El cálculo por MEF y la verificación de la resistencia estructural-mecánica de componentes y conjuntos se utilizan cada vez más en los ámbitos cotidianos. Este ejemplo ilustrativo de un taburete es especialmente interesante porque no se trata de un componente abstracto de la ingeniería mecánica e industrial, sino de un objeto de uso cotidiano.
Gracias a las extensas pruebas de materiales en cooperación con socios industriales y al desarrollo del correspondiente modelo de cálculo, Goebel Engineering es una de las pocas empresas de ingeniería capaces de calcular modelos 3D a partir de la impresora de plásticos estables.
Modelos de materiales básicos para el cálculo de FEM
Para el cálculo de la resistencia del plástico y la madera, primero hay que determinar los criterios de fallo. Para ello, hay que recurrir a las normas y reglamentos correspondientes para estimar la resistencia, o bien determinar los datos correspondientes del material mediante ensayos de tracción. Se utilizó la norma DIN EN 338 para definir el fracaso de la madera. Sin embargo, en el caso de los plásticos impresos en 3D utilizados, los datos del material se determinaron mediante ensayos de tracción según la norma ISO 527BA para diferentes orientaciones de la muestra en el espacio de instalación.
Cálculo de la resistencia de la madera
A diferencia de los aceros, los materiales basados en la madera tienen diferentes propiedades de resistencia o características de material para diferentes direcciones de tensión. En el caso de los materiales a base de madera, las propiedades adicionales del material, como el tipo de madera y la humedad, son decisivas para la evaluación de la resistencia, además de la orientación de la fibra.
Las diferentes propiedades de resistencia de la madera como material natural se deben al crecimiento (por ejemplo, a través de ramas, nudos, etc.) y no son homogéneas. La madera exhibe la mayor estabilidad en la dirección longitudinal del componente. La orientación radial y tangencial de las fibras depende de la dirección del corte, que a menudo es desconocida.
Análisis FEM del plástico de la impresora 3D
Las piezas y modelos impresos en 3D son cada vez más comunes, incluso en el sector privado. Hasta hace unos años, las impresoras 3D se utilizaban principalmente en la industria o en el campo científico, ya que los dispositivos solían costar 10.000 euros o más. Además, los modelos impresos eran anteriormente de baja estabilidad y a menudo sólo adecuados para fines de demostración.
Mientras tanto, no sólo hay disponibles plásticos para impresión 3D con notables propiedades de resistencia estructural-mecánica, sino también impresoras 3D a precios a partir de 1000 euros. La fuerza de los componentes depende principalmente de la dirección de impresión, pero también de la orientación de los componentes en el espacio de trabajo de la impresora 3D.
Investigó los casos de carga
Para el estudio se examinaron con más detalle los siguientes casos de carga, que se suponía eran comunes, mediante análisis de FE:
- Carga total concentrada en el centro del asiento
- Cómodo sentado con una pierna en el soporte transversal inferior
- El peso corporal total en los travesaños inferiores
- Carga inclinada, inclinada sobre la silla
Resultados del análisis FEM
El caso de carga nº 3 está claramente identificado como un caso de carga particularmente crítico. A continuación se muestra la comparación de los resultados en porcentaje para los dos materiales comparados de la impresora 3D:
Este estudio demuestra claramente que los nuevos tipos de plásticos pueden soportar más del doble de carga que los materiales utilizados anteriormente.
El modelo material de la madera sólo puede ser representado aquí por estimaciones aproximadas basadas en las normas DIN. Por lo tanto, los resultados del cálculo no pueden reflejar exactamente la carga de la madera. Para una evaluación exacta del fallo, habría que realizar pruebas exhaustivas, que irían más allá del alcance de este estudio de caso.
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