Comportamiento de fluidos sobre prototipos obtenidos mediante impresión 3D (AERO3D)

Resumen: 

La posibilidad de fabricar un prototipo de bajo coste mediante  impresión 3D ya tiene aplicación en muchos campos tan diversos como la medicina o el diseño industrial. El estudio aerodinámico es fundamental en la mejora de la eficiencia tanto en la generación de energía (turbinas hidráulicas o aerogeneradores) como en la reducción de su consumo (vehículos de transporte, aerodinámica en el deporte). El ensayo de los elementos tiene un elevado coste, puede ser complicado y a veces imposible de realizar. El desarrollo de programas de simulación mediante técnicas de Dinámica de Fluidos Computacional está permitiendo ahorrar costes, pero ha de completarse con ensayos dirigidos.

Con el presente proyecto se pretende introducir a los/as estudiantes  en el uso de herramientas para el diseño y fabricación de prototipos para el modelado y análisis del comportamiento del flujo de fluidos. Para ello se establecerán formas geométricas sencillas que permitan experimentar sobre el concepto “aerodinámica” y sus consecuencias en el consumo energético de dispositivos o elementos que lo emplean. Adquirirán conocimientos sobre los fundamentos principales relacionados con el proceso de diseño y la fabricación de piezas con mayor o menor carga aerodinámica, así como en el análisis de su comportamiento al entrar en contacto con un fluido. Como técnica de prototipado se considerará la impresión 3D de materiales compuestos de matriz polimérica.

Los/as alumnos/as podrán conocer diversas técnicas de prototipado existentes en ingeniería y en particular aplicar la técnica de impresión 3D estableciendo su alcance y posibilidades. A partir de algunas geometrías desarrolladas se podrá analizar los fundamentos básicos a tener en cuenta en el diseño de objetos que estarán en contacto con un fluido, utilizando geometrías de uso cotidiano. Algunos ejemplos de aplicación de la aerodinámica son diseño aeroespacial, submarinos, aerogeneradores, turbinas hidráulicas, etc.

De este modo, los/as participantes implementarán modelos en ordenador con la herramienta de diseño SOLIDWORKS con el fin de comprender los principales parámetros a tener en cuenta en su diseño inicial y las consecuencias del mismo en el ámbito de la mecánica de fluidos. Utilizarán técnicas de vanguardia en la actualidad en la fabricación de productos como es el uso de Dinámica de Fluidos Computacional, a través del software ANSYS-WORKBENCH

1ª Sesión: 

Introducción

Descripción del proyecto, de sus objetivos y de los resultados esperados en el entorno de los “campus científicos”. Se realizará una presentación de las diferentes fases del proyecto a elaborar por los/as estudiantes y se les iniciará en los conceptos generales sobre técnicas de prototipado en ingeniería con especial énfasis en aquéllas basadas en fabricación aditiva y sobre conceptos de flujo externo en geometrías con ejemplos de aplicaciones habituales. La actividad se llevará a cabo mediante la exposición de contenidos con el apoyo de videos y la participación interactiva de los estudiantes mediante diversas técnicas de gamificación. Se completará la sesión con una visita al laboratorio de mecánica de fluidos.

2ª Sesión: 

Diseño de geometrías y fabricación de prototipos mediante impresión 3D.

Se realizará la impresión 3D de las diferentes geometrías planteadas desde la óptica del comportamiento aerodinámico. Los/as estudiantes deberán realizar el diseño de las piezas en el ordenador, exportar el archivo en el formato previsto por las aplicaciones informáticas habituales para obtener el código de control numérico que será introducido en la impresora 3D para la obtención de los prototipos previstos. Para intensificar el alcance de este tipo de proceso de fabricación, se realizarán las piezas con diversos materiales poliméricos y con polímeros reforzados o materiales compuestos de matriz polimérica, introduciendo a los/as estudiantes en la ventaja de uso de materiales reforzados para diversas aplicaciones como las palas de aerogeneradores.

3ª Sesión: 

Medición de la geometría de los prototipos obtenidos.

Esta actividad es fundamentalmente práctica y consistirá en la medición de las geometrías obtenidas utilizando diversos instrumentos en el ámbito de la metrología dimensional: pie de rey, micrómetros, transportadores de ángulos y proyector de perfiles. El objetivo perseguido en esta actividad es introducir de forma práctica a los/as estudiantes en las técnicas de medición y verificación de piezas en fabricación.

Adquisición de datos y ensayo experimental de las geometrías generadas.

Esta actividad está relacionada con la realización de ensayos experimentales y visualización del comportamiento del flujo de un fluido al incidir sobre superficies con distinta forma. Se pretende utilizar diversos ensayos experimentales, como la inyección de un chorro de agua sobre geometrías con evaluación de la fuerza que ejerce el fluido sobre un objeto. Los/as estudiantes podrán ensayar experimentalmente las piezas que desarrollaron en la Actividad 2.

4ª Sesión: 

Visita al parque eólico de Pétrola.

Con el fin de poder ilustrar un ejemplo de aplicación de la aerodinámica en el ámbito industrial se desplazará a los/as estudiantes a un parque eólico propiedad de Iberdrola, situado a unos 40 km del campus universitario. En las instalaciones del parque recibirán una sesión formativa a cargo de los técnicos del parque. Posteriormente serán desplazados hasta la parte elevada del parque donde se podrán observar aerogeneradores en funcionamiento a pie de obra, contrastar sus diferentes partes y tomar conciencia de las dimensiones reales de los diferentes elementos.

5ª Sesión: 

Creación y puesta en marcha de ensayos experimentales en el laboratorio de Mecánica de Fluidos.

En la presente actividad, los/as alumnos/as diseñarán y realizarán diversos experimentos para aplicar los conceptos teóricos desarrollados en la Actividad 1: visualización y cuantificación de la resistencia al avance de un prototipo dentro del fluido; diseñarán y construirán un dispositivo para visualizar líneas de flujo a su paso por determinadas geometrías; finalmente diseñarán un dispositivo para demostrar el efecto de la fuerza de sustentación.

Simulación de flujos utilizando Dinámica de Fluidos Computacional.

Con esta actividad los/as alumnos/as podrán ampliar en el conocimiento del efecto de la geometría sobre el comportamiento del flujo evitando las limitaciones de los ensayos experimentales. Utilizarán el programa de diseño SOLIDWORKS® para diseñar la geometría de una pieza determinada. Esta geometría la implementarán en el programa de simulación de flujos por ordenador ANSYS-WORKBENCH®. Se trata de un software con alta componente visual, que permite representar como se distribuyen las líneas de flujo y cuantificar diversas magnitudes de interés (velocidad, fuerza de arrastre, fuerza de sustentación, etc.). Seguirán un breve tutorial paso a paso con la ayuda del profesorado del curso. Se obtendrán resultados que podrán ser comparados con los ensayos experimentales realizados en el  laboratorio en las actividades previas.

Referencias recomendadas: 
Lugar donde se desarrollará el proyecto: 
Universidad de Castilla-La Mancha
Escuela Superior de Ingenieros Industriales
Paseo de los Estudiantes s/n
02071 Albacete Albacete
Campus: 
Departamento: 
Escuela Técnica Superior de ingenieros Industriales
Provincia: