Diseño de un prototipo de máquina de corte hidrodinámico a alta presión con desplazamiento automático

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Universidad Francisco Jose de Caldas

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Resumen

The development of automated mechanical solutions in academic and production environments represents a significant advance in the optimization of industrial processes, especially in contexts where precision, energy efficiency, and operational safety are crucial. Under this premise, this project addresses the design of a prototype high-pressure hydrodynamic cutting machine with automated movement, with the aim of improving the operating conditions of the Mechanical Workshop of the Technological Faculty of the Francisco José de Caldas District University. The proposed system is based on the principles of fluid mechanics, high-pressure hydraulics, and automation, integrating a positive displacement pump capable of generating pressures of up to 350 bar, a precision nozzle, and a guidance system driven by NEMA 23 stepper motors. A cutting head was designed to channel the fluid through a nozzle, allowing the sectioning of low- and medium-hardness materials without generating heat or altering the microstructure. CAD/CAE modeling and simulation tools such as ANSYS Fluent were implemented to develop the prototype to validate fluid behavior and analyze pressure and velocity distribution in the outlet channel. Selection criteria and dimensional constraints were also considered, ensuring durability, mechanical compatibility, and ease of maintenance. The result is a design geared toward both educational and pre-industrial needs, notable for its modularity, ease of operation, dimensional accuracy, and relatively low-cost construction feasibility. The solution offers a safe, ergonomic, and technically robust alternative to traditional cutting methods currently used, increasing efficiency, precision, safety, and quality in part cutting.

Descripción

El desarrollo de soluciones mecánicas automatizadas en entornos académicos y productivos representa un avance significativo en la optimización de procesos industriales, especialmente en contextos donde la precisión, la eficiencia energética y la seguridad operativa son determinantes. Bajo esta premisa, el presente proyecto aborda el diseño de un prototipo de máquina de corte hidrodinámico a alta presión con desplazamiento automatizado, con el objetivo de mejorar las condiciones operativas del Taller de Mecánica de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. El sistema propuesto se fundamenta en principios de la mecánica de fluidos, hidráulica de alta presión y automatización, integrando una bomba de desplazamiento positivo capaz de generar presiones de hasta 350 bar, una tobera de precisión y un sistema de guiado accionado por motores paso a paso NEMA 23. Se diseñó un cabezal de corte que canaliza el fluido mediante una boquilla, permitiendo el seccionamiento de materiales de baja y media dureza sin generación de calor ni alteraciones microestructurales. Para el desarrollo del prototipo se implementaron herramientas de modelado y simulación CAD/CAE como ANSYS Fluent, con el fin de validar el comportamiento del fluido, analizar la distribución de presión y velocidad en el canal de salida. De igual manera, se considerarán criterios de selección y restricciones dimensionales, buscando garantizar durabilidad, compatibilidad mecánica y facilidad de mantenimiento. El resultado es un diseño orientado tanto a fines pedagógicos como preindustriales, que destaca por su modularidad, facilidad de operación, precisión dimensional y viabilidad de construcción a bajo costo relativo. La solución plantea una alternativa segura, ergonómica y técnicamente robusta frente a los métodos de corte tradicionales empleados actualmente, lo que aumenta la eficiencia, precisión, seguridad y calidad en el corte de piezas.

Palabras clave

corte hidrodinámico, automatización, diseño mecánico, ANSYS, prototipo

Citación