras en los ferrocarriles, los barcos, los primeros coches, .... Dio un estímulo enorme al crecimiento de la industria en Europa y América. Revolucionó la producción en masa de bienes de consumo, construcción y transporte. Ayudó así a transformar la estructura económica y social de la civilización industrial. [26] 3 FUNCIONAMIENTO 3.1 Principios físicos de la máquina de vapor Las máquinas de vapor pertenecen a la familia de los motores térmicos de combustión externa. El vapor de agua es el transmisor de la energía calorífica producida. La transformación en energía mecánica se produce en dos fases: 1. - En la caldera la energía calorífica calienta el agua hasta convertirla en vapor, el cual se expande y genera presión. 2. - La presión del vapor se utiliza para hacer funcionar las partes mecánicas de la máquina. [15] 3.2 Vaporización y condensación La transformación de un cuerpo de estado líquido a estado gaseoso se llama vaporización y la temperatura a la que se produce esta transformación se denomina temperatura de ebullición. Esta transformación necesita una cantidad de energía específica que se denomina calor de vaporización. Para calentar en un grado de temperatura (Celsius) un gramo de agua se necesita 4,2 joules, mientras que para convertir un gramo de agua en vapor se necesitan 2.257 joules. La necesidad de tanta energía adicional se debe al gran volumen que toma el vapor en comparación con el agua, de 1.673 veces a presión normal. Si el vapor de agua no dispone de volumen suficiente (la caldera tiene un volumen limitado), aumenta la presión a medida que el vapor se va expandiendo. Esta presión se puede usar para mover un pistón hacia atrás y hacia delante. A medida que la presión aumenta, también cambia el punto de ebullición, así a presión de 2 bars, el punto de ebullición del agua se situa aproximadamente en 120ºC en lugar de los 100ºC en condiciones de presión atmosférica normal. El proceso inverso se realiza cuando el vapor de agua se enfría, produciéndose la condensación. Aquí se libera la misma cantidad de energía que la necesaria para obtener el vapor. Se puede ver la condensación como gotitas de agua cuando el vapor toca una superficie fría. [48] 3.3 Funcionamiento de la máquina de vapor de cilindro oscilante La máquina de vapor de cilindro oscilante, fue ideada en 1784 por el escoces William Murdoch. Tenía la ventaja de su sencillez y, por tanto, bajo coste de fabricación. Además, al ser más compacta, era usada en barcos y pequeños motores estacionarios. Actualmente se utiliza en motores de juguetes y en modelos a escala. [49] La máquina de vapor oscilante pertenece al tipo de motores de presión máxima para los que la admisión y el escape de vapor son determinantes en los cambios de posición del cilindro. La movilidad del cilindro se obtiene fijándolo sobre un eje alrededor del cual puede oscilar. El cilindro está apretado contra la superficie del mecanismo con un muelle y fijado por dicho eje. Las dos superficies de rozamiento deben estar lo mas lisas posible. [48] La posición, de las puertas de entrada y salida del vapor quedan señaladas por el movimiento del cilindro, como se puede observar en la ilustración 29. Funcionamiento 18 Ilustración 29: Perforaciones de admisión y escape del vapor. Modificado de [48]. En el cilindro hay una perforación y en la superficie del mecanismo sobre la que oscila hay dos perforaciones, una para la admisión del vapor procedente de la caldera (puerta de entrada) y otro para el escape del mismo (puerta de salida). Cuando el cilindro oscila, pone su perforación de forma sucesiva frente al de admisión y despues frente al de escape. Cuando la perforación del cilindro está frente al de admisión, el vapor a presión entra en el cilindro y empuja el pistón. y este movimiento de traslación del pistón se transmite a través de la biela al volante y se transforma en movimiento de rotación. La inercia del volante la retoma el pistón, que bascula al mismo tiempo, colocándose entonces la perforación del cilindro enfrente de la perforación de escape y el vapor que contiene se libera. A continuación, y debido a la inercia de las piezas, se vuelve a colocar enfrente de la perforación de admisión y el ciclo se reinicia de nuevo. [50] El vapor debe empujar el pistón mientras el eje excéntrico del volante está en la parte superior de su trayectoria (PMA). De esta forma se obtiene la fuerza de rotación más fuerte. Inversamente, cuando el eje está en lo más bajo de su trayectoria (PMP), la inercia del volante la retoma el pistón y el vapor debe poder salir. [48] Ilustración 30: Funcionamiento de la máquina de vapor oscilante. Modificado de [48]. 19 Modelado y animación en 3D de un motor de vapor oscilante de un cilindro con Solid Edge POSICIÓN 1: PMA El pistón está situado a unos milímetros del final del cilindro y ambos conductos de entrada y salida del vapor están cerrados. La manivela en el pie de la biela está en el punto muerto anterior (PMA). POSICIÓN 2: admisión La manivela en la biela está a 80º del PMA. La perforación del cilindro está alineada con el conducto de entrada del vapor (in). El vapor entra en el cilindro y empuja el pistón hacia delante. POSICIÓN 3: PMP La manivela en la biela está en el punto muerto posterior (PMP), fin de recorrido. La perforación del cilindro está alineada entre los conductos de entrada y salida del vapor, es decir, admisión y escape cerrados. Sin embargo, el volante continuará moviéndose por la inercia. POSICIÓN 4: escape La manivela en la biela está ahora a unos 80º por debajo del punto muerto anterior (PMA). La perforación del cilindro está alineada con el conducto de salida (out) y el vapor es evacuado hacia el exterior. 4 SELECCIÓN DEL SOFTWARE 4.1 Sistemas CAD El diseño y fabricación de cualquier producto conllevaba la ejecución de una serie de procesos. Desde que se concibe el modelo hasta su desarrollo final se necesitan los planos del producto diseñado, para poder construir un prototipo con el que realizar ensayos y así descubrir errores en el diseño. La aparición de los sistemas CAD (Computer Aided Design) agilizan estos procesos al generar modelos 3D y planos 2D que permiten el ensayo y analisis virtual del producto de manera rápida, economica y competitiva. Los sistemas CAD se han convertido actualmente en herramientas imprescindibles en la ingeniería al igual que el CAM y el CAE. Los sistemas CAM (Computer Aided Manufacturing) permiten conectar los equipos informaticos a máquinasherramientas de control numerico (CNC) para llevar a cabo la fabricacion automatica y programada de piezas. Con el CAM se consigue la produccion de objetos con geometrías complicadas mas precisos y con un menor esfuerzo y considerable ahorro en tiempo y coste. [51] En los ultimos años, y con la disminucion del coste de las impresoras 3D, ha proliferado la denominada fabricacion aditiva que tambien hace uso de sistemas CAM para producir piezas a un bajo coste. Los sistemas CAE (Computer Aided Engineering) sirven de apoyo para simular y estudiar el comportamiento real que tendra el objeto antes de ser fabricado, para detectar y corregir posibles errores en el diseño. Los analisis mas importantes que pueden realizar estos sistemas son de cinematica, dinamica y de elementos finitos. [52] Actualmente todos los principales programas de diseno tridimensional que existen en el mercado se componen de un paquete integrado que incluye las tres tecnologias CAD/CAM/CAE y alguna mas en lo que se conoce como sistema CIM (Computer Integrated Manufacturing). Asi pues, usando un solo software se pueden realizar ciertos procesos del ciclo del producto con el fin de obtener un resultado exacto, economico y competitivo. A continuacion, se presenta una breve descripcion de los programas CAD mas conocidos y usados según 3DCadPortal [53]: Catia Creado por la empresa francesa Dassault Systemes, fue originalmente desarrollado para su uso en la industria aeronautica. De hecho, pertenece a la empresa Dassault Aviation que se dedica a la fabricacion de aeronaves civiles y militares. La principal peculiaridad de Catia es su arquitectura abierta que permite a los desarrolladores de aplicaciones personalizar el programa. Actualmente tambien es usado en la industria automovilistica y en menor medida en la industria de la construccion. Ilustración 31: Logo CATIA [54]. 21 Modelado y animación en 3D de un motor de vapor oscilante de un cilindro con Solid Edge SolidWorks Software creado por la empresa que lleva su mismo nombre y que a partir de 1997 se convierte en filial de Dassault Systemes. Se caracteriza por su sistema CAE que ademas de estudiar el comportamiento de los diseños utiliza metodos para ayudar al usuario a mejorarlos ahorrando en material, reduciendo peso, optimizando la fabricacion, etc. Su uso se orienta al diseño de maquinaria industrial o productos articulados. Ilustración 32: Logo SolidWorks [55]. Siemens NX Desarrollado y comercializado por Siemens aunque como en la mayoría de los casos fue creado por otras empresas que al fusionarse dieron como resultado este programa. Se trata de un paquete integrado de CAD/CAM/CAE cuyo principal uso esta ampliamente extendido en la industria de la automocion y en el diseño de maquinaria industrial para cadenas de montaje. Ilustración 33: Logo SiemensNX [56]. Sketchup Aunque creado por Last-Software fue adquirido por Google en 2006 y vendido a Trimble en 2012. Es el mas economico de todos e incluso tiene una version gratuita. Entre sus usos se en encuentra el modelado de imagenes 3D de cualquier objeto. Destaca por su facilidad de uso, sus tutoriales y sus numerosas aplicaciones de libre desarrollo que pueden ser descargadas de internet e instaladas en el software. Ilustración 34: Logo SketchUp [57]. Solid Edge Solid Edge fue desarrollado originalmente por Integraph en 1996 hasta su adquisición por Siemens, engloba un grupo de aplicaciones CAD/ CAE. Su mayor ventaja radica en que utiliza tecnología síncrona para agilizar las fases del diseño, lo cual permite realizar cambios rápidos y mejorar la reutilización. Ilustración 35: Logo de Solid Edge [58]. Selección del software 22 PTC Creo Nuevo software de diseño de la familia de Pro/Engineer, propiedad de PTC Corporation. Similar a Catia, pero mas enfocado a la industria mecanica. Ilustración 36: Logo de Creo [59]. Autodesk Inventor Constituye una familia completa de software para diseño mecánico 3D, simulación de productos, mecanizado y comunicación de diseños. Ilustración 37: Logo de Inventor [60]. 4.2 Justificación del software elegido Existen diversos motivos por los cuales se ha decidido utilizar el software de Solid Edge para llevar a cabo el modelado en 3D del motor de vapor. El primero de ellos ha sido que, en 4º curso del Grado en Organizacion Industrial, se imparte una asignatura llamada Diseño Asistido por Ordenador en la que se dan las nociones básicas de manejo de este programa. Fui alumno y de ahí surge un gran interés en lograr una mayor destreza en el uso de dicho software. A pesar de no ser el más potente, sí se encuentra entre uno de los mejores programas y más avanzados en este campo. Además, este tipo de programas tienen una forma de utilización muy similar y, si se conoce el funcionamiento de uno, adaptándose ligeramente, se pueden manejar los demás. Por último, Solid Edge permite crear rápidamente piezas, ensamblajes, planos y animaciones con una formación mínima e incluso incluye renderización de realismo fotográfico evitando así la necesidad de utilizar un programa diferente para cada uno de los cometidos. 5 MODELADO En este capítulo se presentan, las operaciones necesarias para el modelado en 3D, de cada una de las piezas del motor atendiendo a sus conjuntos y subconjuntos. Se han dejado sin modelar las piezas estándares que se obtienen de cátologos UNE/ISO/DIN. 5.1 Conjunto Base Se compone de la base y los dos cojinetes de fricción. Ilustración 38: Conjunto base 5.1.1 Base Para modelar la base se parte del siguiente boceto. Ilustración 39: Boceto Posteriormente, se realiza una protusión y 3 vaciados. En el primero de ellos se efectúa un simple boceto rectangular dejando a cada lado 10 mm del borde. Con esto se consigue vaciar todo el interior de la pieza. Ilustración 40: Protusión y vaciado 1 Modelado 30 Despues, se hace un vaciado en dirección del eje Y, a 8 mm del extremo izquierdo de la pieza y con una circunferencia de 6 mm. Ilustración 64: Vaciado Con esto quedaría terminado el eje: Ilustración 65: Eje modelado 5.3.2 Leva Se comienza con el boceto de una circunferencia de 56 mm de diámetro para posteriormente realizar una protusión de 16 mm de profundidad. Ilustración 66: Protusión Se continua con un vaciado, mediante un boceto de dos circunferencias con una distancia entre centros de 20 mm y diámetros de 10 mm. Ilustración 67: Vaciado 31 Modelado y animación en 3D de un motor de vapor oscilante de un cilindro con Solid Edge Para terminar, se realiza un agujero con rosca de profundidad 48 mm y diámetro M5. Ilustración 68: Agujero con rosca Con esto la leva quedaría: Ilustración 69: Leva modelada 5.3.3 Manivela El modelado de este elemento es muy simple a partir del boceto de una circunferencia de 10 mm de diámetro y una protusión de 40 mm de profundidad se consigue la pieza. Ilustración 70: Manivela modelada 5.3.4 Casquillo Como en el elemento anterior, el modelado aquí es muy sencillo, a partir de una protusión y un vaciado posterior se consigue la pieza. Se ha asignado latón como material. Modelado 32 Ilustración 71: Protusión y vaciado del Casquillo Quedando así la pieza: o Ilustración 72: Casquillo modelado 5.3.5 Arandela El modelado de este elemento es similar al anterior con la diferencia de las dimensiones. En este caso se realiza una protusión de 1,5 mm de profundidad a una circunferencia de 22 mm de diámetro, y un vaciado total a partir de una circunferencia de 10 mm. Ilustración 73: Arandela modelada 33 Modelado y animación en 3D de un motor de vapor oscilante de un cilindro con Solid Edge 5.3.6 Volante de Inercia Se comienza con una protusión para luego continuar con su posterior vaciado, aunque en este caso el vaciado no se realiza en todo el grosor de la pieza sino con una profundidad de 8 mm. Ilustración 74: Protusión Se sigue, como se aprecia en la imagen superior, realizando una simetría. Se elige el paso anterior y se realiza la simetría con respecto al eje XZ. Ilustración 75: Simetría A continuación, se llevan a cabo dos vaciados. En primer lugar, en el centro de la pieza a partir de una circunferencia de 10 mm de diámetro y en segundo lugar en el eje X y a una distancia de 20 mm del centro se produce el siguiente vaciado a partir de una circunferencia de 13 mm de diámetro. En ambos casos, el vaciado cruza toda la pieza. Ilustración 76: Vaciados Modelado 34 Este último vaciado habría que repetirlo 5 veces mas, por lo que se realiza, pero con un patrón circular. Ilustración 77: Patrón circular Finalmente, se efectúa un agujero con diámetro nominal 6mm y rosca métrica en la parte superior de la pieza. Dicho agujero, tiene una profundidad de 44,86 mm. Ilustración 78: Agujero roscado Con esto la pieza quedaría: Ilustración 79: Volante de inercia 35 Modelado y animación en 3D de un motor de vapor oscilante de un cilindro con Solid Edge 5.4 Conjunto Cilindro A continuación, se modeló el conjunto cilindro formado por tres elementos: el propio cilindro, la tapa y el eje. Ilustración 80: Conjunto cilíndro 5.4.1 Cilindro Se comienza con un boceto para posteriormente realizar una protusión de 56 mm de profundidad. Ilustración 81: Cilíndro A continuación, se lleva a cabo un pequeño vaciado en la parte inferior de la pieza a partir de un rectángulo de 20x30 mm. Se sigue con la protusión del boceto de una circunferencia de 26 mm de diámetro. Ilustración 82: Protusión Modelado 36 Posteriormente, se realiza un vaciado que cruza transversalmente toda la pieza. Ilustración 83: Vaciado Se continúa practicando un agujero roscado de diámetro M8 en la parte inferior en de pieza para unir el cilindro mediante un eje con el bloque soporte y la base. Ilustración 84: Agujero roscado M8 Luego, se efectua un vaciado circular de 4 mm y dos agujeros roscados, aunque en este caso con una rosca de diámetro M4 que permitirán colocar la tapa Ilustración 85: Agujeros roscados M4 37 Modelado y animación en 3D de un motor de vapor oscilante de un cilindro con Solid Edge Finalmente, tras realizar un chaflán, la pieza queda como se muestra. Ilustración 86: Cilindro modelado 5.4.2 Tapa La tapa es un elemento muy sencillo de modelar. Se comienza con un boceto. Ilustración 87: Boceto A partir del boceto se realiza una protusión y un vaciado que consiste en dos circunferencias de 8 mm de diámetro con una separación entre centros de 28 mm y a 14 mm del eje de simetría. Ilustración 88: Vaciados Modelado 38 5.4.3 Eje Se comienza con una protusión a partir de una circunferencia de 8 mm de diámetro. Quedando la pieza así: Ilustración 89: Protusión Se continua con la orden rosca teniendo en cuenta la parte de la pieza que se quiere roscar y el paso. Ilustración 90: Rosca Para terminar, se repite el proceso, pero esta vez con una protusión en dirección negativa del eje X a partir de una circunferencia de 6 mm de diámetro y un roscado total de ese saliente. Ilustración 91: Rosca No se modelada el tornillo por ser un estándar. 39 Modelado y animación en 3D de un motor de vapor oscilante de un cilindro con Solid Edge 5.5 Pistón-Biela El procedimiento para el modelado del pistón-biela es muy similar al de las piezas anteriores. En primer lugar, se comienza con la protusión de una circunferencia de diámetro 18mm. Ilustración 92: Protusión Despues, se realiza un chaflán en ambas bases del cilindro resultante. Luego, se lleva a cabo una segunda protusión en el lado superior de la pieza. Esta vez, a partir de una circunferencia de 10 mm de diámetro. Ilustración 93: Chaflan y protusión Posteriormente, se efectuan las tres protusiones, indicadas en color verde en la imagen. Estas se han realizado a partir de circunferencias de 20,14 y 20mm respectivamente y con una longitud de 13,5 y 3mm. Ilustración 94: Protusiones Ensamblado 46 6.4 Subensamblado 1 Para unir los conjuntos de manera ordenada y sencilla, se crean subensamblados. En este caso, se encuentran la base, el bloque soporte y dos conductos. Ilustración 107: Base, Bloque soporte y Conductos Se une la base con el bloque soporte. Se tiene en cuenta que el bloque soporte queda pegado al lateral mas largo de la base por la parte exterior del mismo y que el agujero más centrado del bloque y la rosca contigua tienen que coincidir con los agujeros de esa pared de la base. Ilustración 108: Base y Bloque soporte Después, se unen los conductos al bloque soporte. Estos van alojados en la parte superior del bloque en sendos agujeros. El proceso es sencillo se hacen coincidir los ejes de los agujeros con los del conducto y se insertan los conductos hasta el final del agujero. Ilustración 109: Subensamblado 1 47 Modelado y animación en 3D de un motor de vapor oscilante de un cilindro con Solid Edge 6.5 Subensamblado 2 Este será el último paso para llevar a cabo el montaje del motor, en él están presentes el subensamblado anterior 1, el conjunto cigüeñal, el conjunto cilindro y el pistón-biela. Ilustración 110: Componentes del Subensamblado 2 Partiendo del montaje anterior, primero se une el conjunto cilindro (tercera imagen) para ello, se introduce el eje en el agujero más centrado del bloque soporte hasta que ambas caras queden en contacto. A continuación, se procede de manera similar con el conjunto cigüeñal dejando el volante de inercia en el interior de la base con sus dos arandelas tocando a las paredes de la misma. Con esto, la leva quedará en el exterior de la base por el mismo lado que el conjunto cilindro y a su vez tendrá el casquillo pegado a la cara exterior de la base. Por último, se lleva a cabo la unión del pistón-biela haciendo coincidir el centro del agujero de su extremo con el centro del conducto que sobresale de la leva y el eje del cilindro que lo forma con el del agujero del conjunto cilindro. Ilustración 111: Perspectiva y planta del ensamblado del motor 7 RECREACIÓN VIRTUAL El siguiente paso después del modelado y ensamblado del motor, es la recreación virtual y explosionado utilizando la aplicación Explosionado - Renderizado - Animación (ERA) de Solid Edge. La animacion del conjunto puede ser útil para el estudio de los movimientos del mecanismo y para visualizar como se montan las piezas dentro de los subconjuntos y del conjunto completo. Ilustración 112: Motor de vapor de un cilindro oscilante Se utiliza la Animación de la aplicación ERA para simular el movimiento del conjunto. Después se selecciona la pieza que actuara como motor, se define el eje de movimiento y se especifica la velocidad o frecuencia a la que se quiere que funcione el motor, y los límites que imponer al desplazamiento. Por ejemplo, que un motor de rotación gire a 1750 revoluciones por minuto y haga dos revoluciones completas (720 grados). Cuando se trabaja con varios motores, se utiliza la herramienta Editor de animaciones para especificar los tiempos de inicio, duración y parada de cada uno de los motores. En este caso se ha considerado el motor rotacional en el eje del cigüeñal. Como puede apreciarse en la ilustración 113, el cilindro efectúa un movimiento rotacional a causa del movimiento del cigüeñal. Cabe destacar que el movimiento de translación del piston-biela tiene que estar liberado para que el conjunto final pueda animarse correctamente. Ilustración 113: Vista con motor. Recreación virtual 50 Se tiene la posibilidad de visualizar fácilmente el vídeo de la animación desde un dispositivo móvil (smartphone, tablet, etc) con lector de código QR. Ilustración 114: Código QR. A continuación, se utiliza el Explosionado de la aplicación ERA para realizar la perspectiva estallada o explosionada del motor. Esta perspectiva ayuda a comprender en profundidad como ensamblan las piezas entre sí. Primeramente, se definen los componentes del conjunto a explosionar y luego se precisa la configuración de explosionado. Ilustración 115: Explosionado axial en la dirección del eje X. 51 Modelado y animación en 3D de un motor de vapor oscilante de un cilindro con Solid Edge Ilustración 116: Explosionado 2. Ilustración 117: Explosionado 3. Recreación virtual 52 8 RENDERIZADO CON KEYSHOT 8.1 Software Keyshot Programa desarrollado por Luxion que a partir de modelos 3D permite obtener imágenes fotorrealistas. A este proceso se le denomina renderizado. Existen diferentes programas informáticos con los que se puede llevar a cabo este proceso. En este caso, se utiliza Keyshot ya que es una herramienta que se encuentra junto a Solid Edge. Ilustración 118: Logo de Keyshot [61] Es muy fácil de utilizar, se importa el modelo, a continuación, se eligen dentro de las características del programa los diferentes entornos, fondos y materiales dentro de las librerías proporcionadas, a la hora de elegir únicamente se tiene que arrastrar el deseado y soltar, por último, se ajusta la iluminación y se colocan las cámaras correspondientes [61]. 8.2 Interfaz y funcionamiento La pantalla de inicio se divide en tres zonas. La central donde se visualizará el modelo una vez se suba. A la izquierda se encuentran las diferentes librerías de materiales, iluminación, entornos, colores y texturas. La derecha se reserva para el ajuste de los parámetros de los materiales aplicados, así como de la iluminación, la cámara y la escena. En la parte superior se encuentra el menú principal donde se puede acceder a todas las opciones del programa y en la inferior la cinta de acceso rápido. [62] Ilustración 119: Pantalla de inicio Renderizado con Keyshot 54 Tras describir la interfaz inicio, se presentan las herramientas del programa y su utilización como guia paso a paso. 1. Importar el modelo. Mediante Archivo/Importar del menú principal y seleccionando el archivo del modelado en el ordenador, o bien seleccionando Importar en la cinta inferior y volviendo a seleccionar el archivo. Ilustración 120: Modelo importado 2. Aplicar materiales. Para insertar el material, en la pieza deseada, basta con arrastrarlo sobre la misma en la ventana de visualización. Los materiales se eligen de la librería en la parte izquierda de la pantalla. Ilustración 121: Materiales. 55 Modelado y animación en 3D de un motor de vapor oscilante de un cilindro con Solid Edge 3. Aplicar un entorno tridimensional y ajustar la perspectiva y su iluminación. Se selecciona el ambiente 3D. Esta elección, determina los focos y la cantidad de luz de la pieza, la altura de la misma respecto al suelo, y su posición dentro del ambiente, que genera la aparición de sombras, brillos o reflejos, etc. Ilustración 122: Ambiente seleccionado 4. Elegir Backplate, es decir, el fondo. Destacar, que los reflejos, los brillos o las sombras que aparecerán en la pieza dependen del entorno que se adopta y no del fondo elegido. Si a la imagen anterior, sin modificar nada, se añade Blackplate se observa que el reflejo y la sombra no varía. Ilustración 123: Blackplate incorporado al entorno anterior 9 CONCLUSIONES Y DESARROLLOS FUTUROS Con la finalización del trabajo se puede decir que los objetivos planteados se han cumplido, afianzando los conocimientos sobre la herramienta empleada y adquiriendo otros nuevos. Se han modelado las piezas del motor con el software Solid Edge y se han ensamblado para obtener el conjunto final. Además, se ha efectuado una recreación virtual en la que se simula el movimiento del motor y una perspectiva explosionada del mismo para comprender mejor las piezas que lo componen y su montaje. Por último, con el programa Keyshot, se ha conseguido una versión más realista de dicho conjunto.  Se pueden considerar como aspectos significativos: 1. La recuperación de la historia de los motores en general y del vapor en particular. Se han añadido datos básicos que ya eran conocidos de antemano, como la relevancia que adquirieron Watt, Stirling, Otto o Diesel, sin embargo, se ha podido profundizar en información, también relevante, como son los precedentes y antecedentes del motor de vapor o el papel que jugaron otros inventores no tan conocidos como Cugnot, Trevithick, Fulton o Bowie, por ejemplo. 2. El estudio de los motores, ya que durante el grado no se ven. Ha sido útil haber conocido el funcionamiento del motor de vapor y tambien el proceso de combustión externa, similar en todos los motores de este tipo. 3. La experiencia adquirida en el manejo del programa de modelado Solid Edge, que puede ser muy útil y positiva de cara a un futuro profesional.  El trabajo podría seguir ampliándose con: 1. La elaboración de documentación geométrica: plano de conjunto y planos de detalle de cada elemento del motor que contemplen tolerancias dimensionales, geométricas, estados superficiales, etc. 2. Análisis mediante técnicas CAE (Computer-Aided Engineering) de esfuerzos, tanto estático como dinámico, utilizando software de elementos finitos como Abaqus o Ansys. Ilustración 137: Ejemplo de análisis de esfuerzos con elementos finitos [63]. 3. Un modelo 3D interactivo utilizando realidad virtual y/o aumentada podría utilizarse como herramienta académica para explicar el funcionamiento de los primeros motores de vapor. La posibilidad de desmontarlo virtualmente para observar las piezas que lo componen puede instruir a futuros ingenieros mostrándoles los mecanismos que ya existen con sus pros y sus contras y así mejorarlos en futuros diseños. 4. Hacer su prototipado, es decir, la impresión en 3D a partir del modelo ya creado. De esta manera manualmente se podrían montar y desmontar las piezas del motor con facilidad para llegar a entender su funcionamiento. Al término de este proyecto, viendo en perspectiva el trabajo realizado, se obseva el enriquecimiento académico y personal adquirido con la experiencia y que será de gran utilidad al alumno en su andadura profesional. Conclusiones y Desarrollos Futuros 64 REFERENCIAS [1] Solid Edge Complete Product Development Portfolio. Siemens 2020. Disponible en: https://solidedge.siemens.com/en/solutions/products/complete-product-development-portfolio/. [Acceso: 07- dic-2020] [2] El motor térmico. Clasificación y elementos constructivos. 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