a) Análisis de la variabilidad de los resultados del MEF y de la herramienta de IA. b) Análisis de sensibilidad del método en general.
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CaappííttuullooIIII::PPrrooppuueessttaaddeeuunnssiisstteemmaaCCAAPPPPppaarraallaaffaabbrriiccaacciióónnddeeppiieezzaasseemmbbuuttiiddaasseenncchhaappaass..
2.6.- Conclusiones parciales.
1. La metodología propuesta debe ser probada sobre distintos entornos productivos y diferentes piezas, con el objetivo de demostrar la viabilidad de la misma y sus buenas cualidades.
2. El material de la pieza y de la herramienta deben ser datos reales para la predicción correcta de la fluencia del material y de las fuerzas necesarias.
3. La evolución de estos sistemas ha sido debida, en gran parte, a que esta tecnología es fundamental para obtener ciclos de producción más rápidos y productos elaborados de mayor calidad. “A mejor tecnología mayor producción. - Producir más, en menos tiempo y mejor calidad.
4. A juicio del autor se determina que todos estos desarrollos acortan bastante el proceso de decisiones y optimizan las mismas, se requiere analizar los diferentes impactos ya sea social o económico.
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CaappííttuullooIIIIII::EElleemmeennttoossppaarraallaaiimmpplleemmeennttaacciióónnddeellssiisstteemmaaCCAAPPPPppaarraallaaffaabbrriiccaacciióónnddeeppiieezzaasseemmbbuuttiiddaasseenn c
chhaappaass..
3.- Elementos para la implementación del sistema CAPP para la fabricación de piezas embutidas en chapas.
El objetivo de este capítulo es proponer los diferentes pasos para implementar la integración de los sistemas elaborados que permitan mejorar el empleo de los recursos utilizados durante la planeación de piezas embutidas en chapas, por lo cual se definen una series de paso, que parten de una pieza embutida real la cual permite facilitar la implementación del sistema. Es necesario conocer el impacto del sistema desarrollado en la comunidad por lo que se realizará una breve valoración sobre los impactos económicos, energéticos, sociales y ambientales de la tarea planteada.
La fifigguurraa 33..11 muestra el estudio previsto para el desarrollo del capítulo.
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Fiigguurraa 33..11:: EEssqquueemmaa ddee ttrraabbaajjoo ppaarraa eell ddeessaarrrroolllloo ddeell ccaappííttuulloo IIIIII.. 3.1.- Datos de entrada y diseño de la pieza.
Los datos de entrada, decididos por el tecnólogo se definen como base de datos, como por ejemplo el material de la pieza, herramientas a utilizar, prensas disponibles, forma de la pieza, etc. de estos datos depende los posteriores pasos en la planeación del proceso.
El material utilizado en este caso es un acero inoxidable AISI-304 el cual presenta una elevada ductilidad, y posee un amplio uso en la fabricación de piezas embutidas en chapas. Las características del material están dadas por sus propiedades tanto químicas como mecánicas. Propiedades químicas del material.
C CaappííttuullooIIIIII::EElleemmeennttoossppaarraallaaiimmpplleemmeennttaacciióónnddeellssiisstteemmaaCCAAPPPPppaarraallaaffaabbrriiccaacciióónnddeeppiieezzaasseemmbbuuttiiddaasseenn c chhaappaass.. T Taabbllaa 33..11:: PPrrooppiieeddaaddeess qquuíímmiiccaass.. Propiedades mecánicas del material.
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Taabbllaa 33..22:: PPrrooppiieeddaaddeess mmeeccáánniiccaass..
Otros de los datos a tener en cuenta son la forma rectangular de la pieza, las características de cada herramienta y prensas disponibles en el taller para facilitar la mejor selección, y prevenir posibles fallos.
Con el objetivo de saber el comportamiento del material es esencial en análisis experimental mediante un ensayo a tracción. El ensayo debe realizarse en 4 direcciones(0 grados, 45 y 90), por lo que se recomiendan 4 probetas como mínimo las cuales tienen que estar normadas según la norma cubana NC 04.08.67. Posteriormente se harían los cálculos correspondientes.
El diseño de la pieza se realizara en un ambiente CAD donde se establecen las dimensiones, forma y dibujo de la pieza. La calidad de este modelo CAD condiciona la calidad de los resultados que puedan obtenerse posteriormente del CAE, CAM. Este aspecto es de gran importancia para obtener el éxito esperado. Ver el diseño de la pieza en los anexos fifigguurraa 33..22.. 3.1.1.- Simulación de la pieza utilizando un software ABAQUS/CAE por el FEM.
Luego el diseño es analizado y simulado por un sistema CAE, el cual incluye un análisis por elementos finitos (FEA) para evaluar las características estructurales de la pieza, predecir cómo funcionará y reaccionará la pieza bajo un entorno real.
Propiedades Valor
Módulo de elasticidad 1.9e+011 N/m^2
Radio de poisson 0.29
Módulo cortante 7.5e+010 N/m^2
Densidad de masa 8000 kg/m^3
resistencia a la tracción 5.1702e+008 N/m^2 límite de elasticidad 2.0681e+008 N/m^2 Coeficiente de dilatación térmico 1.8e-005 /Kelvin Conductividad térmica 16 W/(m K)
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El software que se presenta a continuación ABAQUS/CAE ofrece una simple y consistente interface para crear, someter, monitorear, y evaluar resultados de simulaciones de ABAQUS/Standard y ABAQUS/Explicit. ABAQUS/CAE está dividido en módulos, donde cada módulo define un proceso de modelaje; por ejemplo, definiendo la geometría, definiendo las propiedades del material, y generando una malla.
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Fiigguurraa 33..33:: SSeeccuueenncciiaa ddee ppaassooss ppaarraa llaa ssiimmuullaacciióónn ddee llooss pprroocceessooss ddee eemmbbuuttiicciióónn ddee cchhaappaass u
ussaannddoo eell ssooffttwwaarree AABBAAQQUUSS//CCAAEE..
Esta metodología es una breve introducción a lo básico de crear y analizar un modelo y visualizar los resultados del análisis con el módulo Visualización. Este software tiene grandes ventajas ya que permite realizar simulaciones, desde las más complejas hasta las más sencillas. Su gran abanico de posibilidades permite resolver problemas no lineales de grandes deformaciones como es el caso que se aborda en este trabajo de diploma.
3.2.- Factores más importantes que condicionan la calidad de las embuticiones.
El mayor obstáculo para el mejoramiento de la calidad en cualquier sistema es la variabilidad de las entradas al mismo (variables independientes o entradas) y el cambio constante en las condiciones del proceso. En los procesos de embutición, la calidad de la pieza queda determinada por:
Variabilidad en el material (propiedades mecánicas, rugosidad superficial, variaciones en el espesor)
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Variabilidad en la herramienta (cambios geométricos en la herramienta debido al desgaste, variaciones en las condiciones superficiales, holguras, propiedades del material de la herramienta, temperatura)
Variabilidad del proceso (fuerza en el prensachapas, velocidad del punzón, localización de la herramienta, rigidez de la prensa)
Lubricación (parámetro clave en el conformado exitoso de piezas y muy difícil de controlar. Las condiciones de lubricación cambian globalmente en la chapa debido a la temperatura y la rugosidad superficial)
Otras causas (posicionado incorrecto de la herramienta o de la chapa, funcionamiento incorrecto de la prensa)
En los anexos la fifigguurraa 33..44 muestra las formas más comunes de piezas en los procesos de embutición de chapas.
Optimización del proceso mediante herramientas de inteligencia artificial.
Para una buena optimización es necesario formular la función objeto que en este caso sería (fuerza de embutido), los rangos de variables y parámetros para la herramienta de inteligencia artificia (Algoritmo Genético) son seleccionados en la consulta con los profesionales y la literatura. Fuerza de embutido: dónde: p f R pc R f R S K S D P d D K e S d F m m * 2 * * * * * 2 ln * * 1 , 1 * * * 1 2 * 1 max
Ton F Ton F lb F N F 50 945 , 48 4 , 48945 5 , 218506 max max max max C CaappííttuullooIIIIII::EElleemmeennttoossppaarraallaaiimmpplleemmeennttaacciióónnddeellssiisstteemmaaCCAAPPPPppaarraallaaffaabbrriiccaacciióónnddeeppiieezzaasseemmbbuuttiiddaasseenn c chhaappaass.. Sujeto a:
u pc S d P 100 5 , 0 1 0025 , 0 2 1 0 1 1 0 0.23 * * 77 . 0 d d D Dr Donde: Juego de embutido ónVariables Valor inferior Valor superior
µ 0.015 0.03 371MPa 373 MPa 16,5 mm 27,5 mm 0.3 MPa 0.5 Mpa fm K 120 MPa 148 MPa T Taabbllaa 33..33:: SSeelleecccciióónn ddeell rraannggoo ddee vvaalloorreess..
Después de tener la función a optimizar se pasa a la corrida del ejemplo utilizando como herramienta de inteligencia artificial un algoritmo genético.
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Los resultados obtenidos fueron satisfactorios, los valores de la función objetivo fueron de 195423.36 N dando como los mejores valores para µ, Kfm, DR, Ppc y Rp de 0.015, 142.003, 371, 0.303 y 24 respectivamente. Lográndose la optimización de la fuerza de embutido a partir de datos reales del proceso de embutición de chapas mediante el uso del software MATLAB y se obtuvo el valor óptimo de la función objetivo.
Planeación del proceso
Para el análisis de los resultados ofrecidos por el ABAQUS/CAE y el Algoritmo genético es necesario realizar un estudio comparativo para seleccionar el mejor resultado e introducirlo en el proceso de planeación.
Estos resultados son introducidos en un sistema CAPP para describe el procedimiento y la determinación del plan de proceso, teniendo en cuenta los datos de la fabricación en un ambiente CAM. Posteriormente se procesa la información obtenida para entregar un reporte del proceso mediante una hoja de ruta.
3.3.- Valoración de los impactos económicos, energéticos, sociales y ambientales.
El impacto se refiere a los efectos que la intervención planteada tiene sobre la comunidad en general. El impacto como concepto es más amplio que el concepto de eficacia, porque va más allá del estudio del alcance de los efectos previstos y del análisis de los efectos deseados, así como del examen de los mencionados efectos sobre la población beneficiaria.
El impacto puede verse como un cambio en el resultado de un proceso (producto). Este cambio también puede verse en la forma como se realiza el proceso o las prácticas que se utilizan y que dependen, en gran medida, de la persona o personas que las ejecutan.
La tarea de evaluar el impacto parece constituir una gran dificultad para muchos proyectos y programas. Medir el impacto es concretamente, tratar de determinar lo que se ha alcanzado. 3.3.1.- Valoración de los impactos económicos.
Los impactos económicos están definidos con cierta precisión. Se dispone de indicadores normalizados para considerar la balanza de pagos de tecnología, el comercio de bienes de alta tecnología y, principalmente la innovación tecnológica. Este se da por los recursos gastados en la investigación, o también por los recursos que se generaran después de realizar la investigación. El enfoque de solución propuesto a los procesos de embutición de chapas representa una vía para incrementar el ahorro de material y así disminuir los costos de los procesos en el ámbito industrial. Además, la implementación de los procedimientos en una herramienta informática permite el aumento de la productividad y la reducción de los tiempos de generación de soluciones respecto a los procedimientos tradicionales utilizados en la industria metalmecánica en Cuba. La planeación de procesos permite la precaución de posibles fallos en la fabricación de
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piezas embutidas en chapas la cual evita una posible parada de la producción, la cual conlleva a una gran pérdida de tiempo y así un aumento de los costos del proceso.
3.3.2.- Valoración de los impactos energéticos.
El impacto energético es central, como lo es la solución que cada empresa o cada industria instrumente en el corto plazo para asegurar la generación de energías que cumplan con las normas internacionales de sostenibilidad y contribuyan a lograr los parámetros establecidos en los compromisos nacionales a largo plazo. Adicionalmente al estudio de variadas alternativas para la generación y uso de energía, es esencial un replanteamiento de los hábitos de consumo y de los procesos de producción para aproximarnos a la condición de sostenibilidad, en que se analizan las implicaciones energéticas para mantener el ciclo de la sociedad y de la economía en condiciones estables, sin que se vean afectados la maquinaria productiva ni el incremento del capital.
En medio de la crisis económica y energética mundial adquiere cada vez más relevancia la búsqueda de procedimientos que aseguren un empleo racional de la energía. La realización de los cálculos correspondiente a la cantidad de pasos mínimos de la pieza a embutir así como la correcta selección de la prensa conlleva a la reducción del consumo del recurso tecnológico y del tiempo de operación de la máquina con el correspondiente ahorro energético. Se añade la reducción del consumo energético asociado a la producción en la magnitud determinada por el ahorro estimado.
Una nueva conducta sobre el uso de la energía obliga a un pensamiento más responsable y a redoblar esfuerzos. Desde luego, esto no garantiza la recurrencia de eventos desastrosos, pero anima la posibilidad de que un sistema CAPP pueda limitar sus devastadores resultados.
3.3.3.- Valoración de los impactos sociales.
El impacto social se refiere al cambio efectuado en la sociedad debido al producto de las investigaciones. Los resultados finales (impactos) son resultados al nivel de propósito o fin del programa. Implican un mejoramiento significativo y, en algunos casos, perdurable o sustentable en el tiempo, en alguna de las condiciones o características de la población objetivo y que se plantearon como esenciales en la definición del problema que dio origen al programa. Un resultado final suele expresarse como un beneficio a mediano y largo plazo obtenido por la población atendida.
Los impactos obtenidos de la presente investigación contribuyen de manera favorable en la profesionalización de la labor del tecnólogo y el personal especializado en los procesos de embutición de chapas. El trabajo con la herramienta desarrollada simplifica la tarea de planeación del proceso y permite la concentración del personal en el análisis de variantes, evaluación y toma de decisiones sobre la propuesta de selección a la tarea técnica.
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3.3.4.- Valoración de los impactos ambientales.
Se dice que hay impacto ambiental cuando una acción o actividad produce una alteración, favorable o desfavorable en el medio o algunos de los componentes del medio. El impacto de un proyecto sobre el medio ambiente es la diferencia entre la situación del medio ambiente futuro modificado, como se manifestaría como consecuencia de la realización del proyecto, y la situación del medio ambiente futuro como habría evolucionado sin la realización del proyecto, es decir, la alteración neta -positiva o negativa en la calidad de vida del ser humano resultante de una actuación.
Las acciones humanas, son los principales motivos que han producido que un bien o recurso natural sufra cambios negativos. Ahora los recursos naturales se encuentran amenazados en todos los sentidos, el agua, el suelo, el aire son recursos que están siendo afectados por medidas o acciones sin previos estudios que permitan mitigar estos impactos, la minimización del impacto ambiental es un factor preponderante en cualquier estudio que se quiera hacer en un proyecto o acción a ejecutar, con esto se logrará que los efectos secundarios pueden ser positivos y, menos negativos.
El uso de la integración de sistemas asistidos por computadora conduce a la reducción de gases tóxicos al ambiente y el nivel de ruido del equipamiento industrial, así como el uso del papel en los diseños de las piezas los cuales disminuyen la talación de los árboles. De igual forma, la reducción del volumen del material desecho tiene incidencia directa en el componente medioambiental determinada por la producción de piezas embutidas en chapas correspondientes al ahorro estimado de sus consumos. Habitualmente se hace complejo y costoso el tratamiento de los desechos, por lo que reducir su volumen es una tarea de gran importancia para los planificadores de la producción. Los sistemas utilizados influyen directamente en el ahorro del material y en la distribución de los desechos de la producción.
El sistema de planeación de proceso intervienen directamente en la disminución de la contaminación ambiental, ya que es capaz de realizar una elección optima de las máquinas y herramientas del taller que estén en mejor estado, evitando una mala selección de la mismas la cual puede provocar una posible contaminación mediante, fugas, derrames de aceite, etc.
El medio ambiente no es de las futuras generaciones, es preocupación de todos en la actualidad, necesitamos concientizar en cuidar los espacios verdes, respetar la biodiversidad, es importante que en nuestras acciones se manejen con sumo cuidado.
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3.4.- Conclusiones Parciales
1) La aplicación industrial de los resultados obtenidos en la presente investigación impactará favorablemente desde el punto de vista económico, energético, social y ambiental.
2) Es importante validar los resultados para saber si la implementación utilizada en los procesos de embutición de chapas propuesta en este capítulo es la correcta.
3) El actual nivel de competitividad en las empresas exponentes en la fabricación de piezas embutidas en chapas, exigen la reducción de los costos de producción y los tiempos de fabricación. Por ello resulta decisivo el empleo de tecnologías eficientes en los procesos de producción, no solo por su implementación en la reducción de los costos de producción, sino, además por el impacto favorable que deben provocar desde el punto de vista energético, social y ambiental
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CoonncclluussiioonneessGGeenneerraalleess
1. Al estudiar la información científica reciente relacionada con el tema de este trabajo, se concluye que el desarrollo de sistemas CAPP basados en técnicas de la inteligencia artificial en los procesos de embutidos de chapas es un tema de actual interés internacional. Los cuales son de gran importancia para las empresas exponente en la utilización de procesos de conformación de chapas metálicas un nuestro país.
2. Con cada uno de los anteriores medios, se ha podido llegar a exactitudes muy estrechas, imposibles de lograr con los métodos tradicionales. Además presentan ventajas en la disminución del tiempo. Cuando un producto está en su fase de diseño, se pueden realizar las evaluaciones y prevenir el fallo por lo que se ahorra gran cantidad de material.
3. A juicio del autor se determina que todos estos desarrollos acortan el proceso de decisiones y optimizan las mismas, pero por lo que se deben explotar la utilización de estos sistemas en la producción de piezas en nuestro país.
4. La tendencia actual del desarrollo en las estrategias de optimización para la planeación de procesos de embutición de chapas, es la integración de procesos basada en el conocimiento, con fuerte vínculo a los sistemas comerciales CAD, CAE, CAM, CAPP. 5. La complejidad inherente a las operaciones de embutido de chapas conduce a la necesaria
aplicación de un enfoque sistémico en la búsqueda del conjunto de soluciones racionales desde el punto de vista técnico-económico, lo que sugiere el desarrollo de metodologías científicamente fundamentada de análisis y síntesis de sistemas de ingeniería, soportada en un sistema CAPP.
6. Los resultados de la implementación de los procedimientos desarrollados, demostraron su efectividad y mejor desempeño en la planeación de los procesos de embutición de chapas.
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Como resultado de esta investigación se exploraron algunos caminos que no se continuaron por diversas razones, principalmente porque un trabajo de este tipo debe acotarse en tiempo y su dominio debe tener límites lógicos. Estas “exploraciones” permiten proponer:
1. Extender el trabajo propuesto a otras empresas del país involucradas en los procesos de embutición de chapas.
2. Establecer las bases para la adaptación del sistema computacional a las características de otros procesos industriales, tales como el estampado, doblado entre otros. La experiencia con el trabajo aquí presentado puede acelerar la obtención de resultados en esta dirección. 3. Los trabajadores implicados en el proceso deben tener la experiencia necesaria.
4. El trabajo realizado debe utilizarse como material de estudio para años posteriores para que los estudiantes adquieran conocimientos sobre estos sistemas de integración y la influencia de los sistemas CAPP en la producción.