Experiencia Ingenierías Makerspace UPB - Parte 1

En este tutorial vas a participar en un pequeño ejercicio de ingeniería, donde conformarás un equipo de trabajo, resolverás un problema por medio del diseño y la fabricación de un dispositivo a medida, haciendo uso de herramientas y recursos disponibles.

Alcance de la actividad: habilidades básicas del ingeniero

Usaran herramientas de diseño como dibujo a mano, bocetos, diseño asistido por computador (CAD) e impresión 3D para la fabricación, aunque estas cosas solo son una excusa para que se prueben en las habilidades esenciales de un ingeniero (cualesquiera que sea la especialidad):

identificar, formular y resolver problemas complejos de ingeniería aplicando principios de ciencia y matemáticas.
aplicar diseño de ingeniería para producir soluciones que satisfagan las necesidades especificadas, considerando múltiples aspectos de importancia para la sociedad y el planeta(...),
comunicarse de manera efectiva con diversas audiencias,
reconocer responsabilidades éticas y profesionales en situaciones de ingeniería y hacer juicios informados, considerando múltiples aspectos de importancia para la sociedad y el planeta(...),
trabajar en equipo de manera efectiva, en un ambiente colaborativo e inclusivo, estableciendo metas, planeando tareas y cumpliendo objetivos,
desarrollar y ejecutar experimentos, análisis e interpretación de datos, usando juicio ingenieril para obtener conclusiones,
adquirir y aplicar nuevo conocimiento según lo necesite, usando estrategias de aprendizaje apropiadas.

Adaptado de ABET (Criteria for Accrediting Engineering Programs, 2022 - 2023 - ABET).

Reto: Fabrica de Botes

Van a asumir el rol de ingenieros que van a iniciar un emprendimiento de diseño y fabricación de botes a medida y al instante. En este momento, están desarrollando su producto estrella, un bote:

de gran capacidad,
de mínimo peso en el aire,
muy bonito y atractivo
amigable con el medio ambiente (reciclable, compostable, aprovechable)

En esta primera parte abordaremos el diseño y fabricación. La segunda parte no requiere del Makerspace, por lo que puede hacerse en un segundo momento.

Supplies

Para esta experiencia necesitan conformar un equipo de 4 o 5 integrantes (la actividad se puede hacer individual pero no es recomendable). Además, se requieren los siguientes elementos de trabajo:

computador o tableta por equipo.
lápiz y papel para cada miembro.
Acceso a las impresoras del Makerspace UPB

Step 1: Requerimientos (5 Minutos)

Funcionamiento del bote

El bote debe ser capaz de llevar la mayor carga posible. Esto se probará cargándolo con objetos metálicos (tuercas y tornillos de 3 mm) hasta lograr el hundimiento en un pequeño tanque de pruebas (una coca plástica o valde).

Restricciones

El bote que van a diseñar y a construir debe tener un volumen máximo de 30 mililitros, o en otras unidades, 30.000 milímetros cúbicos... ¿cómo así? Miren la imagen adjunta y revise esta explicación
Si pudiéramos empacar el bote en una caja, la multiplicación de las dimensiones de la caja (largo x ancho x alto) deben ser menores a 30.000.
El primer volumen del ejemplo tiene 50 x 30 x 20 mm, lo que da 30.000 mm^3
El volumen no tiene que ser una caja cuadrada, puede ser un volumen de cualquier forma
El bote debe usar la menor cantidad de material posible. Deberán rendir cuentas sobre el material utilizado, para esto deberán investigar sobre el proceso de Impresión 3D tipo Fabricación por Filamento Fundido o FFF.
El bote debe usar materiales amigables con el medio ambiente Y compatibles con la técnica de fabricación
El bote debe tener un diseño agradable, si no se ve bien nadie lo compraría.

Estudien muy bien estas restricciones antes de pasar a la siguiente etapa

Step 2: Ideas (15 Minutos)

Usando papel y lápiz, cada miembro del equipo deberá generar por lo menos 3 ideas de botes en forma de dibujos simples, también llamados bocetos.

El boceto debe explicar la forma y los detalles importantes, usando dibujo y texto
No se preocupe si no sabe dibujar, desde que la idea se entienda, el boceto sirve.
Se permite ser creativo, aún si la idea no es la más funcional, o la más estética.
Puede hacer más de 3 ideas.

Una vez terminado el tiempo, deben pasar a la aplicación de criterios de ingeniería

(imagen de referencia tomada de How to Design the Best Boat in Tinkercad: a STEM Challenge & Lesson Plan for Teachers)

Step 3: Selección (10 Minutos)

Vamos a seleccionar la mejor idea, tratando de usar criterios de ingeniería y una herramienta de selección sencilla pero ingenieril. Miren la imagen, esta tabla nos ayudará a comparar los diseños de cada uno. A continuación va la explicación de qué deben hacer:

Hagan una tabla donde las columnas tienen los nombres de los diseños de cada uno, o en su defecto los nombres de los diseñadores, y las filas son las características a comparar. En este caso sugerimos:
Carga máxima (el que más peso logre llevar es el mejor)
Peso (el más liviano es el mejor)
Simpleza (el más fácil de dibujar o que tenga menos detalles es el mejor)
Estética (el más bonito y atractivo es el mejor).
Califiquen cada diseño para cada característica, con un chulo si es la mejor, con una cruz si es la peor, o sin marca si no hay clara distinción de si es mejor o peor.
Cada característica (fila) debe tener solo UN mejor
Puede que haya una característica sin un peor
Sumen el número de chulos (+1) con el número de cruces (-1). El que obtenga el número mayor es el ganador.

Habiendo seguido este proceso, ya el equipo cuenta con un diseño que pasará a etapa de diseño de detalle

Step 4: Diseño De Detalle: Asignación De Roles (5 Minutos)

Esta es la parte más laboriosa, y contamos con tiempo limitado, por lo que el equipo debe asignar roles y tareas para poder completar el diseño a tiempo. Los roles disponibles son:

Diseñador CAD: es el que llevará el diseño que está en el papel al mundo digital.
Quien tenga este rol debe seguir el PASO 5: Diseño De Detalle: Modelo CAD
Investigador (pueden ser 2): deberán buscar información sobre la técnica de fabricación y los materiales que se pueden utilizar para fabricar el bote. Considerar el tema ambiental,
Quien tenga este rol debe seguir al Paso 6: Diseño De Detalle: Documentación.
Comunicador: debe proveer información sobre el desarrollo al resto del mundo cuando sea necesario, además debe tomar medios como fotos y videos sobre el proceso para luego documentar lo sucedido durante el desarrollo
Líder: vela por que todo el proceso se lleve a cabo correctamente y mantiene el orden en el equipo, el cumplimiento de los tiempos.

Step 5: Diseño De Detalle: Modelo CAD (30 Minutos)

Esta parte requiere que el guía de la actividad le entregue al equipo una hoja con información para acceder a la plataforma. Solicítela si no la tiene:

Ingresar a https://www.tinkercad.com/joinclass
Escriba el código de clase que está en la guía
Clic en "Unirse con Apodo"
Ingrese el apodo proporcionado por el guía

A continuación, revise el video para que entienda las operaciones básicas en TinkerCAD

El segundo video muestra cómo hacer agujeros, y más aún el agujero necesario para el bote.

Al final encontrarán un ejemplo de cómo quisiéramos que nos quedara el diseño de bote, aunque en tan poco tiempo no lograremos algo con ese detalle, no se frustren si no logran algo así de detallado.

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Una vez finalizado el diseño, pasar al paso de fabricación

Step 6: Diseño De Detalle: Documentación (30 Minutos)

Investigadores:
recopilar la información sobre la técnica de fabricación, máquinas a utilizar, material escogido y características del material en una hoja de papel
¿cuál sería el mejor material que represente un buen equilibrio entre costo e impacto al medio ambiente?
¿cuál es el principio físico que les permite calcular la carga máxima del bote?
Responda estas preguntas en la hoja
Comunicador: Recopilar fotos y videos del proceso de diseño, reportar al guía de actividad lo que vaya sucediendo o se requiera.

Step 7: Exportación Y Presentación(5 Minutos)

Ahora vamos a exportar el diseño a un archivo compatible con la siguiente etapa. Lo que necesitamos es un archivo tipo malla de triángulos o vértices. Existen varios formatos compatibles, por ahora usaremos el más difundido, llamado .STL.

Sigan las instrucciones como se muestra en las imágenes, y obtendrán un archivo .STL listo para ser procesado en la siguiente etapa.

El comunicador deberá reportarle al público general el estado de diseño. Contará con 1 minuto para exponer los aspectos principales del diseño.

El líder deberá gestionar la entrega del archivo .STL para iniciar la fabricación.

Step 8: Reflexión

Este sería el fin de la primera parte del ejercicio. Aquí pudieron medirse en las habilidades del ingeniero, almenos en lo que permite un ejercicio corto. Recordémoslas:

identificar, formular y resolver problemas complejos de ingeniería aplicando principios de ciencia y matemáticas.
aplicar diseño de ingeniería para producir soluciones que satisfagan las necesidades especificadas, considerando múltiples aspectos de importancia para la sociedad y el planeta(...),
comunicarse de manera efectiva con diversas audiencias,
reconocer responsabilidades éticas y profesionales en situaciones de ingeniería y hacer juicios informados, considerando múltiples aspectos de importancia para la sociedad y el planeta(...),
trabajar en equipo de manera efectiva, en un ambiente colaborativo e inclusivo, estableciendo metas, planeando tareas y cumpliendo objetivos,
desarrollar y ejecutar experimentos, análisis e interpretación de datos, usando juicio ingenieril para obtener conclusiones,
adquirir y aplicar nuevo conocimiento según lo necesite, usando estrategias de aprendizaje apropiadas.

Adaptado de ABET (Criteria for Accrediting Engineering Programs, 2022 - 2023 - ABET).

Si todo salió bien, el proceso de fabricación continuará y estará listo en un lapso de 2 horas desde que inician las máquinas a imprimir.

Para quienes quieren aprender sobre el proceso de impresión, pueden seguir este tutorial:

Makerspace UPB: Usando Las Impresoras 3D Del Makerspace Biblioteca : 5 Steps - Instructables

Y si no cuentan con espacio para terminar la segunda parte, pueden contactarnos a luismiguel.aristizabal@upb.edu.co.

¡Éxitos!