Modelado, análisis y ensayo de uniones en carpintería tradicional japonesa

Abstract

El presente trabajo trata de resolver el problema de tamaño de prototipado asociado a las impresoras 3D. Debido a que el espacio de trabajo de estas máquinas es reducido condiciona las dimensiones de las piezas que modelan teniendo unas cotas máximas por lo general de 20cm x 20cm x 20cm. Para ello, este estudio establece como principal objetivo la aplicación del arte ancestral japonés de las juntas (JJ) de carpintería a la tecnología de diseño e impresión digitalizada 3DP-FDM como posible solución. De la combinación de ambos mundos (uno moderno y tecnológico y otro tradicional y sabio) se ha desarrollado una nueva metodología innovadora de aplicación al modelado de prototipos de gran tamaño bajo la denominación de Digital Japanese Joinery (DJJ) y que se podría resumir bajo el siguiente algoritmo:

JJ + 3DP = DJJ

Para la consecución de este objetivo, un primer paso necesario fue la catalogación y codificación de las juntas tradicionales japonesas ya que sorprendentemente no se había observado, en la revisión de la literatura, que alguien lo hubiera hecho previamente con rigor. Así, se han recogido un total de 105 juntas o uniones japonesas diferentes y se les ha dado una clasificación y nomenclatura universal con un código que identifica y clasifica a cada una por sus características principales. Gracias a este código, se obtiene toda la información necesaria sobre la junta en el propio nombre, y resulta más sencillo encontrar la que se necesite.

Continuando con el diseño de las juntas, se han establecido todos los parámetros necesarios para que el arte japonés de carpintería se pueda aplicar al 3DP mediante la tecnología recogida en el DJJ. Así, se han establecido criterios de dimensiones, ajustes de ensamblaje y orientación de fabricación.

Seguidamente, se han aplicado los criterios del DDJ a una muestra de 10 juntas, las cuales se han diseñado, analizado y modelado. Los resultados del análisis se han recogido en una ficha técnica por cada junta. Las juntas se han modelado mediante 3DP y se ha podido comprobar que son funcionales y que los criterios DJJ son correctos.

Llegado este punto se consideró oportuno la aplicación de la mencionada metodología (DJJ) a un caso real como ha sido el de un chasis de bicicleta pudiéndose lleva a cabo satisfactoriamente.

Para ello se planteó la solución a partir de la división en partes más pequeñas del prototipo para que se pudieran modelar en impresoras 3D y posteriormente unirlas utilizando una junta del catálogo. Esto se ha recogido en una tabla junto con el tiempo y coste de fabricación. Analizando esta información se comprueba que a priori es una solución factible para producir prototipos de gran tamaño.

Para concluir, se aplican los ensayos de tracción a una selección de 4 uniones bajo condiciones controladas en laboratorio pudiendo comprobar que cumplen con los requisitos de calidad requeridos.

Finalmente, apuntar que los resultados de este trabajo se pueden resumir en las dos siguientes conclusiones: • La tecnología de impresión en 3D tiene un gran futuro, aunque existen importantes limitaciones a la misma entre la que destaca la fabricación de piezas de gran tamaño. • Es posible solventar eficaz y eficientemente el problema del tamaño de las piezas impresas en 3DP por medio de soluciones como la presentada en este proyecto denominada Digital Japanese Joinery (DJJ).

This work tries to solve the problem of prototyping size associated with 3D printers. Due to the fact that the working space of these machines is reduced, it reduces the dimensions of the pieces they model to a maximum size of 20cm x 20cm x 20cm.

To this end, this study establishes as its main objective the application of the ancient Japanese art of Joinery (JJ) to 3DP-FDM digital design and printing technology as a possible solution. From the combination of both worlds (one modern and technological and the other traditional and wise), a new innovative methodology has been developed for the application to the modeling of large prototypes under the name of Digital Japanese Joinery (DJJ), which can be summarized under the following algorithm:

JJ + 3DP = DJJ

In order to achieve this objective, a first necessary step was the cataloguing and coding of traditional Japanese joints, since it had surprisingly not been observed, in the literature review, that anyone had previously done so with rigor. Thus, a total of 105 different Japanese joints have been collected and given a universal classification and nomenclature with a code that identifies and classifies each one according to its main characteristics. Thanks to this code, you get all the necessary information about the joint in the name itself, making it easier to find the one you need.

Continuing with the design of the joints, all the necessary parameters have been established so that the Japanese art of carpentry can be applied to 3DP using the technology contained in the DJJ. Thus, criteria for dimensions, assembly adjustments and manufacturing orientation have been established.

The DDJ design criteria were then applied to a sample of 10 joints, which were designed, analyzed and modelled. The results of the analysis have been included in a technical file for each joint. The joints have been modeled using 3DP and it has been proven that they are functional and that the DJJ criteria are correct.

At this point, it was considered appropriate to apply the aforementioned methodology (DJJ) to a real case such as that of a bicycle chassis, which could be carried out satisfactorily.

For this purpose, a solution was proposed based on the division into smaller parts of the prototype so that they could be modelled on 3D printers and then joined together using a joint from the catalogue. This has been set out in a table together with the time and cost of manufacture. Analyzing this information it is proven that a priori it is a feasible solution to produce large prototypes.

To conclude, the tensile tests are applied to a selection of 4 joints under laboratory controlled conditions to verify that they meet the required quality requirements.

Finally, it is worth noting that this work can be summarized in the following two conclusions: • 3D printing technology has a great future, although there are important limitations to it, including the manufacture of large parts. • It is possible to effectively and efficiently solve the problem of the size of printed pieces in 3DP by means of solutions such as the one presented in this project called Digital Japanese Joinery (DJJ).