Resumen

En México, muchas pequeñas y medianas empresas (PYMEs) enfrentan desafíos debido a la falta de recursos y presupuestos limitados para adquirir múltiples máquinas especializadas en fabricación digital. Esto dificulta la enseñanza práctica de habilidades en diseño y manufactura digital. Una solución viable es la creación de una máquina CNC multifuncional, que combine capacidades de router, grabado y corte láser en un solo equipo. Esta máquina sería asequible y fácilmente disponible, permitiendo a las PYMEs obtener la tecnología necesaria sin incurrir en costos elevados. La implementación de una máquina CNC multifuncional ofrece varios beneficios clave para las PYMEs. Primero, reduce significativamente los costos al integrar varias funciones en un solo equipo, lo que también optimiza el uso del espacio. Además, facilita la enseñanza de habilidades prácticas en fabricación digital, preparando a la sociedad para el mercado laboral actual y futuro. La experiencia práctica en el uso de tecnologías avanzadas puede mejorar la empleabilidad y la capacidad de innovación. En resumen, la máquina CNC multifuncional aborda la necesidad de una solución integral y económica para la fabricación. Esta propuesta no solo optimiza los recursos y reduce costos, sino que también proporciona una herramienta efectiva para enfrentar los desafíos del mercado laboral.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

La necesidad de una solución integral de fabricación digital para escuelas de tecnología e ingeniería en México. Actualmente, muchas escuelas y talleres de maquinado enfrentan la limitación de recursos y presupuestos para adquirir múltiples máquinas especializadas para realizar diferentes procesos de fabricación, lo que dificulta la enseñanza de habilidades prácticas en fabricación digital y diseño a los estudiantes, así como la calidad de los productos que ofrecen los diferentes talleres que se dedican a este tipo de mercado.

Antecedentes

Historia

Debido a los avances tecnológicos, es habitual encontrar máquinas de control numérico por ordenador, CNC, en todas las industrias. Las máquinas CNC son dispositivos de fresado automatizados que realizan componentes industriales. Utilizan instrucciones codificadas enviadas a un ordenador, lo que permite a las fábricas elaborar piezas con precisión y rapidez. La máquina CNC ha evolucionado considerablemente en tamaño y complejidad desde sus inicios en la década de 1950, adaptándose a las tecnologías digitales. Mecanizado CNC Es un proceso que suele utilizar máquinas capases de eliminar material de una pieza de trabajo y producir una pieza personalizada. El mecanizado CNC permite crear piezas sencillas de gran precisión de forma rentable.

El Control Numérico Computarizado, también llamado CNC, es todo aquel dispositivo que posee la capacidad de controlar la posición y velocidad de los motores que accionan los ejes de la máquina para realizar movimientos que no se pueden lograr manualmente. Una máquina CNC, contiene seis elementos principales:

• Dispositivo de entrada
• Unidad de control
• Máquina herramienta
• Sistema de accionamiento
• Dispositivos de realimentación (sólo en sistemas con servomotores)
• Monitor

Su funcionamiento está basado en el posicionamiento de los ejes X, Y, Z. Gracias a lo cual, a una misma pieza se la puede taladrar, cortar, roscar, fresar, o desbastar en todos sus planos de forma totalmente automática.

El Router CNC cuenta con tres ejes que le permiten moverse y cortar correspondientes al eje X, que se mueve de izquierda a derecha; él Y, que es el más largo y se mueve de adelante hacia atrás; el Z, cuyo movimiento es de arriba hacia abajo, de modo que regula la profundidad del corte [1].

Una pieza importante de este sistema es la mesa de corte, donde se sostiene y asegura la pieza que será cortada para trabajos de mayor precisión. Las mesas varían del tipo y tamaño.

Objetivo

Innovar una máquina CNC multifuncional con router y laser que apoye a los talleres de maquinado, PYMEs y mejorar los procesos de sus productos con calidad, minimizando tiempos e incrementado su producción.

Justificación

La creación de una máquina CNC multifuncional asequible y fácilmente disponible en México sería una solución efectiva para estas problemáticas, ya que permitiría a las escuelas de tecnología e ingeniería adquirir la tecnología necesaria para enseñar habilidades prácticas en fabricación digital y diseño sin incurrir en costos excesivos. Además, permitiría a los estudiantes obtener experiencia en el uso de tecnología avanzada de fabricación digital y diseño, lo que los prepararía para enfrentar los desafíos del mercado laboral actual y futuro. En resumen, la creación de una máquina CNC multifuncional con router, grabado y corte láser aborda la problemática de la falta de una solución integral de fabricación digital en las escuelas de tecnología e ingeniería en México y justifica la necesidad de una solución eficiente, innovadora, asequible y demandada por el mercado laboral actual.

Hipótesis

Es posible Innovar y desarrollar una máquina CNC multifuncional con router y laser que cumpla con la exigencia en términos de calidad y normatividad que este producto requiere.

Método (materiales y procedimiento)

La metodología utilizada en la innovación y desarrollo de una máquina CNC multifuncional con router y laser, es la que se utiliza para la creación de productos diferentes a los existentes en el mercado dando solución a los problemas de la sociedad.

Las actividades realizadas para cumplir con lo establecido en las características del producto son:

1. Características del producto. Se traducen las necesidades y requerimientos del mercado meta a características generales del producto satisfactor, estableciendo los objetivos (generales y específicos), criterios de diseño, especificaciones y restricciones.
2. Dibujos previos. Se plasma en un bosquejo la mejor solución posible que muestre las formas y elementos de la máquina que den respuesta a los criterios de diseño establecidos.
3. Esquemas. Se utilizan símbolos normalizados para la representación de la interacción de los elementos y mecanismos de la máquina que actúan en la transmisión de los movimientos a diversos mecanismos y dispositivos de mando a distancia.
4. Cálculos. Se utilizan los procedimientos técnicos para determinar la geometría, materiales y dimensiones de todos los componentes de la máquina.
5. Dibujos de estudio. Se realiza el ensamble de todos los componentes, afín de detectar errores o faltantes en los elementos de la máquina anteriormente calculados.
6. Prototipo. Consiste en la manufactura de la máquina CNC multifuncional utilizando diferentes procesos de fabricación tales como soldadura, corte, doblez y maquinados.
7. Pruebas de funcionamiento. Se realiza un programa de pruebas que permitan satisfacer plenamente lo especificado inicialmente: voltaje de alimentación, velocidad, consumo de energía, capacidad de producción. En caso de que alguna prueba resultara insatisfactoria se realizarían los ajustes y modificaciones pertinentes.
8. Dibujos de detalle. Definir cada una de las piezas que forman el producto (estructura, rodamientos, tornillo sin fin etc.) estableciendo sus formas geométricas, dimensiones nominales, tolerancias, material de fabricación, tratamientos y acabados en su caso para cada pieza.
9. Dibujos de conjunto. Definir la relación física que guardan las piezas que lo integran, la identificación con números o letras de cada una de las piezas que forman el sistema y se muestra el número de ellas que intervienen en cada conjunto.
10. Manual de usuario. Asegurar el buen funcionamiento de la máquina con un manual que contenga toda la información necesaria para que el usuario la pueda utilizar sin problema alguno.
11. Estudio económico. Se lleva a cabo el presupuesto de los ingresos y egresos en la elaboración de la máquina CNC multifuncional para conocer el costo de fabricación estándar.

Galería Método

Resultados

Características del producto

Criterios de diseño:

• De fácil operación.
• Económica.
• Mínimo mantenimiento.
• Fácil limpieza.
• Fácil transportación.
• Diseño compacto.

Tamaño de la mesa de trabajo:

• Ancho: 1500 mm.
• Largo: 1000 mm.

Dibujos previos [2]

A continuación, se muestra la mejor solución planteada en un dibujo que muestra las formas y elementos de la máquina CNC multifuncional con router y laser que dan respuesta a los criterios de diseño antes citados (Figura 1).

Esquema

El esquema eléctrico necesario para la operación de la máquina (Figura 2).

Cálculos y selección de elementos normalizados [3].

Los cálculos y selección de elementos normalizados de ingeniería se llevaron a cabo con la normativa correspondiente para que cada elemento eléctrico, electrónico que integra la máquina sea el correcto para su buen funcionamiento (Figura 3).

Dibujos de estudio [2]

Se muestran los dibujos que nos permiten visualizar la integración de todos los elementos (Figura 4 y 5).

Prototipo

Se muestra la fotografía que nos permiten apreciar el ensamble de los componentes que conforman la máquina CNC multifuncional con router y laser (Figura 6).

Pruebas de funcionamiento

Las pruebas realizadas a la máquina CNC multifuncional con router y laser, nos permiten verificar las características del producto planteadas son:

La primer prueba fue con el router al maquinar material de acrílico el cual obtuvo un maquinado de calidad y en un tiempo estimado de 25 minutos en un diseño de medidas 400 mm x 400 mm (Figura 7).

La segunda prueba fue con el laser al grabar en material madera el cual obtuvo un grabado de calidad y en un tiempo estimado de 30 minutos en un diseño de medidas 500 mm x 500 mm (Figura 8).

Dibujos a detalle [2]

A continuación, se muestran algunos dibujos de los componentes de la máquina (Figura 9, 10).

Dibujos de conjunto [2]

Se muestra un dibujo que muestra todos los componentes de la máquina CNC multifuncional. (Figura 11) (Tabla 1).

Galería Resultados

Discusión

Los resultados de este trabajo fueron satisfactorios: se construyó una máquina de alta calidad a bajo costo que permite a los alumnos adquirir conocimientos sobre programación, ensamblaje y mantenimiento. Se logró un mecanizado preciso en las piezas gracias a las diversas herramientas del router, seleccionadas según la tarea específica.

Además, el láser, equipado con un controlador PWM, ha realizado grabados en madera con diseños variados, tanto para pruebas de funcionamiento como para atender solicitudes de los alumnos en sus trabajos y tareas. Esto evidencia no solo el correcto funcionamiento del láser, sino también la calidad de los grabados.

La máquina, capaz de realizar grabados y cortes con gran precisión, ha despertado el interés tanto del alumnado como del personal docente del tecnológico. Hay un claro deseo por aprender sobre su diseño, así como sobre el proceso de grabado y corte. Esto refleja que la máquina no solo cumple con los objetivos esperados, sino que también fomenta el interés y la comprensión en su uso.

Conclusiones

El desarrollo de este proyecto ha permitido el ensamblaje de la innovadora máquina PIONNER 3D, diseñada especialmente para la industria. Su característica más destacada es su portabilidad, lo que facilita su transporte entre diferentes lugares de trabajo. Esta máquina está orientada a talleres de maquinado que trabajan con materiales como MDF, acrílico y polipropileno, y es compatible con dos herramientas: router, láser, lo que la hace versátil según las necesidades específicas del proyecto.

El uso de la PIONNER 3D ofrece múltiples beneficios al mercado meta. En primer lugar, se incrementa la producción, ya que no es necesario contar con más de una persona para operar la máquina. Además, los cortes y grabados alcanzan una calidad superior gracias a su alta precisión. En resumen, la PIONNER 3D representa una herramienta valiosa que mejora tanto la eficiencia como la calidad del trabajo en cada maquinado.

Bibliografía

[1] CRUZ, Francisco. Control numérico y programación: Sistemas de fabricación de máquinas automatizadas. Primera edición. México: Alfa o mega Grupo editor, 2007. 377 p. ISBN 978-970-15- 1254-8.

[2] Chevalier, A. and Domingo Padrol, M. (1997). Dibujo industrial. México: Limus

[3] Budynas, R., Nisbett, J., Shigley, J., Murrieta Murrieta, J. and Alatorre Miguel, E. (2012). Diseño en ingeniería mecánica de Shigley. México, D.F.: McGraw-Gill Interamericana.

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography