Exercicis de disseny i fabricació — Tecnologia i Enginyeria 1r Batxillerat

És el conjunt de normes que fixen mesures, símbols i formats perquè tot sigui compatible; l'organisme internacional és la ISO (també UNE a Espanya i EN a Europa).

CAD és el disseny assistit per ordinador (dibuixar i modelar la peça); CAM és la fabricació assistida per ordinador (generar les ordres perquè la màquina la fabriqui).

Per aportació de material: la impressora afegeix material capa a capa fins a formar la peça, en lloc de treure'n d'un bloc o donar-li forma sense afegir-ne ni treure'n.

Conformació (es canvia la forma sense treure ni afegir material): forja i laminació.
Arrencament (es treu material en forma de encenalls): fresat i tornejat.
Aportació (s'afegeix material capa a capa): impressió 3D.

La tolerància és la variació permesa respecte de la mida nominal.
Mida màxima = 50 + 0,1 = 50,1 mm. Mida mínima = 50 - 0,1 = 49,9 mm.
Qualsevol peça entre 49,9 mm i 50,1 mm és vàlida; la tolerància total és de 0,2 mm.

EPI adequats: ulleres de protecció (per les estelles) i, si cal, protecció auditiva. També convé subjectar bé la peça amb un cargol de banc o una mordassa.
No s'han de portar guants folgats, mànigues amples ni cabells solts: poden quedar atrapats per la broca que gira i provocar un accident greu.

(1) trepant → (b) fer forats.
(2) llima → (d) allisar i donar forma a una superfície.
(3) torn → (c) obtenir peces cilíndriques fent girar la peça contra una eina fixa.
(4) serra de marqueteria → (a) tallar corbes en una planxa fina.

Unions desmuntables (es poden separar sense trencar res): cargol amb femella i passador roscat.
Unions fixes (per separar-les cal destruir la unió o la peça): soldadura, rebló i adhesiu.
Si una peça s'ha de poder revisar o canviar, convé una unió desmuntable.

Volum = 10 · 5 · 2 = 100 cm³.
Massa = densitat · volum = 2,7 · 100 = 270 g.
Comprovació: 270 g = 0,27 kg, un valor raonable per a una peça de la mida d'un paquet de mocadors.

(a) Unitària: es fa un sol exemplar adaptat a un lloc concret.
(b) Contínua si el procés no s'atura (forn i màquines funcionen les 24 h) i es fabrica un producte sempre igual; en molts casos també es pot considerar en sèrie.
(c) En sèrie: es fabrica un gran nombre d'unitats iguals en una línia de muntatge, amb operacions repartides.

Per comprovar si el disseny funciona de veritat i detectar-hi errors o millores abans de fabricar-ne moltes unitats, que sortiria molt més car de corregir.

Que les peces són intercanviables: un recanvi normalitzat (un cargol, un rodament) encaixa sempre igual, la qual cosa facilita el muntatge, la reparació i l'intercanvi entre fabricants.

Mesura al dibuix = 80 · $\tfrac{(1)}{(4)} = 20$ mm.

Primer es dissenya i modela la peça en CAD; després el CAM agafa aquest model i genera les ordres (recorreguts de l'eina, velocitats) que envia a la màquina CNC o a la impressora 3D perquè la fabriqui.

v = π · D · $\tfrac{n}{1000} = \pi$ · 40 · $\tfrac{800}{1000}$.
v = 100,5 m/min.
Aquesta és la velocitat de la superfície de la peça respecte a l'eina; si el material és més dur, cal reduir-la.

(a) Amb el costat de 120 mm al llarg de 1000 mm: 1000/120 = 8,33 → 8 peces; i 500/80 = 6,25 → 6 files: 8 · 6 = 48 peces. Amb el costat de 80 mm al llarg: 12 · 4 = 48 peces. En ambdós casos, 48.
(b) Àrea de peces = 48 · 120 · 80 = 460800 mm². Àrea de la planxa = 1000 · 500 = 500000 mm².
Aprofitament = 460800 / 500000 · 100 = 92,16 %; es perd un 7,84 % en retalls.

Volum = massa / densitat = 62 / 1,24 = 50 cm³.
Temps = 50 cm³ / (10 cm³/h) = 5 h.
Cost del material = 0,062 kg · 20 €/kg = 1,24 €.
Només es compta el material; l'electricitat i el desgast de la màquina s'afegirien al cost real.

Joc mínim = forat mínim - eix màxim = 20,00 - 19,98 = 0,02 mm.
Joc màxim = forat màxim - eix mínim = 20,03 - 19,95 = 0,08 mm.
Com que el joc és sempre positiu, és un ajust amb joc: l'eix sempre pot girar o lliscar dins del forat. En un ajust amb estrenyiment (interferència), el joc seria negatiu.

1) Es fa un model de la peça i amb ell es forma la cavitat en la sorra (motlle). 2) Es fon el metall en un forn. 3) Es vessa el metall líquid al motlle. 4) Es deixa solidificar i refredar. 5) Es trenca el motlle, es treu la peça i es retallen els canals i les rebaves.
Avantatge: permet fer peces de formes complexes i de mides molt diverses amb un cost baix. Inconvenient: l'acabat superficial i la precisió són baixos, i sol caldre un mecanitzat posterior.

Material perdut en el mecanitzat = 400 - 100 = 300 g, és a dir, $\tfrac{300}{400}$ · 100 = 75 %.
Material consumit amb la impressió: 105 g. Estalvi = 400 - 105 = 295 g.
Per això l'aportació de material és interessant en peces complexes o d'aliatges cars, tot i que no sempre és més ràpida ni més resistent.

(a) Risc: radiació lluminosa que fa mal als ulls i la pell, cremades i fums. Prevenció: casc o pantalla de soldar, guants i roba de cotó, i bona ventilació o extracció.
(b) Risc: talls amb les vores afilades i atrapament de les mans. Prevenció: guants resistents als talls, mantenir les mans lluny de la fulla i fer servir la protecció de la màquina.
(c) Risc: atrapament de roba o cabells i projecció d'encenalls. Prevenció: cabell recollit, sense mànigues folgades ni polseres, ulleres de protecció i no deixar la clau del mandril posada.

Si el costat curt és x: x · x·$\sqrt{2}$ = 1, x = $\sqrt{\tfrac{1}{\sqrt{2}}}$ ≈ 0,841 m. El full base fa 841 × 1.189 mm.
Cada partició divideix el costat llarg per 2: dues particions divideixen tots dos costats per 2. L'A4 n'és a quatre: $\tfrac{841}{4} \approx 210$ mm i $\tfrac{1189}{4} \approx 297$ mm.
Gràcies a la proporció $\sqrt{2}$, totes les mides A tenen la mateixa forma i es pot ampliar o reduir d'una a l'altra sense deformar.

A escala 2:1 el dibuix és el doble de la realitat, així que la mesura real és $\tfrac{50}{2} = 25$ mm.

(a) 90 · 20 = 1.800 mm i 45 · 20 = 900 mm: 1,8 m per 0,9 m.
(b) A 1:5, la llargada faria $\tfrac{1800}{5} = 360$ mm, i no hi cap. A 1:10, $\tfrac{1800}{10} = 180$ mm, que sí que hi cap. Escala 1:10.

(a) v = π · 50 · $\tfrac{600}{1000} = 94{,}2$ m/min.
(b) Velocitat d'avanç = 0,2 mm/volta · 600 rpm = 120 mm/min; t = 120 mm / (120 mm/min) = 1 min.
(c) n = 1000 · $\tfrac{v}{(\pi \cdot D)} = 1000$ · $\tfrac{120}{(\pi \cdot 50)} = 764$ rpm.
Comprovació: a 764 rpm la velocitat és π · 50 · $\tfrac{764}{1000} \approx 120$ m/min. Treballant més ràpid també baixa el temps de mecanitzat.

(a) Igualem costos: 2400 + 1,20·x = 4,50·x, d'on 3,30·x = 2400 i x = 727,3. Cal fer 728 peces o més perquè la injecció sigui més barata.
(b) Injecció: 2400 + 1,20 · 2000 = 4800 €. Impressió 3D: 4,50 · 2000 = 9000 €.
(c) Per a 30 peces, injecció costaria 2400 + 36 = 2436 € i impressió 3D, 135 €. Es tria la impressió 3D, perquè amb poques unitats no s'amortitza el motlle.

(a) Passades = profunditat / profunditat per passada = 15 / 5 = 3.
(b) Cada passada recorre el perímetre: 2 · (60 + 40) = 200 mm. En total: 3 · 200 = 600 mm.
(c) Temps = 600 mm / (400 mm/min) = 1,5 min, és a dir, 90 s.
No s'ha comptat el temps dels moviments en buit ni els canvis d'eina, que s'afegirien al temps real.

(a) Àrea de la peça = π · (5² - 1²) = π · 24 = 75,4 cm². Volum = àrea · gruix = 75,4 · 0,2 = 15,1 cm³.
Massa = 7,85 · 15,1 = 118 g.
(b) Àrea de la xapa = 10 · 10 = 100 cm². Aprofitament = 75,4 / 100 · 100 = 75,4 %.
Es perd un 24,6 % de la xapa; per això es disposen les peces de manera que s'aprofitin els retalls.

(a) $\tfrac{30}{0{,}2} = 150$ capes i $\tfrac{30}{0{,}1} = 300$ capes.
(b) 150 · 40 s = 6000 s = 100 min; 300 · 40 s = 12000 s = 200 min. Reduir la capa a la meitat duplica el temps.
(c) Amb capa de 0,2 mm: 6 · 100 = 600 min = 10 h, no hi cap. Amb capa de 0,3 mm: 100 capes · 40 s = 66,7 min per peça; 6 · 66,7 = 400 min = 6,7 h, sí que hi cap.
Cal sacrificar acabat superficial (capes més gruixudes) per guanyar temps.

(a) Injecció de plàstic: després de pagar el motlle, cada tapa surt molt ràpid i barata, de manera que l'elevat nombre de peces amortitza el cost inicial.
(b) Impressió 3D: no cal motlle ni eines especials i permet geometries complexes en una sola peça.
(c) Tornejat (eventualment amb rectificat): és un procés per arrencament que dona la precisió dimensional i la rugositat que exigeix l'ajust.
(d) Laminació: l'acer passa entre corrons i es dona el perfil de manera contínua; és el procés habitual de perfils llargs i de secció constant.