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CARÁTULA DE TRABAJO

DISEÑO DE ESTRUCTURAS 3D POR CORTES Título del trabajo

TOMOS DISENIUM Pseudónimo de integrantes

FÍSICA ÁREA

LOCAL

CATEGORÍA

DISEÑO INNOVADOR

MODALIDAD

0960262 Folio de Inscripción

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2. Título.

Diseño de Estructuras 3D por Cortes.

3. Resumen.

El proyecto “Tomos Disenium” consistió en plantear un diseño innovador para la

construcción de estructuras en tres dimensiones, utilizando cortes, la idea surge a

partir de una pequeña pieza de arte de papel, en la que es un rompecabezas,

cada pieza era un corte de una figura más grande, por lo que las piezas embonan

unas con otras para al final formar una figura, sin necesidad de algún pegamento o

material para unir las piezas, cada pieza se formaba con cortes hechos

previamente en la imagen del objeto.

De esto surgió la idea de que se puede aplicar esta técnica en otras cosas, la

primera aplicación que surgió después de ver cómo estaba hecha la pequeña

figura de papel, y se pensó que se podría aplicar en la construcción de muebles,

muebles que su construcción reduzca y economice la utilización de material, ya

que aplicando esta técnica el objeto se vuelve más ligero, más fácil de transportar

y más fácil de ensamblar.

Al desarrollar la idea de la construcción de los muebles, surge la idea de utilizar

este concepto en cosas aún más grandes, como los muros en casas y estructuras

que actualmente son pesadas y difíciles de transportar.

Lo que se hace en el trabajo es usar técnicas de dibujo constructivo y conceptos

de física que buscan la relación entre la masa y el volumen de un objeto para

justificar la funcionalidad de este diseño.

4. Introducción.

4.1. Marco Teórico

Una proyección es una técnica de dibujo empleada para representar un objeto en

una superficie. Se entiende a la proyección de un objeto como la figura obtenida

sobre la superficie mediante series de rectas, llamadas proyectantes, las cuales

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parten de un punto llamado foco y trasladan los detalles del objeto hasta la

superficie en la que inciden (Gallardo, 2018).

Las proyecciones isométricas son aquellas proyecciones gráficas donde se usa

una misma escala para representar las dimensiones de la figura en sus tres

direcciones principales, es decir, alto, ancho, y profundidad. Es necesario que la

figura tenga una posición especial respecto al plano de proyección, de tal manera

que el efecto deformador de la proyección sea igual para las tres direcciones ya

dichas (Gallardo, 2018).

Actualmente es posible traer a la vida a las piezas ideadas en proyecciones

gracias a la impresión 3D, para la cual es necesario haber diseñado la pieza

previamente en programas específicos que permitan modelar objetos con altura,

anchura, y profundidad, o volumen (Pérez, 2014).

Existen distintos materiales para llevar a cabo la impresión en 3D, que así como

las impresoras caseras, requieren de “tinta” para poder trabajar. Los básicos son

dos derivados del plástico, llamados ABS y PLA. Ambos son termoplásticos, es

decir, que es derretido por la impresora y se enfría al ser expulsado por el

extrusor. De esta manera, la impresora puede apilar las capas de plástico y

construir las piezas. Sin embargo, estos dos termoplásticos con distintos en

cuanto a cualidades, por ejemplo, el primero se vuelve extremadamente duro al

secarse y resiste altas temperaturas, pero sí emite gases nocivos al ser derretido,

mientras que el PLA no, pero este último tampoco otorga mucha dureza. Cabe

mencionar que los filamentos para introducir a la impresora rondan por encima de

los 500 pesos, y que en promedio, las impresoras consumen 880 watts por hora

(Pérez, 2014).

Sin embargo, también existen filamentos alternativos para imprimir, y que ofrecen

una amplia gama de propiedades según lo que sea requerido por la pieza, tal y

como el laybrick, que es una mezcla de plástico con yeso para simular a las

piedras, o el laywoo-d3, igualmente una mezcla de plástico con madera para

aparentar el olor y apariencia de esta. También hay variaciones del PLA que son

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más flexibles y funcionales para hacer llantas o calzado, o transparentes y seguros

con los alimentos para poder almacenar agua. Incluso está el nylon, mucho más

resistente y flexible que los tradicionales, y que además, puede ser reutilizado

(Fischman, 2016).

4.2. Objetivo(s)

Lo que este proyecto busca, es utilizar la construcción de estructuras 3D a partir

de cortes horizontales y verticales, para así reducir y economizar la utilización de

materiales que se usan actualmente, desde materiales para estructuras simples

como un mueble o algún objeto común en el hogar; hasta estructuras un poco más

complejas. Además buscar de un beneficio con la reducción de espacio de

transporte de las mismas estructuras ya que estás serán más ligeras.

4.3. Problema

¿Cómo la implementación del diseño de construcción de estructuras 3D por

cortes, logrará reducir y economizar la utilización de materiales en procesos de

manufactura actuales?

Vivimos en una época en la que existe una creciente demanda de servicios y

productos materiales, esto implica un incremento en la explotación de recursos

naturales para intentar cubrir las demandas existentes, esto significa que las

empresas comienzan a sobre explotar la materia prima, no sólo es extraída por las

diferentes fábricas, sino que también es procesada (la materia prima), llegar en

forma de un producto hasta el mercado, para luego llegar hasta nuestras casas, y

claramente esta explotación de recursos y bienes tiene un impacto tanto ambiental

como de costo para las empresas. Según un informe de las Naciones Unidas el

mundo consumirá tres veces más recursos naturales para mediados de este siglo

que en la actualidad, además se estima que cada año se utilizarán alrededor de

140 mil millones de toneladas de combustibles fósiles, minerales y metales para

el año 2050. Según un estudio realizado por la BBC en materia de la explotación

de recursos.

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Considerando cuatro recursos fundamentales: minerales, metales, combustibles

fósiles y biomasa, el promedio de consumo anual per cápita en 2000 fue de 8 a 10

toneladas, casi dos veces más que en 1990 según el informe de BBC.

Una gran parte de estos recursos van destinados a las estructuras de los objetos

que nos rodean día con día, como muebles, materiales de construcción para

edificaciones, muchos de estos objetos emplean una gran cantidad de materia

prima para ser producidos, además que en las fábricas los materiales son

sometidos a diferentes procesos de cambios.

Las ideas anteriores nos plantean una situación mundial, de crisis para los

materiales y disparo en relación con los costos, permitiéndonos identificar este

deterioro en los últimos años como una oportunidad para el desarrollo de nuestro

proyecto.

4.4. Hipótesis

Si se utiliza el método de construcción de estructuras 3D por cortes, entonces se

logrará reducir y economizar el uso de materiales empleados en estructuras ya

existentes.

5. Desarrollo.

Teniendo los conocimientos de cómo se hacen las proyecciones de objetos 3D,

así como las formas existentes con las que se pueden crear y diseñar imágenes

digitales de tres dimensiones, se inició con el diseño de estructuras simples.

El proceso comienza dibujando y diseñando las proyecciones de las estructuras u

objetos que se van a construir, se utilizan las proyecciones frontal, lateral y

superior, una vez que se tienen las proyecciones se debe de considerar el número

de cortes que se harán en ambos sentidos (horizontal y vertical), para obtener una

estructura óptima.

En la proyección frontal se hacen tanto cortes verticales como horizontales, con un

grosor también ya determinado por las divisiones que se quieren.

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En la proyección superior se trazan solamente los cortes que en la frontal fueron

los verticales, ya que los horizontales de la frontal no se aprecian en la superior.

En la proyección lateral se hacen de nuevo ambos cortes, como en la proyección

frontal, respetando las medidas ya establecidas en las otras proyecciones.

Lo que se obtiene con este proceso son las piezas que integran a la estructura

formada por cortes, y cada proyección va determinando las medias de cada pieza.

Una vez que se tienen identificadas las medidas de cada pieza se hace una

lámina en donde se va trazando cada pieza que salió de los trazos en las

proyecciones, además en el diseño se debe de considerar los cortes que se deben

de hacer en las piezas para que puedan embonar unas con otras cuando se esté

construyendo el objeto. Que deben tener las mismas medidas que sus contrarias

en el otro sentido.

A continuación se ejemplifica el procedimiento a seguir para construcción de una

esfera.

Construyendo una pirámide de base cuadrangular:

1. Diseñar las proyecciones de la pirámide, frontal, lateral y superior.

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2. Trazar en la pirámide los cortes horizontales y verticales, en la proyección

frontal.

3. Los cortes verticales se proyectan a la superior.

4. Los cortes horizontales de la frontal se proyectan a la lateral.

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5. Las medidas de las piezas horizontales se obtienen con los cortes de la

proyección lateral.

6. Las medidas de los cortes verticales se obtienen de la proyección frontal

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7. Cada corte es trazado en una planilla.

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8. A cada pieza se le deben de hacer otros cortes para que embonen con las

otras piezas. Ambas deben de tener una medida, para que embonen

correctamente.

6. Resultados.

Por medio de la recopilación de información, y el desarrollo de nuestro proyecto,

logramos llegar a una solución que ofrece resolver nuestro problema planteado y

un aspecto considerable en la reducción del desgaste ecológico y de materias

primas, por medio del uso del “diseño por cortes” buscamos reducir la cantidad de

material utilizado en la elaboración de diferentes objetos de la vida diaria, tal como

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muebles, herramientas, etc., además de facilitar el transporte de ellos, este tipo de

diseños ofrecen una capacidad de transporte más accesible y con el ahorro de

grandes espacios, al estar construidos los diseños a partir de láminas de

diferentes materiales posibles, como silicón, madera, polímeros, etc.

En la actualidad, la producción en masa de muebles y objetos para el uso diario,

han desgastado el ambiente y la disponibilidad de estas materias primas, por su

uso y desperdicio incorrecto, y por la cantidad de material utilizado en cada

producto. Como antes expusimos, el uso del diseño por cortes, brinda una

oportunidad para los productores en masa y para los compradores y

consumidores, de reducir el gasto en materiales y el desgaste ecológico que estos

representan, además de otras cualidades positivas que nuestra oferta puede

generar, estas son como antes mencionado, la simplificación del transporte y la

disminución del peso en estos productos.

Logramos visualizar la verdadera reducción en el uso de material, al calcular los

volúmenes de una pirámide convencional de 5.8 cm de base y 5.8cm de altura; la

pirámide convencional tiene un volumen de 65.37 cm3, mientras que una pirámide

con diseño por cortes es de 60.78 cm3, viendo una diferencia bastante

considerable en su volumen de 4.59 cm3, debe de recalcarse que nuestro diseño

de la pirámide es preliminar, y que por medio de la elaboración de proyecciones

más simplificadas, se puede reducir aún más el volumen de esta. Al compararlo

con los precios por materiales, se puede ver una gran disminución en estos, a

continuación exponemos los precios por materiales de la elaboración de nuestro

diseño.

Los precios base de la materia prima para realizar los cálculos de coste de nuestro

diseño en contraste con el convencional (sin cortes) son: los del aluminio, según el

Banco Mundial de diciembre de 2017, la madera dura ,tomando como referencia

las cifras de “International Tropical Timber Organization; Mokuzai Shikyo Geppo;

Banco Mundial” igualmente de diciembre de 2017 y finalmente el cemento tipo

relleno fluido con resistencia media, cotizado en una lista de concreto premezclado

elaborada según la Norma Mexicana del 1 de julio de 2017.

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Diseño de pirámide

Peso y precio por material

Madera Cemento Aluminio

Convencional 47.759

gr

0.32 $ 198.39 gr 0.08 $ 176.49gr 7.04 $

Por cortes 42.546

gr

0.30 $ 184.46 gr 0.07 $ 164.106gr 6.54 $

Como la tabla solamente nos muestra una diferencia a pequeña escala, a

continuación se hará una proyección gráfica con relación de 1 a 500 con el

prototipo.

500 Unidades Convencional Por cortes

Cemento $40.00 $35.00

Madera $162.00 $150.00

Aluminio $3,520.00 $3,270.00

Para finalizar, se realizó una estimación de número de unidades que podrían ser

fabricadas del prototipo con un presupuesto de 1000$ establecido.

1000 $ de Material Unidades Convencional Unidades Por cortes

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Cemento 12,500 14,285

Madera 3,125 3,333

Aluminio 142 153

El hecho de que estos diseños utilizan de forma menor estas materias, las cuales

han ido aumentando su precio en los últimos años por la gran demanda, ofrecen

incluso una producción más económica proporcional a una venta de menor costo,

contribuyendo en el aspecto ecológico, material, económico y de transporte, a los

productores y a los usuarios.

7. Análisis e interpretación de resultados.

Al desarrollar nuestra propuesta, creamos un prototipo del diseño por cortes

aplicado en una pirámide, el cual logró su objetivo de reducir el volumen, siendo la

pirámide de 5.8 cm x 5.8cm, redujo su volumen con el nuevo método de diseño de

figuras de 65.37 cm3 a 60.78 cm3, viendo una diferencia en su volumen de 4.59

cm3, equivalente al 7.021%, un valor reconocible y que por medio del uso de

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nuevos diseños y figuras, lograremos aumentar, para conseguir mayor eficiencia y

reducción del material.

Además, se notó una diferencia considerable en el peso y precio al momento de

utilizar el diseño por cortes. Por ejemplo, el mayor cambio en cuanto a peso, se

notó en el prototipo de madera, ya que el diseño por cortes tuvo una diferencia de

5.2 gramos con respecto al convencional, representando una pérdida de peso del

11%, mientras que con el aluminio y el cemento, la estructura tuvo en ambos

casos una caída en la masa del 7.1%.

En cuestión económica, los resultados obtenidos fueron que en promedio, los tres

prototipos realizados por medio del diseño por cortes redujeron su precio en un

10%, cifra importante considerando que el diseño aún puede tener más mejoras y

optimización. Debido a esto se realizaron unas proyecciones, la primera para

observar el ahorro que supondría la utilización de este diseño en una producción a

mayor escala, en este caso, de unas 500 unidades. La cantidad de dinero

ahorrado fue proporcional al precio del lote, teniendo desde un ahorro de 5$ MXN

con las unidades de madera hasta uno de 250$ MXN con las de aluminio. La

segunda proyección fue para diferenciar el número de unidades producidas con

uno u otro diseño, para así poder medir el rendimiento del capital frente a una

producción mayor. En esta gráfica, podemos darnos cuenta que se podrían llegar

a producir 1,785 unidades más en el caso del cemento, con un mismo

presupuesto, solo haciendo el cambio del diseño, mientras que con madera se

realizarían 208 unidades más y con el aluminio 11. Interpretando estos resultados

en resumen podemos darnos cuenta que se obtiene una mejora notable en la

producción, una reducción alta en precios, así como una disminución del peso

total del lote bastante grande.

8. Conclusiones.

Después de realizar un amplia investigación e identificar la actual crisis de

materiales que hay en el mundo, desarrollamos nuestro método de diseño por

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medio de cortes, después de plantearlo y ponerlo a prueba, logramos comprobar

nuestra hipótesis, ya que como antes mencionado en el apartado de resultados,

disminuyó el volumen y el precio de los ejemplos que expusimos, claro está, es un

prototipo, que por medio del refinamiento, se puede mejorar su eficiencia y reducir

aún más el gasto material y económico, consideramos que es necesaria la

implementación de este tipo de diseños, dado el estado mundial de crisis, y el

deterioro que cada vez avanza más. Al utilizar nuestro diseño por cortes, aplicado

en una pirámide de 5.8cm por 5.8cm, encontramos una diferencia de 4.59 cm3, lo

cual nos indica que vamos por un buen camino en el uso de esta técnica, la cual

puede ser llevada a cabo en varias ramas de la construcción, así como tener una

expansión importante en el campo comercial. Uno de nuestros enfoques para este

estilo de diseño por cortes, es el de la industria mueblera, al ser objetos de uso

diario y de mucha producción, nos da la oportunidad de utilizar estos diseños y

disminuir el gasto ecológico. Un posible aspecto a futuro, podría ser el uso de

materiales ecológicos y ambientalmente amigables, para contribuir en la lucha

contra la contaminación.

9. Fuentes de información.

● Pérez S. (2014). Impresoras 3D: ¿Qué materiales usan?. Marzo 4, 2018, de

Tecnonautas Sitio web: https://www.tecnonauta.com/notas/1881-

impresoras-3d-materiales

● Fischman N. (2016). ¿Cuánto cuesta imprimir en 3D?. Marzo 6, 2018, de

Trimaker Sitio web: https://trimaker.com/costo-de-la-impresion-3d-segun-

suprapixel/

● BBC Ciencia. (2011). Se acelera el consumo de los recursos naturales.

Marzo 4, 2018, de BBC Sitio web:

http://www.bbc.com/mundo/noticias/2011/05/110513_verde_recursos_natur

ales_lh

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● Gallardo, C. (2018). Proyecciones - Dibujo Técnico. Sites.google.com, 5

Marzo 2018, de Dibujo Técnico Sitio web:

https://sites.google.com/site/cecytedibujotecnico/proyecciones

● Lanubeartistica.es. (2018). 4.1. Proyecciones isométricas, 6 Marzo 2018, de

La Nube Artística Sitio web:

http://www.lanubeartistica.es/Dibujo_Tecnico_Primero/UD4/dt1_u4_tema1_

v02/41_proyecciones_isomtricas.html

● Anónimo. (2017). Madera dura Precio Mensual - Peso mexicano por Metro

cúbico. marzo 6, 2018, de Index mundi Sitio web:

https://www.indexmundi.com/es/precios-de-mercado/?mercancia=madera-

dura&moneda=mxn