Mecanismos flexibles: desde el diseño conceptual hasta su manufactura

Autores/as

  • Francisco Javier Ramírez Gil Universidad Nacional de Colombia
  • Esteban Sepúlveda Orozco Universidad Nacional de Colombia
  • Wilfredo Montealegre Rubio Universidad Nacional de Colombia

Palabras clave:

Mecanismos flexibles, diseño sistemático, optimización estructural, método de optimización topológica (MOT), método de elementos finitos (MEF)

Resumen

Los mecanismos flexibles (MFs) son estructuras monolíticas donde su desplazamiento se da gracias a la flexibilidad de sus miembros estructurales. Esto hace que los MFs presenten ciertas ventajas en comparación con sus homólogos, los cuerpos rígidos, tales como no requerir de lubricación ni ensamble. Este trabajo muestra una metodología sistemática para la producción de un MF tipo pinza, desde el diseño conceptual hasta su manufactura. Para el diseño del MF se usa el método de optimización topológica (MOT), el cual permite diseñar estructuras óptimas de forma automática distribuyendo una cantidad de material dada dentro de un dominio de diseño especifico buscando maximizar el desplazamiento en un punto. Al diseño obtenido mediante el MOT se le aplican una serie de operaciones tendientes a disminuir la complejidad de la geometría obtenida con el fin de reducir los costos de manufactura. Con la metodología propuesta se obtiene un MF óptimo, funcional y con geometría innovadora. 

Métricas de artículo

 Resumen: 1765  HTML: 1101  PDF: 551  XML: 39 

Biografía del autor/a

Francisco Javier Ramírez Gil, Universidad Nacional de Colombia

Grupo de Diseño y Optimización Aplicada (DOA, www.doa-unal.co), Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Medellín – Colombia. MSc fjramireg@unal.edu.co, 

Esteban Sepúlveda Orozco, Universidad Nacional de Colombia

Grupo de Diseño y Optimización Aplicada (DOA, www.doa-unal.co), Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Medellín – Colombia. MSc esepulvo@unal.edu.co 

Wilfredo Montealegre Rubio, Universidad Nacional de Colombia

Grupo de Diseño y Optimización Aplicada (DOA, www.doa-unal.co), Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia, Medellín – Colombia. DSc wmontealegrer@unal.edu.co

Citas

Kota, S., Compliant systems using monolithic mechanisms, Smart Mater. Bull., 3, 7–10, 2001.

Howell, L.L., Magleby, S. P. y Olsen, B. M., Handbook of compliant mechanisms, John Wiley & Sons, United Kingdom, 2013.

Gad-el-Hak, M., The MEMS handbook, 2a ed. Taylor & Francis, Boca Raton, FL., 2006.

Vogel, S., Cats’ paws and catapults: mechanical worlds of nature and people. WW Norton & Co., New York, 1998.

Ramírez-Gil, F.J., Diseño óptimo de micromecanismos tridimensionales con actuación electrotérmica utilizando optimización topológica y unidades de procesamiento gráfico (GPU) [Tesis de maestría], Medellín, Colombia, Universidad Nacional de Colombia, 2013.

Sepúlveda-Orozco, E. Diseño de un colector de energía piezoeléctrico (energy harvesting) mediante optimización topológica que maximice la transformación de energía mecánica en eléctrica generada por un ser humano al caminar”, [Tesis de maestría], Medellín, Colombia, Universidad Nacional de Colombia, 2015.

Lobontiu, N., Compliant mechanisms: design of flexure hinges, CRC Press, Boca Raton, 2003.

Smith, S.T., Flexures: elements of elastic mechanisms, Gordon & Breach, Amsterdam, 2000.

Bendsøe, M.P. y Sigmund, O., Topology optimization: theory, methods, and applications, Springer, 2a Ed., Berlin, 2003.

Pahl, G., Beitz, W., Feldhusen, J. y Grote, K.H., Engineering design: a systematic approach, Springer, London, 2007.

Ma, Z.D., Wang, H., Kikuchi, N., Pierre, C. y Raju, B. Experimental validation and prototyping of optimum designs obtained from topology optimization, Struct. Multidiscip. Optim., 31, (5), 333–343, 2006.

Cross, N., Engineering design methods: strategies for product design, Wiley, New York, 2000.

Narváez, C.A. y Garzón-Alvarado, D.A., Síntesis topológica de mecanismos flexibles para aplicaciones biomédicas, Rev. Cuba. Investig. Bioméd., 29 (1), 1–16, 2010.

Napieralski, A., Napieralska, M., Szermer, M. y Maj, C., The evolution of MEMS and modelling methodologies, Int. J. Comput. Math. Electr. Electron. Eng., 31 (5), 1458–1469, 2012.

Deepak, S.R., Dinesh, M., Sahu, D.K. y Ananthasuresh, G.K., A comparative study of the formulations and benchmark problems for the topology optimization of compliant mechanisms, J. Mech. Robot., 1(1), 1–8, 2008.

Howell, L. y Midha, A., Parametric deflection approximations for initially curved, large-deflection beams in compliant mechanisms, en ASME Design Engineering Technical Conferences, Irvine, California, USA, 1996.

Ananthaturesh, G.K., Kota, S. y Gianchandani, Y., A methodical approach to the synthesis of compliant micromechanisms. En: V IEEE Solid-State Sensors and Actuators Workshop, Hilton Head Island, SC, USA, 189–192,1994.

Bendsøe, M. y Sigmund, O., Material interpolation schemes in topology optimization, Arch. Appl. Mech., 69 (9), 635–654, 1999.

Cardoso, E.L. y Fonseca, J.S.O., Complexity control in the topology optimization of continuum structures, J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng., 25 (3), 293–301, 2003.

Sigmund O. y Petersson, J., Numerical instabilities in topology optimization: A survey on procedures dealing with checkerboards, mesh-dependencies and local minima, Struct. Optim., 16 (1), 68–75, 1998.

Zhang, Y., Solving large-scale linear programs by interior-point methods under the Matlab environment, Optim. Methods Softw., 10 (1), 1–31, 1998.

Haftka, R.T. y Gürdal, Z., Elements of structural optimization, Springer, 3a ed., 1992.

Ramírez, F., Sepúlveda, E. y Montealegre, W., Diseño de mecanismos flexibles mediante el método de optimización topológica. En: Métodos numéricos y sus aplicaciones en diferentes áreas, Cali, Colombia, UAO, 545–552, Agosto, 2013.

Tovar, A., Optimización topológica con la técnica de los autómatas celulares híbridos, Rev. Int. Métod. Numér. Para Cálculo Diseño En Ing., 21 (4), 365–383, 2005.

Sigmund, O., On the design of compliant mechanisms using topology optimization, Mech. Struct. Mach., 25 (4), 493–524, 1997.

Vatanabe, S.L., Montealagre, W. y Silva, E.C.N., Modeling of functionally graded materials. En: Comprehensive materials processing, Elsevier, 261–282, 2014.

Gibson, I., Rosen, D. y Stucker, B., Additive manufacturing technologies: 3D printing, rapid prototyping, and direct digital manufacturing, Springer, New York, 2015.

Stratasys Ltd, How FDM 3D Printing Works. Disponible en: http://www.stratasys.com/3d-printers/technologies/fdm-technology. [Consultado el 07-sep-2016].

Sigmund, O., A 99 line topology optimization code written in Matlab, Struct. Multidiscip. Optim., 21 (2), 120–127, 2001.

Méndez-Algarra, G.A. y Tovar, A., Integrating topology and shape optimization: a way to reduce weight in structural ship design, Ship Sci. Technol., 3 (5), 83–92, 2009.

Publicado

2017-06-30

Cómo citar

Ramírez Gil, F. J., Sepúlveda Orozco, E., & Montealegre Rubio, W. (2017). Mecanismos flexibles: desde el diseño conceptual hasta su manufactura. Revista Politécnica, 13(24), 65–78. Recuperado a partir de https://revistas.elpoli.edu.co/index.php/pol/article/view/1091

Número

Sección

Artículos

Artículos similares

> >> 

También puede {advancedSearchLink} para este artículo.