Reductora 3D: Diseño e Impresión

Esta sección inicia con la recopilación de datos sobre reductoras comunes y las limitaciones de la impresión 3D. Se busca determinar el tipo de reductora más adecuada considerando los requisitos del proyecto y las restricciones tecnológicas. El diseño de la reductora es libre, pero se basa en un modelo real validado por el profesorado. La impresión 3D impone limitaciones en cuanto a tipología de impresión, materiales, área de impresión y precisión dimensional. Se destaca que las piezas impresas en 3D presentan desviaciones dimensionales, rebabas y aristas que requieren ajuste manual previo al ensamblaje. La selección del modelo de motocicleta Honda CBR600RR de 2007 como referencia para el diseño de la caja de cambios es crucial, proporcionando datos técnicos de motor y transmisión para el diseño. Se define la necesidad de ajustar la velocidad de rotación (RPM) y aumentar el par motor, conceptos esenciales en el diseño de cajas reductoras, y su relación con la potencia y la relación de transmisión. La memoria del proyecto, que incluye la metodología y la argumentación de los resultados, también se menciona como una parte esencial del trabajo.

Se presentan diferentes tipos de reductores: planetarios o epicicloidales (con corona exterior, engranaje central y satélites, permitiendo diversas configuraciones al fijar diferentes componentes), ortogonales (con ejes de entrada y salida ortogonales, usando engranajes rectos, helicoidales, cónicos o tornillos sin fin, apropiados para un rango amplio de relaciones de transmisión, pero no recomendables para relaciones muy altas), cicloidales (con elevada relación de transmisión, funcionamiento complejo pero estable, usados en cintas transportadoras o robótica), transmisión por correa (simple y ampliamente usada, con correas dentadas para evitar deslizamiento), y transmisión por cadena (similar a la de correa pero con mayor par y necesidad de mantenimiento). Se detalla el funcionamiento de cada tipo de reductor, incluyendo los cálculos de la relación de transmisión. Tras analizar las opciones, se selecciona el reductor de engranajes como el más adecuado para la fabricación en impresión 3D, por su capacidad para lograr múltiples configuraciones de reducción, su compatibilidad con la impresión 3D y su uso común en cajas de cambios. Se descarta la opción de correa por las limitaciones impuestas por la distancia entre poleas y las posibles roturas en las piezas plásticas debido a la tensión de la correa.

Esta sección profundiza en el diseño del reductor epicicloidal seleccionado. Se describe la configuración conceptual con engranaje central (planeta), corona exterior y satélites, así como el portasatélites. Se explica cómo se pueden imitar las relaciones de cambio originales de la motocicleta, aunque no exactamente, debido al uso de números enteros de dientes en los engranajes. Se muestra la dificultad de obtener relaciones de transmisión precisas con un reductor epicicloidal, ya que el número de dientes de los satélites depende de la corona y el planeta, lo que puede limitar las opciones disponibles. Se presentan los cálculos realizados para determinar el número de dientes óptimo para cada marcha. Se analiza la importancia del diseño para impresión 3D, considerando la necesidad de una base de apoyo sólida y la evitación de aumentos bruscos de sección para prevenir deformaciones. Se describen los problemas que pueden surgir en la impresión de geometrías complejas, especialmente en las conexiones entre los diferentes componentes. Se detalla el diseño de un acoplamiento seccionado para facilitar la impresión 3D, explicando su función y su dimensionamiento, considerando la tensión y el factor de seguridad.

Se detalla el diseño del selector de marchas, que consiste en un cilindro con ranuras que posicionan las horquillas para engranar el movimiento. Este sistema, común en cajas de cambios de accionamiento secuencial, requiere un acabado superficial fino y alta rigidez en las horquillas. Se explica el mecanismo de funcionamiento del selector, incluyendo el sistema de bloqueo y retorno a la posición de reposo. Debido a las dificultades de impresión 3D, se utiliza una barra de acero para el eje selector y se imprimen los cilindros ranurados seccionados longitudinalmente para mejorar la base de apoyo. Se describe el proceso de impresión 3D utilizando el software Ultimate Cura, incluyendo la configuración de parámetros de impresión. Se identifican los problemas comunes de la impresión 3D como material sobrante (rebabas), filamentos sobrantes y acabado superficial con relieve, explicando sus causas. Se analiza la posibilidad de usar métodos químicos como los vapores de acetona para mejorar el acabado, pero se descarta debido al debilitamiento del material ABS. Se resume el proceso de montaje y se destaca la fragilidad de los ejes del portasatélites como un punto crítico. Finalmente, se proporcionan recomendaciones para futuros diseños, incluyendo la utilización de un sistema de accionamiento diferente para el selector de marchas.

La sección proporciona una descripción detallada de varios tipos de reductores, incluyendo sus características y aplicaciones. Se describen los reductores planetarios o epicicloidales, que constan de una corona exterior, un engranaje central y varios engranajes intermedios (satélites) que conectan la corona y el engranaje central. Se explica cómo diferentes configuraciones se obtienen al fijar la corona, el eje central o el portasatélites. Se detallan los reductores ortogonales, con una relación ortogonal entre los ejes de entrada y salida, utilizando engranajes rectos, helicoidales, cónicos o tornillos sin fin, adecuados para una amplia gama de relaciones de transmisión, pero menos eficientes para relaciones muy altas. También se describen los reductores cicloidales, que ofrecen una alta relación de transmisión, con un funcionamiento complejo pero estable, y son utilizados en aplicaciones como cintas transportadoras y robótica. Adicionalmente, se explican las transmisiones por correa, simples y ampliamente usadas en aplicaciones que no requieren un alto par, donde la relación de transmisión se calcula a partir de la diferencia de diámetros de las poleas, pudiendo utilizar correas dentadas para evitar deslizamiento. Finalmente, se analizan las transmisiones por cadena, similares a las de correa, pero con la ventaja de evitar el deslizamiento accidental, capaces de transmitir mayor par, pero con la desventaja de requerir mantenimiento regular.

Después de presentar los distintos tipos de reductores, la sección se centra en la selección del tipo más adecuado para la aplicación específica del proyecto, que es el diseño de una caja de cambios para una motocicleta. Se evalúan las ventajas y desventajas de cada tipo de reductor en relación con la fabricación mediante impresión 3D. Se considera la viabilidad de fabricar cada tipo de reductor con impresión 3D, teniendo en cuenta las limitaciones de la tecnología, como la precisión dimensional, la resistencia de los materiales y la complejidad geométrica. Se descarta el uso de transmisiones por correa por su necesidad de espacio y la posible fragilidad de las piezas plásticas ante la tensión de la correa. Los sistemas de cadena son también considerados, pero presentan la complejidad de diseño y el mantenimiento. Finalmente, se opta por un diseño de reductor de engranajes, debido a que su diseño no presenta problemas adicionales para la fabricación en impresión 3D y es compatible con la funcionalidad deseada. Su versatilidad en configuraciones de reducción y su uso extendido en cajas de cambios, incluyendo el modelo de motocicleta tomado como base, son factores decisivos en esta selección. Se considera la posibilidad de un diseño de reductor planetario, aunque se anticipan las dificultades para lograr las relaciones de transmisión exactas debido a las limitaciones de utilizar números enteros de dientes en los engranajes.

Esta sección se centra en la adaptación del diseño de la caja reductora a las limitaciones inherentes a la tecnología de impresión 3D. Se reconoce que la impresión 3D, aunque ofrece la posibilidad de fabricar geometrías complejas, impone restricciones en cuanto a los materiales utilizables, el tamaño de la pieza y la precisión dimensional. Se menciona la necesidad de realizar ajustes en el diseño para asegurar la fabricabilidad de las piezas, considerando que la impresión se realiza capa por capa, lo que requiere una base de apoyo estable y la evitación de cambios bruscos de sección que pueden provocar deformaciones o fallas en la estructura. Se describe que las piezas impresas en 3D suelen presentar desviaciones dimensionales, rebabas y aristas imperfectas, lo que requiere un proceso de ajuste manual antes del ensamblaje. La selección del material de impresión también se considera dentro de estas limitaciones, buscando un equilibrio entre la facilidad de impresión y las propiedades mecánicas requeridas para el funcionamiento de la caja reductora. Se recalca la importancia de considerar estas limitaciones desde el inicio del proceso de diseño para garantizar la funcionalidad y la viabilidad del proyecto.

La sección aborda las consideraciones geométricas cruciales para el éxito de la impresión 3D de los componentes de la caja reductora. Se enfatiza la importancia de un diseño que tenga una gran base de apoyo para cada pieza, ya que cada capa se sustenta sobre la anterior. Se advierte sobre los problemas que pueden ocurrir con aumentos bruscos de sección, ya que pueden resultar en una falta de apoyo para las capas superiores, llevando a deformaciones o fallas en la impresión. Se recomienda evitar geometrías con voladizos pronunciados o secciones muy delgadas que podrían comprometer la integridad de la pieza. El diseño debe considerar la capacidad de la impresora 3D en términos de área de impresión y resolución, asegurando que la pieza pueda ser fabricada dentro de esas limitaciones. El texto describe ejemplos específicos de cómo se han tenido en cuenta estas consideraciones geométricas en el diseño de algunos componentes, buscando siempre facilitar el proceso de impresión y minimizar las posibles imperfecciones. Se menciona la necesidad de adaptaciones y optimizaciones en el diseño para lograr un resultado final funcional y robusto.

Esta parte de la sección se enfoca en el post-procesamiento necesario para las piezas impresas en 3D. Se describen los problemas comunes después de la impresión, como la presencia de material sobrante o rebabas, especialmente en la primera capa debido a la adhesión al lecho de impresión. También se mencionan los filamentos sobrantes, resultado del movimiento del cabezal de impresión, y el acabado superficial con relieve, causado por el desprendimiento de filamentos o falta de apoyo entre capas. Se explora la posibilidad de usar métodos químicos, como el uso de vapores de acetona para el material ABS, para suavizar las irregularidades superficiales y mejorar la calidad del acabado. Sin embargo, se descarta esta opción debido a que debilita sustancialmente el componente, comprometiendo sus propiedades mecánicas y haciendo que la solución no sea viable para un ensamblaje funcional. Se concluye que para lograr un buen funcionamiento, es indispensable un proceso de acabado manual, que, aunque consume tiempo, resulta esencial para garantizar la funcionalidad del ensamblaje final. Se menciona el ángulo de 45° como límite para la inclinación de las caras para evitar deformaciones durante la impresión.

Esta sección describe el proceso de montaje de la caja reductora fabricada mediante impresión 3D. Se detalla que durante el montaje se observaron dificultades relacionadas con la fragilidad de algunas piezas impresas, específicamente los ejes del portasatélites, debido a la poca adherencia entre capas, particularmente en los puntos de encastre. Se sugiere la necesidad de rediseñar el portasatélites para evitar estos puntos débiles, proponiendo alternativas como el uso de cilindros independientes y un cuerpo de unión adicional entre los satélites. El proceso de ensamblaje completo de los diferentes componentes de la caja reductora se menciona brevemente, sin entrar en detalles específicos de cada paso del montaje. Se destaca la importancia del ajuste previo de las piezas, considerando las desviaciones dimensionales, rebabas y aristas imperfectas típicas de las piezas impresas en 3D, mencionadas en secciones anteriores. La necesidad de un acabado superficial preciso para algunas partes, como las del sistema de accionamiento del selector de marchas, se subraya como un factor crítico a tener en cuenta para el éxito del montaje.

Esta sección presenta los resultados obtenidos tras el montaje y la puesta en marcha del prototipo de la caja reductora. Se afirma que el ensamblaje funciona correctamente, logrando las seis velocidades de salida deseadas. El uso de un motor eléctrico facilita la observación del funcionamiento del sistema reductor epicicloidal y la reducción en cada etapa. Sin embargo, se reconoce que el diseño del selector de marchas podría necesitar mejoras para un funcionamiento más suave, sugiriendo la posibilidad de rediseñar esta parte o explorar métodos de fabricación alternativos. El correcto funcionamiento del conjunto indica que el objetivo principal del proyecto se ha alcanzado, demostrando la viabilidad de utilizar la impresión 3D para crear una caja reductora funcional. La experiencia adquirida durante el desarrollo y montaje del proyecto se menciona como un resultado positivo, destacando la oportunidad de aprender sobre diseño de engranajes, sistemas de accionamiento y el uso de la impresión 3D, incluyendo sus ventajas y limitaciones.

La sección concluye el documento con una reflexión sobre los resultados del proyecto y las lecciones aprendidas. Se destaca que la planificación inicial subestimó el tiempo requerido para la fabricación y el montaje de la reductora, recomendando una mejor planificación en proyectos futuros. Se menciona la necesidad de un rediseño o una mejora en el diseño del selector de marchas para conseguir un funcionamiento más óptimo. También se resalta la fragilidad de los ejes del portasatélites como una área crítica de mejora, planteando alternativas de diseño para aumentar su resistencia. En general, se concluye positivamente sobre la viabilidad de utilizar la impresión 3D para crear una caja reductora funcional, aunque se identifican áreas específicas donde se podrían aplicar mejoras de diseño o se podrían explorar métodos de fabricación alternativos para mejorar ciertos componentes, sobre todo en lo referente a la resistencia y precisión del conjunto. Se observa que la impresión 3D es una tecnología prometedora, pero con limitaciones que deben considerarse cuidadosamente en el diseño y planificación de proyectos similares.