Implementación de prácticas de laboratorio
5.1 Introducción
El fin último de las prácticas de laboratorio sobre conformado de chapa es que los alumnos complementen los módulos teóricos utilizando una máquina de ensayos Erichsen manual para realizar ensayos de conformabilidad de materiales, observando los diferentes tipos de fallo y utilizando los resultados medidos por ellos mismos para afianzar su conocimiento y comprender la importancia de este tipo de ensayos en los sistemas de prevención de la industria actual. Las prácticas se realizan en el edificio de talleres T2 de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Sevilla, donde se reunen los alumnos para la realización de la misma. Tras pasar el profesor o persona responsable lista, hacer una demostración y explicar las instrucciones de manejo, los alumnos utilizan la máquina Erichsen y realicen las mediciones necesarias para completar las cuestiones reflejadas en el guión de prácticas.
El objetivo es de que se trate de prácticas conjuntas, donde todos los alumnos participan en todas las actividades y usan sus conocimientos solidariamente para responder a las cuestiones. De esta manera "[...] el alumno se implica de manera mucho más activa en la práctica, logrando conseguir un aprovechamiento mejorado" (proyecto docente sobre programa de Prácticas, de Naiara Ortega Rodríguez, UPV) . El número de alumnos que
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130 Implementación de prácticas de laboratorio realizan la práctica no se conoce, pues no existen históricos de la misma, pero puede estimarse en unos 6 alumnos. Tampoco se conocen históricos temporales, pero la experiencia marca que una sesión de prácticas experimentales dura unas dos horas o menos.
En los distintos capítulos del presente proyecto se han determinado resultados y conclusiones que sirven como base justificada para el diseño de las prácticas como por ejemplo el buen funcionamiento de la máquina, el tipo de lubricación, las geometrías y materiales de las probetas más representativas, la supuesta isotropía de las mismas o el método de medición adecuado. El estado final de la práctica será evaluado mediante la entrega del guión con las cuestiones solicitadas resueltas a la finalización de la sesión. El método de evaluación y su peso en la nota final quedan a elección del profesorado de la asignatura.
5.1.1 Gestión de las actividades
Las prácticas constan de dos tipos de ensayos:
• Enfocados a la obtención del DLC de dos materiales: AA2024 y Acero Dulce.
• Otros ensayos (otros materiales y geometrías).
La parte experimental de las prácticas en donde el alumno actúa consta de preparación de la probeta, manejo de la máquina Erichsen, medición de resultados y respuesta de cuestiones en función de los anteriores. La actividad más laboriosa es la obtención del DLC que cubre todo el proceso, mientras que los otros ensayos no requieren ni de medición ni de rotulación. Se realiza un desglose temporal aproximado de estas actividades para estimar el tiempo aproximado de la obtención de los 2 DLC (Tablas 5.1, 5.2, 5.3 y 5.4). Se tiene que la obtención del resultado de una probeta entre 13 y 20 minutos aproximadamente. Hay que analizar cómo es el flujo de actividades (Figura 5.1) según puedan realizarse en serie o en paralelo para adaptarlo al tiempo total de una práctica (1 hora y media o 2 horas).
Figura 5.1: Esquema de flujo de las actividades de la práctica destinadas a la obtención de los DLC.
Resulta ser el cuello de botella la medición de la probeta, pero al ser la última actividad (previa a la respuesta del cuestionario) establece el tiempo máximo que requiere medir las probetas propuestas,
• Opción A: 8 probetas (4 Al2024 + 4 acero dulce) entre 40 y 64 minutos.
• Opción B: 6 probetas (3 Al2024 + 3 acero dulce) entre 30 y 40 minutos.
y puede ser el profesor/responsable el que inicie el proceso ensayando la primera probeta, para que algunos alumnos puedan empezar a medir y representar.
Si se tienen en cuenta que el tiempo (mayorado por los contratiempos que pueda haber) empleado por el profesor para explicar la práctica y hacer la primera demostración puede ser de unos 20 minutos, se tiene:
• Opción A: 84 minutos.
• Opción B: 60 minutos.
Normalmente las prácticas de laboratorio suelen tener una duración de 1 hora y media o 2 horas, con lo que la opción A es adecuada para una práctica de 2 horas y la opción B para una práctica de 1 hora y media, restando 30 minutos para solventar contratiempos, resolver el cuestionario conjuntamente y extraer conjuntamente con el profesor conclusiones y repaso de lo aprendido. Para una práctica con 6 alumnos, 3 pueden ensayar un material y los otros 3 el otro, dedicandose cada uno a una actividad del proceso. Si hay más alumnos, pueden repartirse mejor las tareas o servir de apoyo a las mediciones (para observar que el calibre está bien puesto), de apoyo en el ensayo (es más fácil detectar un defecto con 2 personas atendiendo a la zona de deformaciones) o incluso que uno se encargue de representar los puntos en el DLC.
132 Implementación de prácticas de laboratorio Obviamente lo expuesto es una de las múltiples opciones que pueden usarse para repartir tiempos y actividades en una o varias sesiones, y pretende servir como base a la hora de su implementación. La elección de la opción final queda abierta y en manos del profesor responsable de la asignatura y del tiempo (créditos) que se destine a la práctica en el Plan de Estudios correspondiente.
Preparación de la probeta
Actividad Tiempo / probeta
Limpieza con disolvente y secado con
papel de las 2 caras de la probeta 1 minuto
Rotulación con sello y tampón Entre 1 y 3 minutos (si la rotulación debe realizarse nuevamente)
Total tiempo de preparación ≈ entre 2 y 5 minutos
Tabla 5.1: Tiempo aproximado de preparación de una probeta.
Manejo de la máquina (ensayo)
Actividad Tiempo / probeta
Limpieza (cara de incidencia) 1 minuto
Lubricación 1 minuto
Colocación Entre 1 y 2 minutos (depende de la destreza del alumno)
Ensayo 2 minutos
Retirada de pieza y limpieza de la cara
de incidencia 1 minuto
Total tiempo ensayo ≈ entre 6 y 7 minutos
Tabla 5.2: Tiempo aproximado de ensayo de una probeta.
Medición
Actividad Tiempo / probeta
Medición y anotación del resultado de 4 círculos
Entre 5 y 8 minutos (depende mucho de la destreza del alumno)
Total tiempo medición ≈ entre 5 y 8 minutos
Tabla 5.3: Tiempo aproximado de medicion de una probeta.
Representación y resolución de cuestiones
Actividad Tiempo
Representación del DLC y resolución de
cuestiones planteadas Tiempo restante
Total Tiempo restante
Tabla 5.4: Tiempo restante para representar los resultados obtenidos.
5.2 Desarrollo de la práctica por parte del alumno
Las actividades planteadas al alumno tienen el fin único de consolidar sus conocimientos acerca del conformado de chapa, y para ello debe explorar las posibilidades que ofrece la máquina Erichsen ya que es el recurso principal sobre el que gira la práctica.
Las conclusiones establecidas en los capítulos sobre ensayos (sección 3.4 "Puesta a punto", sección 4.3 "Ensayos en chapas de AA2024" y la sección 4.4 "Ensayos en chapas de Acero Dulce") son la fuente de ideas a la hora de establecer las tareas y cuestiones que los alumnos deberán resolver conjuntamente.
El único material que necesita el alumno es una calculadora para facilitar la ejecución de operaciones matemáticas (cálculo de deformaciones y regresión lineal) y un bolígrafo. Si lo desea, puede realizar fotografías (p.ej.: cámara del telefono movil) de las probetas ensayadas en ponsición cenital para luego analizarlas en casa con un software gestor de imágenes y crear su propio DLC. Esta última opción no es necesaria, pero puede motivarse al grupo de alumnos a explorarla con un incentivo respecto a la apreciación de la nota de prácticas (depende del sistema de evaluación de las mismas y de la decisión del profesor responsable).
Las actividades están pensadas para realizarse en conjunto ya que de este modo los alumnos se comprometen más por el bien común. Pueden explorarse complementariamente otras capacidades como la competitividad, haciendo durante la sesión dos grupos y ensayando cada uno de ellos uno de los dos materiales básicos. Esta opción queda abierta a la elección del profesor responsable y a sus resultados durante la implementación.
Se pretende que el alumno:
1. Advierta la importancia que tiene la rejilla de círculos en el análisis de deformaciones en chapas.
2. Conozca el funcionamiento de una máquina Erichsen para que pueda comprender por qué el ensayo evoluciona de ese modo y según lo que dicta la teoría.
134 Implementación de prácticas de laboratorio 3. Aprenda a realizar e interpretar un CGA eligiendo las elipses adecuadas,
determinando las direcciones principales y analizando los resultados de las deformaciones.
4. Compruebe que el DLC es una herramienta real y que puede ser obtenido si las condiciones del ensayo son adecuadas, afianzando el conocimiento que del mismo pueda tener.
5. Realice ensayos bajo condiciones especiales (p.ej.: arrugamiento superficial) para que sea capaz de discernir por qué sucede y consolide su conocimiento acerca de ensayos inválidos.
Las actividades que tendrán que realizar los alumnos, tras la explicación del profesor, son:
A) Efectuar la rotulación de la rejilla de círculos para el CGA mediante tampón y sello.
Pueden hacerlo con el sello que les resulte más cómodo; el de d0 = 1,9 mm resulta más difícil para el alumno ya que para un buen resultado hay que estimar la cantidad de tinta adecuada y la presión realizada sobre la probeta, y se debe tener en cuenta que él no tiene experiencia en este proceso.
B) Manejar la máquina de Ensayos en todas sus etapas: limpieza de elementos sensibles, colocación de la chapa, conexión-desconexión del conjunto, operación del volante para cogida y avances y detección del primer defecto en el espejo. Se debe insistir al mismo de la importancia del posicionamiento y de la detección del defecto lo más tempranamente posible para que realice el ensayo en las mejores condiciones posibles.
C) Elegir las elipses más representativas con sus correspondientes diámetros principales y realizar las mediciones con un pie de rey (analógico o digital). Se debe reiterar que no se puede tocar con las manos la copa para evitar deteriorar el estado de las elipses. La medición con pie de rey suele ser difícil en primera instancia pues el alumno no está acostumbrado a manejarlo en superficies curvas y menos con distancias tan pequeñas, es por ello que un alumno con mejor destreza puede ser el
"encargado" de las mediciones.
D) Calcular las deformaciones ε1 y ε2 de cada círculo, hacer la media de ε1 y ε2 para cada probeta y representar tanto la nube de puntos como la media de cada probeta para reproducir cualitativamente un DLC. Si existe tiempo suficiente calculará y representará la recta de regresión lineal de las medias y si no la estimará, para así poder establecer un DLC con CLC y una banda de peligrosidad (nube de puntos).
E) Realizar otros ensayos suplementarios con condiciones especiales en los que solo tenga que notificar el IE o simplemente advertir visualmente un resultado diferente.
Se proponen los siguientes por orden de importancia.
1. Ensayo con una placa cuadrada de 60x60 mm sin rotular de AA7075. De esta manera el alumno advierte el arrugamiento superficial que se produce y asimila
que puede ser síntoma de defecto para un proceso industrial donde el estado superficial de la chapa es un requisito importante.
2. Ensayo sin lubricación de otra placa cuadrada de 60x60 mm sin rotular de AA7075. El alumno asimila la importancia de la lubricación para obtener las condiciones de ensayo idóneas y examina la causa de un defecto temprano.
3. Ensayo de una probeta de una probeta de AA2024 de 60 x 30 mm sin rotular. El alumno observa un defecto propio de las características del test (plegado) y se cuestiona su origen para advertir que existe flujo de material hacia el hueco de la matriz y de que la colocación de la probeta es siempre imperfecta.
4. Ensayo de una probeta de AA2024 de 60 x 10 mm rotulada o no. En este caso el operador advierte que el material "no acaba de romperse nunca" y que
"nisiquiera se endurece" y notifica al mirar al espacio de trabajo que la posición inicial de cogida ha variado y que, por lo tanto, el material se está embutiendo.
Si la probeta tiene círculos asimilará este concepto al advertir que éstos no se han deformado a pesar del tremendo avance del punzón.
5. Otros ensayos posibles: una probeta de Acero Dulce de 60 x 60 mm donde se observe en las fronteras de la placa una solicitación de material, un ensayo con una probeta similar a la de los del DLC (p.ej.: AA2024 60x40 mm) pero con la dirección de laminado cambiada para afirmar que el material es isotrópico en este tipo de ensayos, etc.
F) Responder a las cuestiones teóricas que se le plantean. Están relacionadas con los ensayos anteriores y también con la teoría impartida en clase o con las aplicaciones industriales.
5.3 Desarrollo de la práctica por parte del profesor
La supervisión constante es el cometido principal del profesor responsable para que los resultados de la práctica sean suficientemente ilustrativos para el alumno. Debe explicar, asistir y aconsejar al alumno cuando lo requiera y vigilar que las tareas principales se ejecutan según lo establecido. Para prepararlo en este aspecto, debe estar familiarizado con los procedimientos (máquina, sello y tampón, pie de rey) y con el presente documento, en especial en aquellas secciones en las que se explican metodologías y resultados (capítulo 3 "La máquina Erichsen" y capítulo 4 "Realización de Ensayos"). Para una sesión de prácticas, las actividades responsabilidad del profesor o persona encargada son:
I: Antes de la práctica
1. Verificación de la máquina. Todos los componentes deben estar preparados
136 Implementación de prácticas de laboratorio (especialmente matriz, prensachapa, punzón e iluminación) según lo especificado y el funcionamiento conjunto debe ser correcto.
2. Verificación del inventario. Debe asegurarse de que todo se encuentra en buen estado y listo para ser utilizado:
a) 2 guiones de prácticas (al menos).
b) Sistema de rotulación (sello/s, tampón y tinta).
c) Sistema de medición (2 pie de rey).
d) Lubricación (vaselina, teflón y tijeras).
e) Limpieza (disolvente, Quickleen®, papel).
f) Alargadera para la iluminación.
3. Impresión del guión de prácticas. Se entregarán 2 guiones pero se recomienda reunir más por si los alumnos lo necesitan.
4. Preparación de las probetas. Deben encontrarse en el Taller las siguientes probetas con un acabado aceptable (y si no, realizar un pedido de fabricación con la sierra de calar al mozo de taller):
a) 3 Probetas de AA2024 para el DLC: dos ejemplares de cada una, con la misma dirección de laminación (por si alguna se estropea durante la sesión):
◦ 60 x 60 mm, 60 x 50 mm y 60 x 35 mm (añadir 60 x 40 mm si el profesor dispone de más de 2 horas para la práctica).
b) 3 Probetas de Acero Dulce para el DLC: dos ejemplares de cada una. Con la misma dirección de laminación (por si alguna se estropea durante la sesión):
◦ 80 x 80 mm, 80 x 60 mm y 80 x 50 mm (añadir 80 x 55 mm si el profesor dispone de más de 2 horas para la práctica).
c) OPCIONAL: Otras probetas, un ejemplar de cada una, sin dirección de laminación preferente (depende del tiempo de la práctica pueden fabricarse todas, algunas o ninguna):
◦ 2 probetas de AA7075 de 60 x 60 mm.
◦ 1 Probeta de AA2024 de 60 x 30 mm.
◦ 1 Probeta de AA2024 de 60 x 10 mm.
5. Exposición de todos los elementos en la mesa destinada a los Ensayos Erichsen.
II. Durante la práctica
1. Entrega del guión a los alumnos, 2 ejemplares. Se recogerá 1 o los 2 dependiendo de si trabajan conjuntamente o en dos equipos).
2. Indicación a los alumnos del tiempo disponible.
3. Explicación teórica. Pueden tratarse los siguientes temas:
◦ Conformabilidad del material y definición del fallo (estricción y fractura
dúctil), ensayos experimentales (Erichsen, DLC + CGA) (Capítulo 2)
◦ Componentes de la máquina Erichsen y funcionamiento de la misma y de los diales de medición.
◦ Método de rotulación de la rejilla de círculos.
◦ Método de medición con pie de rey.
◦ (Si procede, fotografía + medición computacional).
4. Demostración práctica que resume las actividades. Puede realizarse una de las probetas preparadas para el DLC para así avanzar tiempo e iniciar el proceso.
◦ Timbrado de la probeta con uno de los sellos.
◦ Ensayo de la misma, explicando la llegada al fallo.
◦ Selección y medición de una de las elipses.
5. Supervisión y vigilancia de los alumnos:
◦ Las actividades se realizan de forma segura.
◦ Las actividades se realizan según el procedimiento.
◦ Especial atención a actividades peligrosas y/o sensibles como pueden ser:
▪ Colocación de la probeta (estimar el mejor centrado mediante el tacto sin peligro de aprisionamiento de las falanges)
▪ Medición de los círculos (es una actividad que puede resultar difícil para algunos alumnos menos pacientes).
▪ Chapa del ensayo DLC fallida: el profesor coge el repuesto y realiza el aprisionamiento él mismo para que no vuelva a pasar.
▪ Chapa de otros ensayos fallida: anular la cuestión relacionada.
6. Supervisión y vigilancia del estado de la práctica:
◦ Estado actual (probetas medidas, resultados obtenidos) y control del tiempo restante. Para ahorrar tiempo se puede:
▪ Descartar algunas de las probetas opcionales.
▪ Descartar algunas de las cuestiones.
▪ Medir 3 elipses en lugar de 4.
▪ Etc.
7. Discusión final con los alumnos sobre los resultados obtenidos y explicaciones pertinentes.
8. Recogida del guión o guiones al finalizar la práctica.
III. Después de la práctica
1. Evaluación de los resultados del grupo.
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5.4 Ejemplo de práctica
En el Anexo IV – Guión de prácticas propuesto se muestra el documento que se entrega al grupo de alumnos con las instrucciones de la práctica (ensayos), algunos consejos y ayudas que deberan tener presentes junto con la explicación del profesor y una serie de cuestiones relacionadas con la conformabilidad de chapa. Se incluye además un soporte (papel milimetrado y tabla vacía) para la realización de los DLC.
