DISEÑO DE UNA MÁQUINA EMPACADORA AL VACÍO, … · 10.1.2 Los costos de fabricación y ensamble....

DISEÑO DE UNA MÁQUINA EMPACADORA AL VACÍO, AUTOMÁTICA, PARA PIEZAS DE LICUADORAS

JHON SEBASTIÁN FIGUEROA SALAZAR CHRISTIAN FERNEY MARCA HERNÁNDEZ

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA FACULTAD DE INGENIERÍAS

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C.

2.018

DISEÑO DE UNA MÁQUINA EMPACADORA AL VACÍO, AUTOMÁTICA, PARA PIEZAS DE LICUADORAS

JHON SEBASTIÁN FIGUEROA SALAZAR CHRISTIAN FERNEY MARCA HERNÁNDEZ

PROYECTO INTEGRAL DE GRADO PARA OPTAR EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO

FUNDACIÓN UNIVERSIDAD DE AMÉRICA FACULTAD DE INGENIERÍAS

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C.

2.018

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Nota de aceptación: ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________

______________________________ Presidente del Jurado

Ing. Carlos Urrego

______________________________ Jurado 1

Ing. Oscar Ochoa

______________________________ Jurado 2

Ing. Edwin Rivera

Bogotá D.C. Febrero, 2.018

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DIRECTIVAS DE LA UNIVERSIDAD

Presidente de la Universidad y Rector del Claustro

Dr. Jaime Posada Díaz

Vicerrector de Desarrollo y Recursos Humanos

Dr. Luis Jaime Posada García-Peña

Vicerrectora Académica y de Posgrados

Dra. Ana Josefa Herrera Vargas

Secretario General

Dr. Juan Carlos Posada García-Peña

Decano Facultad de Ingenierías

Ing. Julio César Fuentes Arismendi

Director Ingeniería Mecánica

Ing. Carlos Mauricio Veloza Villamil

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Las directivas de la Universidad de América, los jurados calificadores y el cuerpo de docentes no son responsables por los criterios e ideas expuestas en el presente documento. Estos corresponden exclusivamente a los autores.

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El presente proyecto está dedicado a Dios, ya que gracias a él he podido concluir mi carrera. A mi madre Patricia Salazar Rincón pues ella fue el principal cimiento para la construcción de mi vida profesional, sentó en mí bases de responsabilidad y deseos de superación. A mis abuelos, mi tía y a mi novia por sus constantes consejos e incondicional apoyo; a mis amigos y compañeros quienes fueron parte de este proyecto.

Sebastián Figueroa S. Dedico este proyecto a Dios por guiar de su mano cada paso de mi carrera, a mi mamá Olga lucia Hernández por su apoyo incondicional, dedicación y esmero, a mi papá José Salomón Marca por su comprensión y paciencia, a mi hermano José Santiago por su confianza y lealtad, a mi novia Luz Dary por la motivación diaria, amigos y compañeros que contribuyeron en mi gran sueño.

Christian Marca H.

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Agradecemos a la empresa NALIET S.A.S - Nacional de Licuadoras, por brindarnos la oportunidad de hacer parte del proceso de mejorar la empresa, por su apoyo y toda la información suministrada. A los docentes y orientador por su dedicación.

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CONTENIDO

pág.

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 20

1. GENERALIDADES DE LA EMPRESA ......................................................................... 22 1.1 MISIÓN ...................................................................................................................... 22 1.2 VISIÓN ...................................................................................................................... 22 1.3 LOS PRODUCTOS .................................................................................................... 22 1.3.1 Vaso de plástico. .................................................................................................... 22 1.3.2 Base para vaso. ...................................................................................................... 23 1.3.3 Conjunto de Acople ................................................................................................. 24 1.3.4 Acople. .................................................................................................................... 24 1.3.5 Cuadrante. .............................................................................................................. 24 1.3.6 Collarín Niquelado. ................................................................................................. 25

2. DIAGNÓSTICO DE LA SITUACIÓN ACTUAL DEL PROCESO ................................. 277

3. MARCO REFERENCIAL ............................................................................................. 29 3.1 MERCADO ACTUAL DE LAS EMPACADORAS ....................................................... 29 3.1.1 Máquina termoformadora ........................................................................................ 29 3.1.2 Máquina blíster y skin pack ..................................................................................... 30 3.1.3 Máquina skin pack .................................................................................................. 30 3.1.4 Máquina MASTER SKIN 5070 ................................................................................ 31 3.2 TIPOS DE EMPAQUE EN EL TERMOFORMADO .................................................... 32 3.2.1 Blíster ..................................................................................................................... 32 3.2.2 Skin Pack ................................................................................................................ 32 3.3 PASOS PARA EL TERMOFORMADO....................................................................... 33 3.3.1 Sistema de calentamiento ....................................................................................... 33 3.3.2 Sistema de formado ................................................................................................ 34 3.4 POLÍMEROS APTOS PARA EL TERMOFORMADO ................................................. 34 3.4.1 Propiedades de los polímeros ................................................................................. 35 3.5 SISTEMAS DE CALENTAMIENTO ............................................................................ 38 3.5.1 Propiedades de la radiación. ................................................................................... 41 3.5.2 Aislantes térmicos. .................................................................................................. 42 3.5.3 Características de los aislantes térmicos ................................................................ 42 3.5.4Tipos de aislantes térmicos ...................................................................................... 42 3.6 SISTEMA DE VACÍO ................................................................................................. 43 3.7 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Y CORTE ................................................................. 46

4. PARÁMETROS Y REQUERIMIENTOS ....................................................................... 48 4.1 PARÁMETROS BÁSICOS ......................................................................................... 48 4.1.1 Ubicación. ............................................................................................................... 48 4.1.2 Caracterización del producto. ................................................................................. 49 4.2 REQUERIMIENTOS FUNCIONALES ........................................................................ 55

5. DISEÑO CONCEPTUAL, PLANTEAMIENTO Y EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS .. 59 5.1 DISEÑO CONCEPTUAL ............................................................................................ 59

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5.2 PLANTEAMIENTO DE ALTERNATIVAS ................................................................... 60 5.1.1 Alternativa 1 ............................................................................................................ 60 5.1.2 Alternativa 2. ........................................................................................................... 61 5.1.3 Alternativa 3 ............................................................................................................ 62 5.3 EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS .......................................................................... 63

6. CÁLCULOS Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS ............................................................ 67 6.1 SISTEMAS DE CALENTAMIENTO ............................................................................ 67 6.1.1 Selección del material. 70 6.1.2 Selección de aislante térmico.. ................................................................................ 72 6.1.3 Selección de materiales para cámara de vacío. . ................................................... 72 6.2 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Y CORTE ................................................................. 73 6.3 SISTEMA DE VACÍO ................................................................................................. 75 6.4 SISTEMA ESTRUCTURAL ........................................................................................ 83 6.4.1 Definición de la estructura ....................................................................................... 83 6.4.2 Cálculos estructurales ............................................................................................. 86 6.4.3 Diagramas de fuerza cortante y momento flector.. .................................................. 89 6.4.4 Cálculo de la columna.. ......................................................................................... 102 6.4.5 Cálculo de soldadura para la estructura.. .............................................................. 105 6.4.6 Cálculo de tornillos.. .............................................................................................. 110 6.4.7 Cálculos de rodamientos.. ..................................................................................... 113 6.4.8 Selección de pistón neumático.. ............................................................................ 117 6.5 SISTEMA DE PRENSADO. ..................................................................................... 118 6.6 SISTEMA DE CONTROL ......................................................................................... 120

7. ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS .................................................................... 121 7.1 ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA ............................................................................ 121

8. SISTEMA ELÉCTRICO Y DE CONTROL AUTOMÁTICO .......................................... 128

9. ELABORACIÓN DE MANUALES............................................................................... 138 9.1 MANUAL DE ENSAMBLE........................................................................................ 138

9.2 MANUAL DE OPERACIÓN ...................................................................................... 153 9.2.1 Recomendaciones de seguridad ........................................................................... 154 9.2.2 Encendido de la máquina ...................................................................................... 157 9.2.3 Precaución de operación ...................................................................................... 157 9.2.4 Operación manual ................................................................................................. 158 9.3 MANUAL DE MATENIMIENTO ................................................................................ 165

10. EVALUACIÓN FINANCIERA ................................................................................... 170 10.1 COSTOS ............................................................................................................... 170 10.1.1 Para los costos de ingeniería. ............................................................................. 170 10.1.2 Los costos de fabricación y ensamble. 171 10.1.3 Los costos de fabricación.). ................................................................................ 172 10.1.4 Los costos de operación y mantenimiento.. ........................................................ 173 10.2 ANÁLISIS FINACIERO .......................................................................................... 177

11. CONCLUSIONES .................................................................................................... 181

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12. RECOMENDACIONES ............................................................................................ 182

BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................. 183

ANEXOS ...................................................................................................................... 184

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LISTA DE TABLAS pág.

Tabla 1. Emisividad de algunos materiales 68 Tabla 2. Datos técnicos PVC (Cloruro de polivinilo) 71 Tabla 3. Rugosidad equivalente para tubos 78 Tabla 4. Coeficientes de pérdida para componentes de tubería 79 Tabla 5. Dimensiones tubos cuadrados 94 Tabla 6. Resistencia a la tracción 109 Tabla 7. Tamaños mínimos de cordón 110 Tabla 8. Propiedades de estudio de la máquina 122 Tabla 9. Geometría del estudio de la máquina 123 Tabla 10. Propiedades del material 123 Tabla 11. Cargas aplicadas 124 Tabla 12. Restricciones 124 Tabla 13. Resultados de desplazamiento 125 Tabla 14. Resultados de tensión de Von Mises 126 Tabla 15. Resultado de factor de seguridad 127

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LISTA DE CUADROS

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Cuadro 1. Código de identificación de los plásticos 35 Cuadro 2. Temperatura vítrea termoplásticos 37 Cuadro 3. Rangos de vacío 43 Cuadro 4. Especificaciones básicas bombas de vacío 45 Cuadro 5. Características vaso Oster 49 Cuadro 6. Características vaso Black & Decker 49 Cuadro 7. Características vaso Samurai 50 Cuadro 8. Base baquelita 6 puntas 50 Cuadro 9. Características base Black & Decker 50 Cuadro 10. Características base Samurai 51 Cuadro 11. Características conjunto Oster 51 Cuadro 12. Características tapa 51 Cuadro 13. Características visor tapa Oster 52 Cuadro 14. Características soportes para motor Oster 52 Cuadro 15. Características acople completo Oster 52 Cuadro 16. Características embrague Nowaque 53 Cuadro 17. Características anillo cromado Oster 53 Cuadro 18. Características embrague universal derecho 53 Cuadro 19. Características vaso de batido 54 Cuadro 20. Características base baquelita tres puntas 54 Cuadro 21. Listado de cantidades a empacar por ciclo 56 Cuadro 22. Asignación de ponderación 65 Cuadro 23. Ponderación de criterios 65 Cuadro 24. Ponderación lineal 66 Cuadro 25. Cálculo Score para cada alternativa 66 Cuadro 26. Recomendaciones de seguridad 154 Cuadro 27. Análisis causa y efecto 168 Cuadro 28. Rutina de mantenimiento 169 Cuadro 29. Costos de ingeniería 170 Cuadro 30. Costo de materiales 171 Cuadro 31. Costos de fabricación y montaje 172 Cuadro 32. Costo total de la inversión 173 Cuadro 33. Costo de operación y mantenimiento 173 Cuadro 34. Costo del operario 174 Cuadro 35. Costo del ayudante 174 Cuadro 36. Costo de operación actual 174 Cuadro 37. Costo del ciclo actual de empacado 175 Cuadro 38. Costos de ciclo de empacado con el proyecto 176 Cuadro 39. Costo actual de operación 176 Cuadro 40. Costo de operación con el proyecto 177 Cuadro 41. Comparativo de costos 177

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LISTA DE IMÁGENES

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Imagen 1. Vaso de plástico 23 Imagen 2. Base baquelita 23 Imagen 3. Conjunto de acople 24 Imagen 4. Acople 24 Imagen 5. Cuadrante 25 Imagen 6. Collarín 25 Imagen 7. Empaque actual de cuadrante 27 Imagen 8. Empaque actual de base baquelita 28 Imagen 9. Empaque actual collarín niquelado 28 Imagen 10. Máquina termoformadora Plymon 29 Imagen 11. Termoformadora al vacío 30 Imagen 12. Termoformadora skin pack 31 Imagen 13. Máquina skin pack 31 Imagen 14. Ejemplo de empaque blíster 32 Imagen 15. Ejemplo de empaque skin pack 33 Imagen 16. Primer paso (calentamiento) 34 Imagen 17. Segundo paso (formado) 34 Imagen 18. Curva esfuerzo vs elongación 36 Imagen 19. Curva resistencia a la torsión vs a temperatura 37 Imagen 20. Demanda en 2015 de resinas termoplásticas en el mundo 38 Imagen 21. Diferentes configuraciones de resistencias eléctricas tubulares 40 Imagen 22. Terminaciones de resistencias 40 Imagen 23. Distribución uniforme 41 Imagen 24. Ondas de radiación para material semitransparente 41 Imagen 25. Rangos de trabajo 44 Imagen 26. Aplicación de tensión 46 Imagen 27. Dimensiones de la superficie 48 Imagen 28. Vaso licuadora Oster 49 Imagen 29. Vaso licuadora Black & Decker 49 Imagen 30. Vaso de licuadora Samurai 50 Imagen 31. Base baquelita seis puntas Oster 50 Imagen 32. Base baquelita Black & Decker 50 Imagen 33. Base baquelita Samurai 51 Imagen 34. Conjunto licuadora Oster 51 Imagen 35. Tapa licuadora Oster 51 Imagen 36. Visor tapa Oster 52 Imagen 37. Soporte motor Oster 52 Imagen 38. Acople completo Oster 52 Imagen 39. Embrague Nowaque 53 Imagen 40. Anillo licuadora Oster 53 Imagen 41. Embrague universal derecho 53

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Imagen 42. Vaso para batidos 54 Imagen 43. Base baquelita tres puntas 54 Imagen 44. Distribución de vaso para batidos en el área de trabajo 55 Imagen 45. Cartón litográfico 57 Imagen 46. Estructura área de trabajo 57 Imagen 47. Diagrama servo motor tornillo sin fin 61 Imagen 48. Mecanismo biela manivela 62 Imagen 49. Sistema neumático 63 Imagen 50. Configuración final resistencia eléctrica 70 Imagen 51. Fibra de vidrio 72 Imagen 52. Cámara de vacío / orificios 72 Imagen 53. Esquema lateral rodillos de alimentación 73 Imagen 54. Vista frontal sistemas alimentación y corte 74 Imagen 55. Subsistema de corte 74 Imagen 56. Cuchilla de corte 75 Imagen 57. Rodillos 75 Imagen 58. Curva de capacidad de aspiración 80 Imagen 59. Unidad de mantenimiento 80 Imagen 60. Selección según la calidad de aire 81 Imagen 61. Selección de la función deseada 81 Imagen 62. Características generales 82 Imagen 63. Regulador de presión 82 Imagen 64. Paro de emergencia 83 Imagen 65. Vista lateral de la estructura 84 Imagen 66. Diseño ergonómico y antropometría 85 Imagen 67. Altura para clases de trabajo 85 Imagen 68. Puntos en los cuales se distribuye la carga en la estructura 87 Imagen 69. Masa actuadores y sistema de marco de sujeción 87 Imagen 70. Masa total actuadores y marco de sujeción 88 Imagen 71. Viga lateral 1 con par torsor 89 Imagen 72. Viga lateral 2 con par torsor 90 Imagen 73. Viga biempotrada 93 Imagen 74. Área media 96 Imagen 75. Primer perfil cuadrado a verificar 97 Imagen 76. Segundo perfil cuadrado a verificar 98 Imagen 77. Tercer perfil cuadrado a verificar 99 Imagen 78. Criterios de selección de factor de seguridad 100 Imagen 79. Coeficientes para K 103 Imagen 80. Unión critica 105 Imagen 81. Tipos de soldadura 105 Imagen 82. Requerimientos mecánicos para acero inoxidable 111 Imagen 83. Diagrama de cargas 113 Imagen 84. Espesor lámina de PVC 114 Imagen 85. Diámetro de vástago respecto a la carrera y la fuerza 117 Imagen 86. Montaje y aplicaciones de un cilindro 118

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Imagen 87. Esquema amortiguador a gas 119 Imagen 88. Perilla de seguridad 119 Imagen 89. Ensamble amortiguador a gas 119 Imagen 90. División por subsistemas 121 Imagen 91 Masa Total de la máquina 122 Imagen 92. Cargas aplicadas 123 Imagen 93. Restricciones 124 Imagen 94. Desplazamiento (traslación total) 125 Imagen 95. Esfuerzo de tensión de Von Mises 126 Imagen 96. Factor de seguridad 127 Imagen 97. Posición inicial caja de resistencias 128 Imagen 98. Posición inicial marco de sujeción 129 Imagen 99. Posición inicial actuadores neumáticos 129 Imagen 100. Posición inicial cuchilla 130 Imagen 101. Cierre manual marco de sujeción 130 Imagen 102. Movimiento del cajón de la resistencia 131 Imagen 103. Cierre del marco de sujeción y movimiento caja resistencia 132 Imagen 104. Apertura manual del marco de sujeción 132 Imagen 105. Esquema de programación para LOGO 133 Imagen 106. Diagrama neumático 135 Imagen 107. Entradas de posicionamiento 135 Imagen 108. Diagrama de estados 136 Imagen 109. Plano eléctrico 137 Imagen 110. Posición origen de la empacadora 138 Imagen 111. Ensamble 1 139 Imagen 112. Ensamble 2 139 Imagen 113. Montaje subsistema de calentamiento 140 Imagen 114. Ensamble 3 140 Imagen 115. Ensamble 4 140 Imagen 116. Ensamble 5 141 Imagen 117. Ensamble 6 141 Imagen 118. Ensamble 7 141 Imagen 119. Ensamble 8 142 Imagen 120. Ensamble 9 142 Imagen 121. Ensamble 10 142 Imagen 122. Instalación final de la recamara de vacío 143 Imagen 123. Ensamble 11 143 Imagen 124. Ensamble 12 144 Imagen 125. Ensamble 13 144 Imagen 126. Ensamble 14 145 Imagen 127. Subsistema de vacío Instalado 145 Imagen 128. Ensamble 15 146 Imagen 129. Ensamble 16 146 Imagen 130. Ensamble 17 147 Imagen 131. Ensamble 18 147

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Imagen 132. Ensamble 19 148 Imagen 133. Ensamble 20 148 Imagen 134. Ensamble 21 148 Imagen 135. Ensamble 22 149 Imagen 136. Ensamble 23 149 Imagen 137. Ensamble 24 150 Imagen 138. Ensamble 25 150 Imagen 139. Ensamble 26 151 Imagen 140. Ensamble 27 151 Imagen 141. Ensamble 28 152 Imagen 142. Ensamble 29 152 Imagen 143. Ensamble 30 153 Imagen 144. Descripción del equipo 153 Imagen 145. Obturador de paro de emergencia 157 Imagen 146. Mesa de trabajo libre de impurezas 157 Imagen 147. Origen de máquina 158 Imagen 148. Paso 1 159 Imagen 149. Paso 2 159 Imagen 150. Paso 3 160 Imagen 151. Paso 4 160 Imagen 152. Paso 5 160 Imagen 153. Paso 6 161 Imagen 154. Ubicación de los accesorios 161 Imagen 155. Paso 8 162 Imagen 156. Paso 9 162 Imagen 157. Paso 10 163 Imagen 158. Mantenimiento de rodamientos 165 Imagen 159. Inspección del subsistema de vacío 166 Imagen 160. Inspección de la recamara de vacío 166 Imagen 161. Inspección de la cuchilla de corte 167 Imagen 162. Inspección de resistencias 167 Imagen 163. Ubicación en la planta 193

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LISTA DE DIAGRAMAS pág.

Diagrama 1. Flujograma de solicitud de pedido 26 Diagrama 2. Esquema conceptual 59 Diagrama 3. Diagrama de cuerpo libre 91 Diagrama 4. Resumen manual de operación 164 Diagrama 5. Costo de operación actual 178 Diagrama 6. Costo de operación con el proyecto 179

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LISTA DE ANEXOS pág.

Anexo A. Sensores AIRON 184 Anexo B. Catalogo pistón sin vástago 185 Anexo C. Catálogo de cilindros neumáticos 186 Anexo D. Esfuerzo de fluencia AISI 304 187 Anexo E. Catálogo rodamientos 188 Anexo F. Catalogo bomba de vacío 189 Anexo G. Catalogo resistencias eléctricas tubulares 190 Anexo H. Catálogo de servo-motor SIEMENS 192 Anexo I. Catálogo tornillos TOLEDO 194 Anexo J. Catálogo de perfil cuadrado ARG 196 Anexo K. Cotización perfil – laminas LA CAMPANA 197 Anexo L. Cotización costo fabricación y montaje 198 Anexo M. Catálogo LOGO SIEMENS 199 Anexo N. Cuchilla de corte Rhino 200 Anexo O. Cotización taladrado 201 Anexo P. Planos de fabricación 202 Anexo Q. Ubicación en la planta 203

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RESUMEN En este proyecto se realizó el diseño de una máquina empacadora al vacío, automática, para piezas de licuadora, con el propósito de proteger y preservar el producto final, mejorar los tiempos de empacado dado que en la actualidad el proceso se realiza de manera manual. Inicialmente se priorizaron las variables, características y necesidades de la empresa y se realizó un estudio preliminar para encontrar la posible solución a este problema. Con esta información recopilada, se planteó un diseño preliminar con tres opciones, que permitieron desarrollar la mejor, con base en la funcionalidad y eficiencia de la máquina y al mismo tiempo satisfacer a conformidad la necesidad que requiere este proceso. Con los resultados obtenidos en los cálculos se llevó a cabo el diseño mecánico, comprobado con la simulación, mediante un modelo de elementos finitos (MEF) con un software NX 9.0. Con los datos precisos como dimensiones, material y funcionabilidad se procedió al diseño, la realización de manuales y planos detallados para su fabricación, ensamble, montaje, ubicación en la planta, mantenimiento, normas básicas de seguridad y evaluación financiera. Palabras claves: Diseño, empacadora al vacío, piezas de licuadora.

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INTRODUCCIÓN La importancia de este proyecto radica en empacar al vacío piezas de licuadora, con el fin de mejorar las condiciones de almacenamiento, traslado, envío y venta de los accesorios. Como consecuencia se espera generar mayor productividad y reducción de costos en el proceso, proporcionando valor agregado para sus productos y un aumento significativo en las ventas. El origen se presenta en la empresa NALIET (Nacional de Licuadoras) en los procesos de empaque de sus productos que en la actualidad se realizan de forma manual. El objetivo general es “diseñar una máquina empacadora al vacío, automática, para piezas de licuadoras”, que cumpla con las necesidades requeridas que se presentan en el proyecto. Para lograr este objetivo general se plantearon los siguientes objetivos específicos: Diagnosticar la situación actual de los procesos de empacado al vacío para

accesorios Establecer los parámetros básicos y requerimientos funcionales de la máquina Plantear y evaluar alternativas sobre el subsistema de elevación / descenso del

marco a automatizar Desarrollar el diseño detallado de la estructura, del subsistema de elevación y

del subsistema de vacío Simular el análisis estructural mediante el modelo de elementos finitos (MEF) Elaborar planos de fabricación, ensamble, montaje, ubicación en la planta y

sistema eléctrico y de control automático Elaborar los manuales de operación, montaje y mantenimiento de la máquina Evaluar financieramente el proyecto Con el cumplimiento de todos los objetivos se obtuvo el desarrollo del proyecto, teniendo como alcance el diseño y simulación computacional de una máquina empacadora al vacío. Dentro de las limitaciones del proyecto se encuentra que la fabricación del prototipo puesta en marcha o construcción de la misma, depende únicamente de la empresa encargada.

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Para el desarrollo funcional y productivo de la máquina se dispuso de una metodología fundamentada en el cumplimiento de todos los objetivos, siguiéndolos según su orden y sin omitir ninguno de ellos, apoyada en la información que fue recopilada para la toma de decisiones y solución a problemas dentro del diseño de la máquina. El significado en el área de empaque es satisfacer las necesidades de los problemas existentes, ya que se utilizará una máquina empacadora al vacío automática. Para la empresa es de gran importancia ya que dejará atrás los procesos manuales y avanzará con modelos actualizados. La aplicación no solo va dirigida a la empresa sino a cualquier compañía interesada en empacar piezas o accesorios en Colombia y en todo el mundo.

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1. GENERALIDADES DE LA EMPRESA NALIET S.A.S. –Nacional de Licuadoras- inició sus actividades en Bogotá, Colombia en el año 1.988. Fundada por Eduardo Torres Patiño, cuenta con más de 25 años de presencia y trayectoria en el mercado. Desde el comienzo de sus actividades la compañía se especializó en el suministro de productos e insumos relacionados con electrodomésticos, siempre apoyados con el conocimiento técnico de su talento humano. Actualmente están ubicados en Bogotá donde opera la planta de producción, centro de servicio y distribución.1 1.1 MISIÓN “Somos reconocidos por ser una organización fabricante de partes de electrodomésticos, buscando preservar la vida útil de los mismos mediante productos de alto rendimiento que satisfaga siempre las necesidades del cliente. Así mismo NALIET S.A.S tiene como objetivo el crecimiento sostenible de la empresa y desarrollo profesional de sus colaboradores.” 1.2 VISIÓN

“La empresa NALIET S.A.S. se visualiza para el 2.020 ser una empresa reconocida en el mercado nacional por el buen rendimiento de sus productos y por ser el mayor distribuidor a nivel nacional, contando con personal calificado para consolidarnos como ejemplo de éxito y rentabilidad en el sector de electrodomésticos.” 1.3 LOS PRODUCTOS Para el desarrollo de las piezas se acuden a diferentes máquinas de la empresa: una inyectora de plástico para hacer los vasos y compoteras, tornos para la fabricación de acoples y cuadrantes, una fresadora vertical para realizar el acabado superficial de las piezas y una máquina de termo-soplado para piezas específicas. En la empresa se realizan múltiples procesos de fabricación para los diferentes accesorios de licuadoras, a saber; 1.3.1 Vaso de plástico. Para la fabricación de este tipo de vaso se seleccionan materiales de alta calidad para dar al accesorio un alto brillo, una presentación económica y alta resistencia a golpes. Es compatible con licuadoras Oster y se puede observar en la Imagen 1.

1 NALIET S.A.S. Reseña histórica. [En línea]˂http://http://www.naliet.com.co/˃ [citado en noviembre de 2.016]

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Imagen 1. Vaso de Plástico

Fuente: [En línea] ˂http://www.naliet.com.co˃ [citado en noviembre de 2.016]

1.3.2 Base para vaso. Es también llamado aro porta cuchilla, sus materiales de fabricación generan alta brillantez y además es compatible con licuadoras Oster y se puede observar en la Imagen 2.2 Imagen 2. Base Baquelita Fuente: [En línea] ˂http://www.naliet.com.co˃ [citado en noviembre de 2.016]

2 NALIET S.A.S. Productos. [En línea]˂http://http://www.naliet.com.co/˃ [citado en noviembre de 2.016]

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1.3.3 Conjunto de Acople. Acople completo de alto rendimiento, alta duración, compatible con licuadoras Oster como se ilustra en la Imagen 3. Imagen 3. Conjunto Acople Fuente: [En línea] ˂http://www.naliet.com.co˃ [citado en noviembre de 2.016]

1.3.4 Acople. Este tipo de accesorio tiene un baño electrostático para mayor protección a la corrosión como se muestra en la Imagen 4.3 Imagen 4. Acople Fuente: [En línea] ˂http://www.naliet.com.co˃ [citado en noviembre de 2.016]

1.3.5 Cuadrante. Este cuadrante tiene un recubrimiento en níquel para una mayor protección contra la corrosión, tiene un proceso de templado para dar una alta durabilidad como se puede observar en la Imagen 5.

3 NALIET S.A.S. Productos. [En línea]˂http://http://www.naliet.com.co/˃ [citado en noviembre de 2.016]

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Imagen 5. Cuadrante Fuente: [En línea] ˂http://www.naliet.com.co˃ [citado en noviembre de 2.016]

1.3.6 Collarín Niquelado. Anillo en acero inoxidable, con una película de níquel para dar un alto brillo y evitar ralladuras en su superficie al ser manipulada como se ilustra en la imagen 6.4 Imagen 6. Collarín Fuente: [En línea] ˂http://www.naliet.com.co˃citado en noviembre de 2.016]

Flujograma de solicitud de pedido. En el flujograma se presentan los pasos a seguir en la compañía cuando ésta recibe cualquier solicitud de compra, la finalidad de éste es identificar claramente el área donde el proyecto a realizar tendrá participación ver área resaltada en el Diagrama 1.

4 NALIET S.A.S. productos. [En línea]˂http://http://www.naliet.com.co/˃ [citado en noviembre de 2.016]

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Diagrama 1. Flujograma de solicitud de pedido

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2. DIAGNÓSTICO DE LA SITUACIÓN ACTUAL DEL PROCESO Actualmente en la empresa NALIET S.A.S, se presenta una irregularidad en el proceso de empacado de los accesorios para licuadoras, dado que éste se realiza de forma manual con dispositivos provisionales como una selladora de plástico a pedal, zaranda mecánica con capacidad limitada para los accesorios pequeños. Lo anterior causa daños en las piezas en ocasiones por el tamaño de la pieza o la dificultad en la distribución, por lo cual es necesario acudir a la ayuda de empresas que brindan el servicio de empacado aumentando los costos del proceso. Por más de 26 años el proceso de empaque se ha llevado a cabo con la ayuda de dos operarios, en turnos de diez horas distribuidas semanalmente, así: los vasos en cajas de 36 unidades, los acoples en bolsas de 200 unidades, base licuadora en cajas de 324-500 unidades, las tapas en cajas de 210 unidades, collarín niquelado en bolsas de 100 unidades, soporte motor en cajas de 100 unidades, soportes para la licuadora en paquetes de 4 unidades y manijas en cajas de 200 unidades. Al ser un proceso repetitivo y manual los colaboradores trabajan largas jornadas con altos niveles de cansancio, limitando así su capacidad de atención al detalle y revisión del accesorio. Esto conlleva a que el conteo pueda ser erróneo, generando pérdidas para la compañía, sobrecostos y devoluciones. De esta forma, la producción en el área de empacado actualmente es de 1.000 piezas por jornada de ocho horas, mientras que el inventario ideal que maneja la compañía está dado mediante un stock de referencias, es decir una cantidad de accesorios que se mantienen a disposición de los pedidos. Por otra parte, el stock de reserva debe mantenerse abastecido constantemente para garantizar la venta de los productos y la cantidad de accesorios que se deban fabricar como se puede observar en las Imágenes 7,8 y 9. Imagen 7. Empaque actual de cuadrantes

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Imagen 8. Empaque actual base baquelita Imagen 9. Empaque actual collarín niquelado

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3. MARCO REFERENCIAL En la actualidad hay diversas máquinas para realizar el proceso de empacado al vacío de los accesorios, bien sean manuales o automáticas y debido a la demanda que presenta el país, existen algunas empresas que ofrecen dichos aparatos con infinidad de variables en su funcionamiento. El propósito fundamental de este capítulo es resaltar características y variables del proceso, para así realizar una evaluación cualitativa y definir los parámetros funcionales necesarios para al diseño de la empacadora. 3.1 MERCADO ACTUAL DE LAS EMPACADORAS 3.1.1 Máquina termoformadora. La máquina MOD-MTS1305 que se observa en la Imagen 10. tiene una superficie de formado de 52 cm x 52 cm. Esta máquina proporciona modelos para satisfacer la necesidad de industrias dedicadas a la fabricación de accesorios para automóviles, lápices, productos escolares, esmaltes y acondicionadores para uñas, productos farmacéuticos, para fotografía y equipamiento médico. Maneja un ancho de película de 0,5 – 0,8 mm de diferentes materiales como PVC, polietileno, foamy y acrílico.5 Imagen 10. Máquina termoformadora Plymon

Fuente: [En línea]˂http://www.plymon.com ˃ [citado en octubre de 2.016]

5 Fuente: PLYMON S.A. [En línea]˂http:// www.plymon.co m.mx/index_archivos/Page489 ˃ [citado en octubre de 2.016]

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3.1.2 Máquina blíster y skin pack. Esta máquina que se observa en la Imagen 11. tiene una superficie de formado de 54 cm x 39 cm, apta para el empacado de pruebas clínicas y de laboratorio. Utiliza como película de fusión PVC o PE (polietileno), con una velocidad de empaque de 50-60 paquete/hora y cuenta con ajuste del tiempo de calentamiento y ciclo de vacío digital.6 Imagen 11. Termoformadora al vacío Fuente: [En línea]˂ http:// www.maqpack.com.mx ˃ [citado en octubre de 2.016]

3.1.3 Máquina skin pack. La máquina de la Imagen 12. cuenta con una superficie de formado de 54 cm x 78 cm, con una velocidad de empaque 50-60 paquetes hora y maneja un ancho de película de 0,4 - 1mm. Además de las anteriores características cuenta con un control medidor de consumo eléctrico y en la parte superior tiene un poderoso marco de calentamiento con elementos infrarrojos para un proceso rápido y uniforme.7

6 Fuente: MAQPACK. S.A [En línea]˂http://www.maqpack.com.mx/empacadoras-de-vacio/ ˃ [citado en octubre de 2.016] 7 Fuente: INTERTEC S.A. [En línea]˂ http://www.intertec.com.co/otra-maquinas ˃ [citado en octubre de 2.016]

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Imagen 12. Termoformadora skin pack Fuente: [En línea]˂http://www.intertec.com ˃ [citado en octubre de 2.016]

3.1.4 Máquina MASTER SKIN 5070. Máquina Skin pack con ciclo automático para el embalaje de piezas de repuesto y herramientas, está representada en la Imagen 13, es ideal para objetos de pequeñas, medianas o grandes dimensiones, entre cartón y lámina de plástico transparente. Modelo con dimensiones máximas 500 x 700mm, film utilizable PVC, alimentación 380 V trifásica, potencia máxima 30 kW, alimentación neumática 4-6 bares, peso de la máquina 245 kgf.8 Imagen 13. Máquina Skin pack Fuente: [En línea]˂ http://www.fer-plast.com ˃ [citado en octubre de 2.016]

8 Fuente: FER-PLAST.S.N. C [En línea]˂ http://www.fer-plast.com ˃ [citado en octubre de 2.016]

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Se realiza la comparación de las fichas técnicas de las máquinas nombradas anteriormente, destacando los métodos de calentamiento, el tiempo que tarda un ciclo de empacado, alimentación y automatización para de esta manera reunir las principales cualidades que llevan a un buen termoformado y así desarrollar el diseño de una máquina que solucione el problema de empacado y esta lleve las garantías que la industria ofrece. El proceso de termoformado consiste en calentar una hoja o lámina de plástico termoformable, hasta que pase de ser rígida a ser lo bastante blanda para que, al colocarla sobre los accesorios, ésta adopte la forma del mismo mediante la succión de vacío y así puedan ser copiados hasta los más mínimos detalles del accesorio a empacar9. 3.2 TIPOS DE EMPAQUE EN EL TERMOFORMADO 3.2.1 Blíster. Este es un tipo de embalaje o empaque que contiene uno o más productos que se pondrán a la venta. Está compuesto de dos materiales principales: la cavidad termoformada a la medida del producto a empacar y el cartón, acrílico o lámina de plástico que se sella a la cavidad termoformada previamente y así el producto queda encapsulado entre el cartón o lámina de plástico y la cavidad. Esta cavidad permite que el producto se observe claramente, permitiendo una excelente exhibición en el mercado, libre de suciedad y golpes, como se observa en la Imagen 14. Imagen 14. Ejemplo de empaque Blíster Fuente: [En línea]˂ http:// www.blimar.com ˃ [Citado en Enero de 2.018]

3.2.2 Skin Pack. Envase skin o empaque al vacío se compone de un respaldo de cartón o lámina de plástico al que se adhiere el producto con una fina capa de film plástico. Su aspecto, aunque similar al blíster, se diferencia en el proceso de fabricación ya que en éste se hace necesaria una matriz y en el Skin Pack la lámina de plástico es puesta directamente sobre los accesorios a empacar. Los accesorios y el cartón son puestos sobre un área de trabajo en donde se genera vacío, la

9 Fuente: Tesis “Termoformadora al vacío alimentada por rodillos diseño y construcción” Autores Jairo Ernesto España Jurado y Juan Carlos Delgado Sanabria. Universidad Industrial de Santander. [Citado en Enero de 2.018] [En línea] ˂ http://studylib.es/doc/8103044/termoformadora-al-vacio-alimentada-por-rodillo.-dise%C3%B1o-y- ˃

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película de plástico se calienta y envuelve los accesorios y el cartón, luego se produce vacío y el aire circundante entre la lámina de plástico y el accesorio es succionado y así la película de plástico se adhiere firmemente al cartón y al accesorio. Por último, se retira de la máquina y es troquelado o cortado según la necesidad como se observa en la Imagen 15. Imagen 15. Ejemplo de empaque Skin Pack Fuente: [En línea] ˂ http://www.karton-druk.pl ˃ [Citado en Enero de 2.018]

Con lo anteriormente expuesto se puede concluir que el tipo de acabado para el empaque de las piezas de licuadora que más se adapta a las necesidades de la empresa es el Skin Pack, debido a que las piezas de licuadoras quedan totalmente protegidas por la lámina de PVC. Adicional a esto el producto se observa estético y ayuda a su fácil venta. 3.3 PASOS PARA EL TERMOFORMADO El proceso de termoformado se basa principalmente en dos pasos: El primero es el calentamiento y el segundo es el formado. 3.3.1 Sistema de calentamiento. Es un proceso de gran importancia ya que debe ser preciso y repetible para obtener unos resultados predecibles ciclo a ciclo. “El sistema de calentamiento es además un factor clave cuando se analiza la economía de la operación de termoformado ya que se puede considerar que, dentro del consumo neto de energía de la máquina, el 80% se consume para calentar la lámina de plástico”10, de acuerdo con lo que se observa en la Imagen 16.

10 Fuente: Tesis “Termoformadora al vacío alimentada por rodillos diseño y construcción” Autores Jairo Ernesto España Jurado y Juan Carlos Delgado Sanabria. Universidad Industrial de Santander.

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Imagen 16. Primer paso (calentamiento) Fuente: [En línea] ˂ http://www.fabrinco.com/wp- content/uploads/2014/05/Tutorial_Fabrinco _Termo formado.pdf ˃ [Citado en Enero de 2.018]

3.3.2 Sistema de formado. “Una vez calentado el plástico, éste desciende por un mecanismo de modo que se deforma y se adapta al contorno del accesorio. El sistema de vacío succiona el aire circundante entre el accesorio y el plástico, después de adaptarse el plástico al accesorio para copiar su forma y detalles.” 11Lo último que se realiza en el proceso es dejar enfriar y recortar el material excedente y así obtener la pieza ya empacada, como se observa en la Imagen 17. Imagen 17. Segundo paso (formado) Fuente: [En línea] ˂ http://www.fabrinco.com/wp- content/ uploads/2014/05/Tutorial_Fabrinco _Termo formado.pdf ˃ [Citado en Enero de 2.018]

3.4 POLÍMEROS APTOS PARA EL TERMOFORMADO Los materiales para termoformar son siempre termoplásticos con bajo calor específico, es decir, de rápido enfriamiento y calentamiento, que además cuentan con buena transmisión de calor.

[Citado en Enero de 2.018] [En línea] ˂http://studylib.es/doc/8103044/termoformadora-al-vacio-alimentada-por-rodillo.-dise%C3%B1o-y- ˃ 11 Fuente: “Tutorial_Fabrinco_Termoformado” [En línea] ˂ http://www.fabrinco.com/wp-content/uploads/2014/05/Tutorial_Fabrinco_Termoformado.pdf ˃ [Citado en Enero de 2.018]

Vacío

Accesorio Lámina plástico

Accesorios Lámina plástico

Calentadores

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Dichos plásticos, cuando son sometidos al calentamiento, presentan una variación en su módulo de elasticidad, capacidad de resistencia bajo carga y dureza. Por consecuencia, la lámina termoplástica formable a escoger debe tener una alta resistencia a la fusión (alto peso molecular) lo que significa que, al momento de ablandarse, el material es capaz de soportar su propio peso12, en el cuadro 1 se pueden observar los códigos de identificación de algunos termoplásticos. Cuadro 1. Código de identificación de los plásticos

3.4.1 Propiedades de los polímeros. Factores que influyen directamente al film plástico durante el proceso de termoformado y que garantizan la adecuada elección del polímero según el Tutorial de Fabrico el cual describe de forma cuidadosa dichos factores que afectan la productividad y explícitamente a la calidad final del producto. Absorción de humedad. Hace referencia a la cantidad de humedad retenida en la

superficie de la lámina que, al momento de ser calentado, forma pequeñas burbujas que afectan el tiempo de calentamiento. En casos críticos, la humedad puede afectar las propiedades del material y la apariencia de la pieza

Comportamiento a la fricción. Dado que la lámina debe ser sujetada para el

descenso y acenso, se debe garantizar el empuje que ocurrirá entre la lámina y el accesorio, pues esta etapa ocasionará una desigual distribución del espesor. Por otro lado, si se tiene mucha fricción esto provocará que la lámina se pegue al marco de sujeción al momento del contacto

Orientación. Este factor es considerado como parte del diseño porque la

orientación molecular a la cual fue producido el elemento, afecta la resistencia

12Fuente: [En línea] ˂ http://www.fabrinco.com/wp-content/uploads/2014/05/Tutorial_Fabrinco _Ter moformado.pdf ˃[Citado en Enero de 2.018]

SÍMBOLO (ISO)

NOMBRE COMPLETO DEL TERMOPLÁSTICO

PMMA Polimetacrilato

POM Poliacetal

PA66 Poliamida 66

PA6 Poliamida 6

PC Policarbonato

PVC Cloruro de polivinilo

ABS Acrilonitrilo butadieno-estireno

PP Polipropileno

PBTP Polibutilen-tereftalato

PPO Polioxido de fenileno

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del material. Si un material fue estirado a una dirección, éste generalmente se vuelve más fuerte en esa dirección y más débil en la dirección opuesta. Además, en la formación final se verán pequeños detalles de la película sin adherirse al accesorio

Carga estática. Factor tomado como fundamental para entregar un accesorio limpio y agradable al consumidor final pues las láminas termoplásticas se cargan electroestáticamente durante la sujeción y procesamiento del material, y pueden llegar a pegarse impurezas de material anteriormente cortado u otras partículas del medio13

Debido a que la elección del termoplástico es un factor de importancia, se acude a analizar mediante gráficos los diferentes aspectos físicos e ingenieriles. Imagen 18. Curvas de esfuerzo vs. Elongación Fuente: Tesis “Termoformadora al vacío alimentada por rodillos diseño y construcción” Autores Jairo Ernesto España Jurado y Juan Carlos Delgado Sanabria. Universidad Industrial de Santander. Página 22.

Se observan en la Imagen 18 los diferentes termoplásticos, destacando de esta forma el bajo peso, resistencia mecánica y al impacto.

13 Fuente: Tesis “Termoformadora al vacío alimentada por rodillos diseño y construcción” Autores Jairo Ernesto España Jurado y Juan Carlos Delgado Sanabria. Universidad Industrial de Santander. [Citado en Enero de 2.018] [En línea] ˂ http://studylib.es/doc/8103044/termoformadora-al-vacio-alimentada-por-rodillo.-dise%C3%B1o-y- ˃

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Imagen 19. Curvas de resistencia a la tensión vs. Temperatura.

Fuente: Tesis “Termoformadora al vacío alimentada por rodillos diseño y construcción” Autores Jairo Ernesto España Jurado y Juan Carlos Delgado Sanabria. Universidad Industrial de Santander. Página 22

En la Imagen 19 se nota una progresiva disminución de la resistencia a la tensión, a medida que la temperatura aumenta. Temperatura de transición vítrea (Tg). Es la temperatura en la que se reblandecen los polímeros, es decir pasa de un estado rígido (condiciones normales) a un estado flexible (maleable: que puede ser moldeado o trabajado con facilidad14). Es el valor de extrema importancia en ingeniería de polímeros, pues indica la temperatura de trabajo del plástico, por ende, determina si éste puede ser utilizado para una aplicación dada, en el Cuadro 2 se observan las temperaturas de transición de algunos polímeros. Cuadro 2. Temperatura vítrea termoplástica.

Polímero Tg en °C

ABS 110

Poliacetal 85

Nylon 6 50

Poliacrilonitrilo 87

Policarbonato 152

Policloruro de vinilo 80

Politereftalato de etileno (PET) 80

Fuente: Tesis “Termoformadora al vacío alimentada por rodillos diseño y construcción”

14 Fuente: [En línea] https://www.google.com.co/search?q=maleable&oq=maleable&aqs=chrome.. 69i57.2561j0j7&sourceid=chrome&ie=UTF-8. ˃ [Citado en Enero de 2.018]

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Autores Jairo Ernesto España Jurado y Juan Carlos Delgado Sanabria. Universidad Industrial de Santander. Página 22

En la Imagen 20 se pueden observar los termoplásticos más accesibles en el mercado. Imagen 20. Demanda en 2015 de resinas termoplásticas en el mundo Fuente: [En línea] ˂ http://www.plastico.com ˃ [Citado en Enero

de 2.018]

3.5 SISTEMAS DE CALENTAMIENTO En el proceso de termoformado, el tiempo de calentamiento y la distribución uniforme de la temperatura son factores importantes para el reblandecimiento necesario de la lámina para garantizar la debida adherencia entre ésta, el accesorio y el cartón. “Al definir la temperatura y el ciclo de formado se evitará que a baja temperatura se concentren los esfuerzos internos en el accesorio que, posteriormente, con cambios bruscos en la temperatura ambiente se revelan en forma de fisuras o craqueo. Una alta temperatura en el accesorio ocasiona marcas y burbujas debido a que se funde parte de la lámina. Este es un punto clave para analizar la economía de la operación de termoformado porque éste es un proceso intensivo de energía”15. Es por esto que se analizan los diferentes métodos de transferencia de calor: Hornos de gas por convección. Usualmente son grandes pues se calientan

láminas con fuentes de energía como gas y electricidad; el primero mucho más barato, pero el segundo ofrece un control de temperatura mucho mejor. Los ciclos de tiempo para estas láminas son grandes ocasionando que no sea económicamente factible

15 Fuente: Manual de termoformado [En línea] https ://tecnologia3bunlp .files .word press.com

/2015/03 / m anual-determoformado.pdf Autor: Plastiglas de Mexico [Citado en Enero de 2.018]

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Por contacto. Consiste en hacer contacto directo entre la lámina y una placa de metal, ambas calentadas bien sea por gas o resistencias eléctricas incrustadas en la parte opuesta de la placa. Este método requiere asegurar el contacto apropiado ya que puede quedar aire atrapado, ocasionando un calentamiento zonificado y no uniforme, además es un método muy lento perjudicando la velocidad de producción

Hornos de radiación. El suministro es dado por unidades de resistencias

eléctricas porque proveen un calentamiento uniforme y pueden, en cierto grado, secar algunos materiales que contengan cierto porcentaje de humedad. Estos hornos proveen un gran margen de seguridad con respecto a las variaciones entre temperatura y tiempo en los ciclos de termoformado, lo ideal para obtener una temperatura homogénea. La superficie de la lámina PVC absorbe la energía infrarroja emitida por los calentadores y el calor es conducido desde la superficie que recibe hasta el interior de la misma16

Los diferentes tipos de calentadores por radiación están clasificados en tubular o barra, que son encontrados en hornos eléctricos y estufas, tienen bajo costo y requieren reflectores ya que la energía es radiada en todas direcciones. También existen los cerámicos o pírex, consistentes en un conductor eléctrico recubierto por algún cerámico o vidrio pírex respectivamente, usualmente en forma de panel y las resistencias en cuarzo que ofrecen una distribución de energía infrarroja muy dinámica y rápida, aunque las lámparas infrarrojas son rara vez utilizadas en el termoformado.

Los rangos de temperaturas para el conformado del PVC sustraído de la Tabla 2 los datos técnicos del PVC, son: Límite inferior del procesamiento. Representa la temperatura más baja a la cual

la lámina puede ser formada sin tensiones indebidas 60°C - 70°C Temperatura superior. Representa la temperatura a la cual el material está siendo

afectado por el calor, esto se puede distinguir al producirse un cambio de color en la superficie, un brillo extremo, burbujas, desgarro de la superficie o que el material deje de ser procesable. La lámina empieza su fusión a 150°C Tabla 2.

Temperatura fija. Representa la temperatura a la cual la lámina debe ser

deformada bajo carga normalmente o llamada temperatura de trabajo, entre 75°C a 85°C

Para estas temperaturas y estos espesores lo más adecuado es considerar como tipo de calentador las resistencias eléctricas infrarrojas dado que este método de

16 FUENTE: [En línea] ˂http://docplayer.es/30700039-Jairo-ernesto-espana-jurado-juan-carlos-delgado-sanabria.html [Citado en Enero de 2.018]

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transmisión es eficaz al transformar más del 85% de la energía en calor, es económico al haber pocas pérdidas de calor, es ecológico al no generar gases nocivos, es silencioso y su emisividad es recomendable. Emisividad. “Es una comparación que se le hacen a todos los materiales para saber que tanto pueden producir radiación térmica, este valor es la razón entre la radiación emitida por la superficie del material a una temperatura dada y la radiación emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura del material, este valor va desde 0 hasta 1 se denota por (Ɛ) épsilon, este valor es adimensional, siendo Ɛ= 1 para cuerpos negros”17 Para el calentamiento del aire o mediante radiación infrarroja, existen algunos tipos de formatos en su configuración, terminaciones y materiales de fabricación: silicona, acero inoxidable, cobre, cerámica y cuarzo. Alcanzando una potencia superficial de 35 w/cm2, el diámetro de las resistencias es sugerido por el fabricante (Ver Anexo G) entre 1/4”, 3/8”, ½”. En la imagen 21 y 22 se pueden observar las diferentes configuraciones de las resistencias eléctricas tubulares y el tipo de terminaciones que existen. Imagen 21. Diferentes configuraciones resistencias eléctricas tubulares.

Fuente: [En línea] http://www.sitecingenieria.com/resistenciatubulares.html [Citado en Enero de 2.018]

17Fuente: LIBRO “Transferencia de calor y masa” Cuarta edición – Autor: Cengel - capítulo 1. [Citado en Enero de 2.018]

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Imagen 22. Terminaciones de resistencias.

Fuente: [En línea] http://www.sitecingenieria.com/resistenciatubulares.html [Citado en Enero de 2.018]

El calentamiento por radiación infrarroja se puede obtener usando resistencias eléctricas de espiral (tipo resorte) o agrupando lámparas de luz infrarroja. Para lograr una distribución del calentamiento más uniforme, se puede observar en la Imagen 23 el montaje entre los elementos de calentamiento y el material, una red o malla metálica que funcione como difusor de temperatura. Imagen 23. Distribución uniforme

Fuente: [En línea] http://jcdresistencias.galeon.com/resist1.htm [Citado en Enero de 2.018]

3.5.1 Propiedades de la radiación. La mayoría de los materiales utilizados son opacos a la radiación térmica ya que la radiación es un fenómeno que solo actúa superficialmente, la radiación térmica que es emitida o absorbida por materiales actúa a las primeras micras de la superficie, otros materiales como el agua y el vidrio no tienen este mismo fenómeno ya que al ser semitransparentes todo el volumen del material interactúa con la radiación, esta penetra hasta profundidades considerables18. 18 Fuente: LIBRO “Transferencia de calor y masa” Cuarta edición – Autor: Cengel - capítulo 1. [Citado en Enero de 2.018]

http://jcdresistencias.galeon.com/resist1.htm

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Imagen 24. Ondas de radiación para un material semitransparente

Fuente: Transferencia de calor y masa. Yunus A. Cengel. Pagina 28 . [Citado en Enero de 2.018] En la Imagen 24 se puede observar cómo se comporta la onda de radiación incidente en un cuerpo semitransparente, se denota como actúan la absorción, reflexión, transmisión cuando chocan con la superficie del polímero a calentar. 3.5.2 Aislantes térmicos. “Son materiales que se opone a la transferencia de calor, este se evalúa por medio de la resistencia térmica, el cual indica la capacidad que tiene el material para aislar, las unidades son: (SI) m2K/w, el criterio para evaluar si el material es un aislante térmico es por su coeficiente de conductividad térmica (λ), que debe ser inferior a λ < 0,10 W/m2K a 20 °C”. 19 3.5.3 Características de los aislantes térmicos. La principal particularidad es que poseen baja conductividad térmica, cuya función es evitar pérdidas o ganancias de calor, están hechos de materiales con un coeficiente de calor bajo, están formados por celdillas de aire en reposo, esto ayuda a que se reduzcan la transferencia de calor. Es fundamental ubicar un aislante térmico ya que éste participará directamente en la economía con un ahorro energético, evitará perdidas de energía; el aislante térmico ayudará con la eficiencia del sistema controlando la tasa de transferencia de calor hacia el medio. 3.5.4 Tipos de aislantes térmicos. El mercado ofrece diferentes tipos de aislantes térmicos, dependiendo de su forma y composición, los más reconocidos y eficientes son las fibras minerales que son procesados por la fusión de materiales como roca para obtener lana de roca, escoria para obtener lana escoria, vidrio o cerámica para

19 Fuente: [En línea]˂https://www.ecured.cu /Aislamiento_t%C3%A9rmico ˃

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obtener fibra de vidrio o cerámica, estos son convertidos en fibra a alta velocidad o a través de dados de estirado. Estas fibras están distribuidas de modo multidireccional y dividen finalmente la trasferencia de calor clasificadas según la cantidad de calor que se desea aislar. Lana de escoria. Está compuesta por fibras fabricadas a partir de la fundición de

escoria mineral de alto horno, combinada con rocas naturales o aglutinantes dependiendo del producto. Generalmente la lana mineral está compuesta con 70% de escoria mineral de alto horno y el resto materia prima roca natural” ”coeficiente de transferencia de calor bajo = 0,033 BTU.in/ft2.h°F ”20

Fibra de vidrio. La fibra de vidrio es obtenida de la fundición y procesamiento del vidrio, siendo este un material flexible, muy resistente al calor, ligero, fuerte y duradero. “Coeficiente de transferencia de calor bajo = 0,033 W/m°C”21.

3.6 SISTEMA DE VACÍO “El vacío es el estado de un gas en el cual la densidad parcial de sus partículas es inferior a la de la atmósfera de la superficie terrestre. Por norma, en neumática se indica la presión como sobrepresión”.22 En la práctica, el vacío consiste en la extracción del aire contenido en un espacio, para este caso la cámara de vacío. Las fuerzas de formado más utilizadas en el proceso de termoformado son: vacío o despresurización de aire, fuerzas mecánicas como pueden ser el doblado, estirado o sujeción de las láminas en caliente y la combinación de éstas. Generalmente está condicionada por el tamaño del producto, volumen a producir y la velocidad de los ciclos de formado, en el Cuadro 3 se pueden observar lo rangos de vacío. Cuadro 3. Rangos de vacío

Rango de vacío Presión (mbar) Densidad de moléculas/cm3

Vacío grueso 1013 – 1 1019 – 1016

Vacío medio 1 – 10-3 1016 – 1013

Alto vacío 10-3 – 10-7 1013 – 109

Ultra alto vacío < 10-7 < 109

Fuente: [En línea] http://www.uhv.es/sites/milka/doc/Curso%20de%20vacio%20Tecnovac.pdf

Autor: TECNOVAC DE VACIO S.L [Citado en Enero de 2.018]

El vacío producido por la extracción del aire es quizás el método más conocido para transformar una lámina de plástico en un recubrimiento útil. Como se ha explicado,

20 Fuente: [En línea]˂http://fiberglasscolombia.com/wp-content/uploads/2015/04/NTAisl-Ind54.pdf ˃ 21 Fuente: [En línea]˂http://fiberglasscolombia.com/wp-content/uploads/2015/06/catalogo-General-de-Aislamientos.pdf ˃[Citado en Diciembre de 2.017] 22 FUENTE: FESTO [En línea] https://www.festo.com/cms/es-co_co/9814.htm [Citado en Enero de 2.018]

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el principio básico del proceso de termoformado al vacío es recubrir con una lámina termoplástica reblandecida un accesorio o pieza entre una lámina de cartón puesta sobre la mesa de trabajo, donde el aire atrapado en la cámara de vacío será evacuado por la fuerza de succión. Inmediatamente que el aire es succionado, se genera una presión por debajo de la atmosférica sobre la superficie de la lámina, por lo tanto, la presión atmosférica forzará a la hoja calentada a ocupar los espacios desocupados. Para ello se acude a diferentes equipos de vacío o bombas de vacío, de diafragma, de paletas o de rotor excéntrico, proporcionando un buen vacío. Todas éstas con la ayuda de un tanque o compresor de reserva que sirva como acumulador de vacío, garantizando desplazar un gran volumen de aire, en la Imagen 25. se pueden observar los rangos de trabajo para los distintos rangos de vacío. Imagen 25. Rangos de trabajo Fuente: [En línea] http://www.uhv.es/sites/milka/doc/.pdf [Citado en Enero de 2.018]

La instalación de la red de tubería entre el tanque de almacenamiento y la cámara de vacío deberá ser lo más corta posible, de pocos codos y con las válvulas necesarias. Durante la instalación de ésta es indispensable asegurar que no se presenten fugas de aire. Las válvulas usuales en el termoformado son de acción rápida o de bola. Las bombas de vacío están disponibles en 1 o 2 pasos clasificando de esta forma la capacidad de presión de succión. Por ejemplo, las bombas de vacío de un paso pueden evacuar presiones de alrededor de 5 psi, mientras que una de dos pasos posee una capacidad de desplazamiento o evacuación de alrededor de 10 psi. En general, se requiere de un diámetro de una pulgada (1”) en la tubería

para desplazar 1𝑓𝑡3 de aire y para piezas grandes un diámetro de 2 a 3 pulgadas, de acuerdo con lo mencionado, se presentan las especificaciones para bombas de vacío en el Cuadro 4.

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Cuadro 4. Especificaciones básicas bombas de vacío

Fuente:[En línea] http://www.uhv.es/sites/milka/doc/Curso%20de%20vacio%20Tecnovac.pdf Autor:

TECNOVAC DE VACIO S.L [Citado en Enero de 2.018]

En el área del termoformado se sugiere tener en cuenta que la presión de trabajo es de aproximadamente de 10 psi, alrededor de 21 inhg (530 mmhg) de vacío, y el volumen del tanque de almacenamiento deberá ser 2,5 veces mayor al volumen comprendido entre la caja de vacío y la tubería. Dado que se requiere precisión en cada parte del proceso, se sugiere reducir lo más posible la fricción en la tubería (evitando codos a 90°) y cambios en la sección transversal (diámetros) de la tubería. Es conveniente instalar una válvula de reducción de presión y un manómetro, así como filtro a la entrada del molde para eliminar el agua que pueda condensarse en el sistema y pueda corroer el equipo. Es indispensable también instalar una válvula de reducción de presión y un manómetro, así como un filtro de impurezas a la entrada de la cámara de vacío para todas aquellas partículas que también puedan ser succionadas causando posibles daños y de esta forma 23evidenciar que estos equipos requieren un mantenimiento periódico. Es muy importante desplazar el mayor volumen de aire entre la cámara de vacío y la lámina reblandecida en lapsos de tiempo cortos, se pueden utilizar en la mesa de trabajo “orificios de 1/2" o 1" para casos donde el accesorio tenga geometría curva o en forma de domos. El diámetro de los orificios de vacío deberá ser ligeramente menor al espesor de material, tendrá un diámetro equivalente al espesor final de la pieza o accesorio a termoformar. Se puede considerar que un rango apropiado está entre 1/32" hasta 1/8" de diámetro”, 24 en éste caso de 1/8” debido a que los accesorios no son expuestos directamente con la mesa de trabajo, es decir, los antepone la lámina de cartón litográfico donde resultará terminado el skin pack.

23 24 Fuente: Manual de termoformado [En línea] https ://tecnologia3bunlp .files .word press.com /2015/03 / m anual-determoformado.pdf Autor: Plastiglas de Mexico [Citado en Abril de 2.017]

ESPECIFICACIONES CAPACIDAD TEÓRICA DE VACÍO

No. DE CILINDROS

DIÁMETRO (mm)

CARRERA (mm)

UN PASO (m/min)

DOS PASOS (m/min)

VELOCIDAD (rpm)

POTENCIA REQUERIDA (kW)

DÍAM. DE SALIDA DE LA TUBERÍA

1 76 70 0,255 N/A 800 0,56 19

2 76 70 0,453 0,255 800 0,74 25

2 102 70 0,85 0,453 800 1,48 32

2 127 80 1,4 0,85 750 2,2/3,7 38

2 140 102 2,8 1,4 900 3,7 52

3 140 102 4,22 2,8 900 5,6 52

46

La forma y el material de la cámara de vacío deben garantizar que no existan fugas originadas en los extremos o bordes debido al método que se utilice para unir (soldadura o epóxidos). Generalmente se emplea madera (pino, caoba, cedro, triplex, aglomerado) gracias a su baja conductividad térmica, bajo costo y liviano, siendo ideal para una mediana producción al favorecer la lámina reblandecida que al momento del contacto no se genere un choque térmico y que ésta se enfríe. Las cámaras de vacío fabricadas en minerales o resina poliéster (poliuretano rígido) poseen propiedades térmicas apropiadas para producciones medianas. El material propio para altas producciones es el aluminio por su resistencia mecánica, pues soporta las fuerzas de formado ejercidas por la succión de aire y el mecanizado que requieren los orificios. Se sugiere que para algunos casos se puedan combinar materiales si es necesario, teniendo suma precaución en el método de unión25. 3.7 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Y CORTE Control de tensión. Teóricamente se define a la tensión como la fuerza que se ejerce a una banda continua de material en la dirección longitudinal de la máquina Como se observa en la Imagen 26 la tensión total que se puede aplicar al film plástico PVC se determina como el estiramiento que puede alcanzar al colgar el 25% de peso del mismo al borde del film. Imagen 26. Aplicación de tensión Fuente: Tesis de una máquina cortadora rebobinadora de papel Autor Alex Rodolfo Guzmán [En línea] http:// bibdigital.epn .edu. ec/handle/15000/723 [Citado en Enero de 2.018]

25 Fuente: Manual de termoformado [En línea] https ://tecnologia3bunlp .files .word press.com /2015/03 / m anual-determoformado.pdf Autor: Plastiglas de Mexico [Citado en Enero de 2.018]

Film PVC

47

La tensión se mide en Newton por metro lineal (Nml) o en libras por pulgada lineal (pli), por medio de la siguiente ecuación se puede definir que un MLI será igual a la masa dividido por el ancho de la banda de film de PVC.

𝑁𝑚𝑙 =Tension total (N)

Ancho de la banda film de PVC (m)

Ecuación referenciada de la Mecánica de Control de Tensión26; Es de gran importancia controlar el film de plástico por medio de una tensión apropiada ya que sin ella sería imposible garantizar la dirección de la misma. Esta tensión debe realizarse entre el rodillo guía y los rodillos impulsores de la máquina. El film se debe alinear perpendicularmente a los rodillos nombrados anteriormente durante toda la ruta del proceso, esto quiere decir que si no se obtiene la tensión necesaria el film tiende a deslizarse de lado a lado sobre la superficie de los rodillos o si la tensión es excesiva puede provocar sobre estiramiento del film.

26Fuente: [En línea] ˂ www.pffc-online.com; Mecánica de Control de Tensión; PArt ll; magazine; December 2004.˃ [Citado en Enero de 2.018]

48

4. PARÁMETROS Y REQUERIMIENTOS 4.1 PARÁMETROS BÁSICOS Para determinar los parámetros básicos es importante definir la disposición del espacio en donde va a ir ubicada la máquina ya que de éste depende la facilidad y practicidad del diseño. También se debe contar con el espacio para su montaje y mantenimiento y adicional a esto, es necesario tener en cuenta las características de los accesorios a empacar. 4.1.1 Ubicación. La empresa dispone para esta máquina un espacio de 2,0m x 4,0m en el área de almacenamiento de la planta baja que consta de 5,0m x 8,0m x 2,0m en donde se prevé la manipulación y operación de ésta. Delimitando de esta forma el acceso al área de almacenamiento que mide 1,0m x 2,0m, cuenta con un suministro de electricidad de 220v trifásica para disposición de la máquina y el compresor, como se observa en la Imagen 33. Imagen 27. Dimensiones de la superficie

EMPACADORA

4,0 m

6,0 m

49

4.1.2 Caracterización del producto. Desde la Imagen 28 a la 43 se observan los accesorios a empacar y desde el Cuadro 5 al 20 se nombran las características principales y dimensiones. Imagen 28. Vaso licuadora Oster Cuadro 5. Características vaso Oster

Imagen 29. Vaso licuadora Black & Decker Cuadro 6. Características vaso

Dimensiones

h = 210 mm

Ø1 = 115 mm

Ø2 = 68 mm

Masa 266 g

Material Polietileno Cristal

Dimensiones

h = 230 mm

Ø1 = 120 mm

Ø2 = 65 mm

Masa 234 g


50

Imagen 30. Vaso licuadora Samurai Cuadro 7. Características vaso

Imagen 31. Base baquelita Oster 6 puntas Cuadro 8. Características base Imagen 32. Base baquelita Black & Cuadro 9. Características base Decker

Dimensiones

h = 250 mm

Ø1 = 135 mm

Ø2 = 65 mm

Masa 239 g


Dimensiones

h = 38 mm

Ø1 = 80 mm

Ø2 = 90 mm

Masa 53 g

Material PVC

Dimensiones

h = 55 mm

Ø1 = 110 mm

Ø2 = 120 mm

Masa 86 g

Material PVC

51

Imagen 33. Base baquelita Samurai Cuadro 10. Características base

Imagen 34. Conjunto licuadora Oster Cuadro 11. Características conjunto Imagen 35. Tapa licuadora Oster Cuadro 12. Características tapa

Dimensiones

h = 50 mm

Ø1 = 115 mm

Ø2 = 120 mm

Masa 45 g

Material PVC

Dimensiones

h = 250 mm

Ø1 = 135 mm

Ø2 = 115 mm

Masa 435 g


Dimensiones h = 45 mm

150 x 150 mm

Masa 113 g

Material PVC

52

Imagen 36. Visor tapa Oster Cuadro 13. Características visor

Imagen 37. Soporte motor Oster Cuadro 14. Características soporte

Imagen 38. Acople completo Oster Cuadro 15. Características acople


Ø = 60 mm

Masa 23 g



Ø = 19 mm

Masa 23 g

Material PVC


Ø = 31 mm

Masa 17 g

Material Acero 12 L 14

53

Imagen 39. Embrague Nowaque Cuadro 16. Características

Imagen 40. Anillo licuadora Oster Cuadro 17. Características anillo

Imagen 41. Embrague universal derecho Cuadro 18. Características

Dimensiones h = 6,5 mm

Ø = 13 mm

Masa 18 g

Material PVC


Ø = 110 mm

Masa 56 g

Material ABS


Ø = 39 mm

Masa 13 g

Material Caucho

54

Imagen 42. Vaso para batidos Cuadro 19. Características vaso

Fuente: [En línea] ˂http://www.naliet.com.co˃ [citado en noviembre de 2.016]

Imagen 43. Base baquelita 3 puntas Cuadro 20. Características base

La caracterización de los productos a empacar se realizó para delimitar las medidas de interés, referenciar los materiales en los que están elaboradas las piezas y determinar cuáles de ellas poseen una geometría compleja.


Ø = 83 mm

Masa 33 g

Material Polietileno


Ø = 80 mm

Masa 53 g

Material PVC

55

Para el desarrollo de la máquina empacadora al vacío, se deben tener en cuenta todas las posibles variables externas e internas que pueden ser relevantes para su buen funcionamiento. 4.2 REQUERIMIENTOS FUNCIONALES Durante el desarrollo de la máquina hay ciertos requerimientos funcionales de gran importancia en el empacado al vacío, tales como; Elección del termoplástico. De acuerdo con el análisis previo se toma como mejor

opción de lámina a deformar el PVC (Cloruro de polivinilo), debido a que es un material resistente a la abrasión, liviano, resistencia mecánica y al impacto

Suministro eléctrico. Debe tener un suministro de energía eléctrico. Del mismo

modo debe garantizar alta facilidad de conexión; la máquina debe tener un suministro trifásico, que alimente el motor, por lo que el sistema eléctrico debe cumplir con las siguientes condiciones: corriente alterna, con un voltaje de 220 (trifásico), con una frecuencia de 60 Hz

Material del equipo. Para la correcta selección del tipo de material a usar se debe

tener en cuenta que el proceso de termoformado está dado mediante la aplicación de calor y presión al sistema hasta que la película de plástico se adapte a los accesorios por completo. También proponer como factores importantes la economía, durabilidad y estética

Capacidad a empacar. Para hacer una distribución eficiente de los accesorios se

calculó el máximo de accesorios que pueden empacarse de acuerdo a la geometría de la pieza que se estableció anteriormente ver Cuadro 21 y a la medida requerida de la superficie de trabajo. Se toma como ejemplo la distribución del vaso para batidos mostrado en la Imagen 44;

Imagen 44. Distribución del vaso para batidos en el área de trabajo

56

Cuadro 21. Listado de cantidades a empacar por ciclo

Cartón litográfico. El skin pack se compone de un respaldo de cartulina o lámina

de cartón al que se adhiere el producto con una fina capa de film plástico. Este respaldo de cartón ayuda a darle forma, estabilidad y rigidez al producto en donde se realiza la impresión del diseño (datos del producto empacado y quién lo empaca). La cartulina debe ser esmaltada de alta blancura y brillo, con respaldo color natural café, diseñada para resaltar la impresión y elegancia

La empresa, preocupada por el impacto ecológico, decide implementar en este proyecto políticas de responsabilidad social y compromiso con el medio ambiente eligiendo productos alternativos sostenibles de alto desempeño provenientes del reciclaje, que se conoce en el mercado nacional como Propalcote, material 100% fibra virgen de caña de azúcar y resistente al proceso de termoformado. Los criterios de ingeniería están dados a garantizar que se filtre la succión de vacío mediante micros agujeros repartidos en todo el cuerpo del cartón litográfico, como se puede ver en la Imagen 45 y garantizar, mediante la silueta impresa en la cartulina del accesorio correspondiente a empacar, evitar que el operario coloque en diferente posición la pieza afectando la cantidad a empacar en cada ciclo.

Lista de accesorios Cantidad a empacar por ciclo Imagen

1 Vaso licuadora Black & Decker 6 29

2 Vaso licuadora Samurai 6 30

3 Base baquelita seis puntas Oster 22 31

4 Base baquelita Black & Decker 22 32

5 Base baquelita Samurai 22 33

6 Conjunto licuadora Oster 6 34

7 Tapa licuadora Oster 28 35

8 Visor tapa Oster 40 36

9 Soporte motor Oster 22 37

10 Acople completo Oster 48 38

11 Embrague Nowaque 40 39

12 Anillo licuadora Oster 28 40

13 Embrague derecho Universal 28 41

14 Vaso para batidos 15 42

15 Base baquelita tres puntas Oster 28 43

57

Imagen 45. Cartón litográfico.

Fuente: [En línea] ˂http://www.propal.com.co/empaques/ [Citado en Enero de 2.018]

Superficie de trabajo. El requerimiento es de 75 cm x 100 cm y, dado que la

empresa desea empacar la mayor cantidad de accesorios en esta superficie, debido al mecanismo de sujeción, se requieren 5 cm de material por cada lado para su correcta deflexión al termoformar, como se observa en la Imagen 46.

Imagen 46. Estructura área de trabajo

58

Automatización y control. Constituye uno de los objetivos más importantes del proyecto en busca de competitividad en un entorno industrial evolutivo y consiste en la incorporación de un conjunto de elementos y dispositivos tecnológicos que aseguren excelente control y buen funcionamiento tales como transductores, temporizadores, dispositivos lógicos de control, lógica cableada, actuadores neumáticos. De esta manera, utilizando tecnologías industriales en el proceso de empacado, los gastos de mantenimiento serán mínimos y la máquina será de fácil manipulación. La selección del controlador a utilizar debe ser de manejo simple, fácil montaje y económico para las siguientes operaciones;

Movimiento horizontal de la caja de resistencias

Ascenso y descenso del marco de sujeción

Monitoreo de resistencias eléctricas

Accionamiento de bomba de vacío

Alimentación y c0orte del film PVC

59

5. DISEÑO CONCEPTUAL, PLANTEAMIENTO Y EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS

5.1 DISEÑO CONCEPTUAL Dentro del diseño se aplican las condiciones y requerimientos planteados anteriormente y la empacadora al vacío propuesta consta de cuatro subsistemas como lo muestra el Diagrama 2, los cuales van acoplados entre sí para darle funcionalidad completa a la máquina. Diagrama 2. Esquema conceptual

A continuación, se describe paso a paso el funcionamiento de la máquina durante un ciclo de trabajo, dividido en etapas. Etapa 1. Ubicar el cartón con adhesivo y los accesorios debidamente distribuidos a empacar sobre la superficie de trabajo. Etapa 2. Alimentación del rollo de película por medio de rodillos al cuadro móvil.

60

Etapa3. Corte de película PVC por medio de una cuchilla acoplada al mecanismo neumático (pistón sin vástago). Etapa4. Encendido de resistencias para deformar parcialmente la película PVC. Etapa 5. Descenso del cuadro móvil por medio de actuadores neumáticos de doble efecto. Etapa 6. A medida que el cuadro móvil desciende, se enciende la bomba de vacío para extraer el aire circundante entre el cartón y la película PVC. Etapa 7. Ascenso del cuadro móvil. Etapa 8. Retirar los accesorios para su correspondiente corte por parte del operario. Una vez realizadas las ocho etapas se cumplirá un ciclo de trabajo, es decir se empacarán los respectivos productos y las cantidades calculadas en el Cuadro 21. 5.2 PLANTEAMIENTO DE ALTERNATIVAS En esta sección se plantearán alternativas para el mecanismo de descenso del marco de sujeción las cuales van a ser analizadas de acuerdo a su funcionalidad. De esta manera se tuvieron en cuenta sus ventajas y desventajas, para determinar la opción más viable, teniendo en cuenta los diversos factores planteados con anterioridad. Para garantizar con anticipación los mejores tiempos y alta eficiencia en la operación de empacado se plantean tres alternativas de automatización basadas en el mecanismo de descenso del marco móvil, por tanto, se considera que este subsistema es de carácter importante, pues desde que el plástico se encuentre en las condiciones necesarias para ser adherido junto con el accesorio y el cartón, no debe transcurrir más de uno a dos minutos aproximadamente. Para la evaluación de las alternativas se fijan algunos aspectos que son comunes entre ellas como que el sistema de vacío será el mismo pues el volumen a succionar no cambiará. El sistema y método de calentamiento tampoco afectan, ya que el volumen a calentar no se modificará y el aspecto de alimentación y corte tampoco variará. Por último, el uso de un compresor es vital para el proceso de termoformado utilizado para el sistema de vacío, corte y desplazamiento de resistencias. La masa del marco de sujeción es de aproximadamente 28 Kg, siendo éste el valor significativo durante la evaluación de las tres alternativas. Dicho esto, se proponen los siguientes mecanismos;

61

5.1.1 Alternativa 1. Servomotor con tornillo sin fin. Este mecanismo está compuesto principalmente por un par de tornillos sin fin (A) instalados correspondientemente a los costados de la estructura como se puede ver en la Imagen 47, sujetos en uno de sus extremos mediante pasadores (B) a las vigas laterales de la estructura; mientras que en el otro extremo llevará un acople directo a un servo motor. Para controlar la alineación y el balance de los servomotores se utilizará un controlador de lógica cableada. La acción de ascenso y descenso del marco de sujeción se completa tras el acople de éste por un pasador roscado fijo (C) al tornillo sin fin, que aprovechará el movimiento rotativo del tornillo para que, por medio de éste realice el movimiento horizontal. Teniendo como referencia un diámetro de tornillo sin fin entre 630mm y 800mm, un paso de hélice entre 450mm y 500mm; se estima que tenga una capacidad aproximada de empaque de quince a veinte piezas por hora, según geometría de la pieza seleccionada. Imagen 47. Diagrama servo tornillo sin fin

5.1.2 Alternativa 2. Mecanismo biela manivela. Este mecanismo irá ensamblado en ambos costados de la estructura. Está compuesto por tres barras, la barra (A), biela, lleva en uno de sus extremos el eje de transmisión del motor eléctrico monofásico, al otro extremo está unido por un pasador a la barra (B) manivela. Ésta es la encargada de transformar el movimiento rotacional en un movimiento de traslación; en el extremo restante está unida al centro de la manivela (C) cuya barra esta fija a la estructura en un extremo y en el otro unido a la corredera fija en el cuadro móvil, las uniones revolutas permiten movimiento de rotación (1 grado de libertad) cumpliendo con la acción de ascenso y descenso del marco móvil como se observa

Pasador fijo (C)

Su

pe

rficie

de

trab

ajo

Ma

rco

de

su

jeció

n

Sistema de Calentamiento

Sistema de Vacío

Par de Servos

Tornillos sin fin

(B)

62

en la Imagen 48. Para estimar el nivel de piezas empacadas se promedió el tiempo de ascenso y descenso del mecanismo respecto al número de eslabones y cantidades de componentes mecánicos que se deben mover por ciclo. Se promedia que aproximadamente tenga una capacidad de empaque de veinte a veinticinco piezas por hora, según geometría de la pieza seleccionada. Imagen 48. Mecanismo biela manivela 5.1.3 Alternativa 3. Sistema neumático. Este sistema está compuesto principalmente por dos actuadores neumáticos ubicados a los costados de la estructura de la superficie de trabajo. Consiste en la unión entre el marco de sujeción y un actuador neumático. Ambos pistones serán ensamblados y soportados mediante un pie de amigo unidos por pernos al perfil estructural, su funcionamiento se llevará a cabo una vez la película esté reblandecida y previamente cortada. Los cilindros pistón mostrados en la Imagen 49 se ubicarán de forma vertical y actuarán paralelamente. Mediante este sistema se logrará el movimiento ascendente y descendente del marco de sujeción, cumpliendo de esta forma un ciclo de trabajo. Para promediar la capacidad de empaque se tuvo en cuenta la rapidez que tienen estos actuadores al trabajar secuencialmente en conjunto, promediando una capacidad de empaque de veinticinco a treinta piezas por hora, según geometría de la pieza seleccionada.

(C)

Corredera

(A)

(B)

Ma

rco

de

su

jeció

n

Su

pe

rficie

d

e tra

ba

jo


Sistema de Vacío

Motor

Biela manivela

63

Imagen 49. Sistema neumático 5.3 EVALUACIÓN DE ALTERNATIVAS Para la evaluación de alternativas del subsistema se ha planteado de forma estratégica un método de ponderación lineal Scoring dado que es una forma sencilla de identificar la alternativa adecuada en un problema de decisión multicriterio y nos permite establecer una alternativa adecuada que cumpla con los requerimientos planteados para este diseño. Para calcular el método Scoring se utiliza la siguiente fórmula; extraida del Método cualitativo multicriterio-Método Scoring;

𝑆𝑗 = ∑ 𝑊𝑖 𝑟𝑖𝑗

𝑖

Donde: 𝑟𝑖𝑗 = rating de la alternativa j en funcion de criterio i

𝑊𝑖 = ponderación para cada criterio i

𝑠𝑖 = score para alternativa J El método Scoring se divide en las siguientes etapas; Identificar una meta general del problema Identificar las alternativas

Ma

rco

de

su

jeció

n

Cilindro Pistón

Su

pe

rficie

d

e tra

ba

jo

Sistema de Vacío


Actuadores Neumáticos

64

Listar los criterios a emplear en la toma de decisión Asignar una ponderación para cada uno de los criterios Establecer en cuánto satisface cada alternativa a nivel de cada uno de los

criterios Calcular el puntaje para cada una de las alternativas. La alternativa con el puntaje

más alto representará la alternativa a recomendar27 Identificación del problema; con este método se pretende identificar cuál de los dispositivos se adapta mejor a la operación de ascenso/descenso del marco móvil. Identificación de alternativas; como se explicó anteriormente las alternativas escogidas son: Servo motor tornillo sin fin Mecanismo biela manivela Sistema neumático Listado de criterios; estas alternativas deben cumplir los siguientes criterios Generación de ruido. El ruido en recintos cerrados suele ser contaminante y la

proporción de éste es debida al número de componentes mecánicos en ejecución durante un el ciclo de empaque o al número de máquinas que dependan del proceso de empacado.

Nivel de producción. Se promedió un estimado de piezas a empacar por hora

para cada alternativa, según el mecanismo que predomina en cada una. Consumo de energía. El tipo de suministro de la máquina va a ser eléctrico y

neumático para algunos sistemas, dependiendo del subsistema, variado así el consumo por el número de componentes en las diferentes alternativas.

Funcionabilidad/maniobrabilidad. Considerando que es una labor que debe

desempeñar un operario y que de ello depende el trabajo eficiente entre ciclo y ciclo

27 Fuente: ROCHE- Autor Hugo. Método cualitativo multicriterio-Método Scoring. Universidad Uruguay. [En linea] ˂http://www.ccee.edu.uy/ensenian/catmetad/material/MdA-Scoring-AHP.pdf˃ [Citado en Enero de 2.018]

65

Fácil mantenimiento. El mantenimiento debe ser elaborado de tal forma que facilite su realización en el menor tiempo posible y teniendo en cuenta que entre menos piezas mecánicas se componga el mecanismo, el mantenimiento preventivo y correctivo será eficaz.

Asignación de ponderación para cada uno de los criterios.

En este método se realiza una calificación para evaluar los requerimientos, su calificación será de 1 a 5 como se muestra en el Cuadro 22; Cuadro 22. Asignación de ponderación

1 Muy poco importante

2 Poco importante

3 Importancia media

4 Algo importante

5 Muy importante

Fuente: [En linea] ˂ http://www.ccee.edu.uy/ensenian/catmetad /material/MdA-Scoring-AHP.pdf [Citado en Enero de 2.018]

Con la ponderación establecida se continúa con la calificación de los criterios seleccionados en el Cuadro 23. Cuadro 23 Ponderación de criterios

Criterios Ponderación

1. Generación de ruido 2

2. Nivel de producción 5

3. Consumo de energía 4

4. Funcionabilidad/maniobrabilidad 4

5. Fácil mantenimiento 5

Fuente: [En linea] ˂http://www.ccee.edu.uy/ensenian/catmetad/material/ MdA-Scoring-AHP.pdf [Citado en Enero de 2.018]

En el Cuadro 24 se establece cuánto satisface cada alternativa a nivel de cada uno de los criterios; para empezar con este punto primero se asigna una calificación de 9 puntos en donde 1 será extra bajo y 9 muy alto.

66

Cuadro 24. Ponderación lineal Fuente: [En linea] ˂ http://www.ccee.edu.uy.pdf [Citado en Enero de 2.018]

Teniendo las alternativas de diseño, se establecen los niveles de importancia para cada una, posteriormente es realizando el cálculo por el método Score que se puede evidenciar en el Cuadro 25. Cuadro 25. Cálculo de Score para cada alternativa

Criterios

Ponderación

Wi

Servomotor tornillo sin

fin ri1

Mecanismo biela manivela

ri2

Sistema neumático

ri3

1. Generación de ruido

2 4 3 8

2. Nivel de producción

5 6 7 2

3.Consumo de energía

4 5 4 9

4. Funcionalidad /maniobrabilidad

4 5 5 8

5. Fácil mantenimiento

5 2 7 5

20 22 26 32

Como resultado del método Scoring la alternativa con mayor puntuación es la del sistema neumático, Alternativa (3).

Extra bajo 1

Muy bajo 2

Bajo 3

Poco bajo 4

Medio 5

Poco alto 6

Alto 7

Muy alto 8

Extra alto 9

http://www.ccee.edu.uy.pdf/

67

6. CÁLCULOS Y SELECCIÓN DE ELEMENTOS Se puede considerar que la termoformadora al vacío está formada por varios subsistemas que, integrados permiten la obtención de los diferentes tipos de termoformado y así lograr el empaque deseado. El diseño y selección se realizó de acuerdo con cada uno de dichos subsistemas. Los subsistemas que componen la termoformadora son: Sistema de Calentamiento Sistema de Vacío Sistema de Prensado Sistema Estructural Sistema de Alimentación y Corte Sistema de Control 6.1 SISTEMAS DE CALENTAMIENTO Cálculo de la resistencia. Para el cálculo de la resistencia eléctrica se definió el método de transferencia de calor que se acopla al subsistema de calentamiento, en este caso es por radiación a un fluido estático o parcialmente estable siendo despreciable y ya que “la transferencia de calor a través del vacío solo se produce por radiación, ya que la conducción o la convección requieren de la presencia de un medio material” 28 , por otro lado se descartó “la convección debido a que la potencia es positiva cuando el flujo de calor va del fluido al cuerpo y es negativa cuando va del cuerpo al fluido. La constante de proporcionalidad depende de las características del sistema en cuestión y es positiva para que la potencia recibida sea positiva cuando el fluido está más caliente que el cuerpo”. 29, éstas referencias y postulados experimentalmente conllevo a aplicar la siguiente fórmula de radiación que fue tomada del libro Transferencia De Calor de B.V. Karlekar y R.M. Desmond 𝑄𝑟𝑎𝑑 = ℰ 𝑥 𝜎 𝑥 𝐴𝑠 𝑥 (∆𝑇)

Donde;

𝑄𝑟𝑎𝑑 = Cantidad de calor cedida o recibida por radiación ℰ = Superficie de emisividad

𝜎 = Constante de Stefan-Boltzmann 𝐴𝑠 = Área a calentar ∆𝑇 = Variación de temperaturas entre temperatura inicial y final 28 Fuente: LIBRO “Transferencia de calor y masa” Cuarta edición – Autor: Cengel - capítulo 1. [Citado en Enero de 2.018] 29Fuente: [En línea] http://sgcg.es/articulos/2014/08/16/transferencia-de-calor-por-conveccion-2-ley-de-newton/ [Citado en Febrero de 2.018]

68

Para poder hallar 𝑄𝑟𝑎𝑑 es necesario obtener el factor de emisividad que se encuentra en la Tabla 1, después calcular el área que se desea calentar del film PVC y establecer las temperaturas de frontera, también es necesario parametrizar el tiempo requerido. Inicialmente se debe calcular el área a calentar de un rectángulo con la fórmula básica equivalente a base por altura.

𝐴𝑠 = 𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑥 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎

𝐴𝑠 = 0,9 𝑚 𝑥 0,65 𝑚

𝐴𝑠 = 0,585 𝑚2 Una vez se obtiene el As (área a calentar) se procede a seleccionar la emisividad de la superficie del material de fabricación de la resistencia tubular (acero inoxidable), tomada de la Tabla 1,

Taba 1. Emisividades de algunos materiales

Fuente: Autor: Cengel - capítulo 1. [Citado en Enero de 2.018]

69

Luego de hallar los datos anteriores se tomó la constante de Stefan-Boltzmann: σ=5.67 x10 -8 W/ m2 siendo está la razón máxima de radiación que se puede emitir desde una superficie a una temperatura termodinámica Ts en grados kelvin, tomada del libro Transferencia de Calor de Cengel Yunus. Por ultimo establecer las temperaturas de frontera que están definidas como la resta de la temperatura a la que se desea llegar 85°C (358°K) y la temperatura ambiente o alrededores 16 °C (289°K) elevadas a la potencia cuarta correspondientemente, en grados Kelvin temperatura absoluta, tomada del libro Transferencia de Calor de Cengel Yunus.

𝑇𝑠4 − 𝑇𝑎𝑙𝑟𝑒𝑑4 = ∆𝑇 Remplazando;

358°𝐾4 − 289°𝐾4 = 9,540,253,455𝑘4 El tiempo que se necesita para calentar dicho volumen es muy importante debido a que es un criterio que se debe tomar según el proceso y es proporcional a la cantidad de ciclos que se pueden realizar por minuto, para este caso específico se tomarán 10 segundos. Remplazando cada cifra en la ecuación se obtiene que;

𝑄𝑟𝑎𝑑 = ℰ 𝑥 𝜎 𝑥 𝐴𝑠 𝑥 (∆𝑇)

𝑄𝑟𝑎𝑑 = 0,17 𝑥 5.67x 10−8 xW

m2 𝑥 0,585 𝑚2 𝑥 9,540,253,455°𝑘4

𝑄𝑟𝑎𝑑 = 53,288 𝑊 ≈ 55 𝑊 ⟶ 0,055 𝑘𝑊 De acuerdo con el valor calculado se denota que la cifra no es crítica y que se debe comparar con otras máquinas que realicen operaciones similares tales como las termoformadoras que se nombraron en el marco referencial, por ejemplo, la máquina MASTER SKIN 5070 que trabaja con un par de resistencias muy cortas de 10 mm de diámetro y una capacidad de 30 KW; concluyendo de tal forma que el valor es propio de estos procesos. Por último, para garantizar el calentamiento uniforme sobre todo el film de PVC se elige a partir del catálogo de la empresa Electricfor (ANEXO G) la configuración de la resistencia de 4 columnas y con forma en M, con terminación TT8-Terminacion Standard y topes roscado exterior como se observan los detalles en la Imagen 22. En la imagen 64 se observa la configuración final de la resistencia utilizada para la máquina.

70

Imagen 50. Configuración final resistencia eléctrica Conforme a los parámetros establecidos en el capítulo 3, se elige un tipo de resistencia con su debida terminación TT8-Terminacion Standard y topes roscado en el exterior, con configuración en M, basados en catálogos y asequibilidad en el mercado. (Ver ANEXO G). El desplazamiento horizontal del sistema de resistencias está gobernado por un mecanismo neumático (pistón sin vástago) marca AIRON serie SS, (ver ANEXO B) que se compone principalmente por un pistón de movimiento interno de diámetro 50 mm, con recorrido 1.350 mm, con una velocidad lineal de 180 metros por minuto sobre un par de guías deslizantes (rieles), con fuerza 300 N, mediante aire comprimido. El pistón es asegurado a un carro guía al que se le fija la carga, en este caso la caja, donde son ubicadas las resistencias tubulares mencionadas anteriormente.

6.1.1 Selección del material. De acuerdo con el análisis de la información del capítulo 3, se toma como mejor opción de lámina a deformar el PVC (Cloruro de polivinilo), principalmente porque tiene una temperatura de trabajo de 80°C como se muestra en el Cuadro 2, permitiendo controlar que el consumo eléctrico no se sobrepase de la fuente de corriente que suministra la empresa de 110 V, es un material resistente a la abrasión, liviano, con buena resistencia mecánica y al impacto. Sumado a esto, posee gran versatilidad al transformarse en un material rígido o flexible y cuenta con una longevidad considerable por ser un material muy resistente (pueden durar hasta más de sesenta años). La seguridad es óptima debido al cloro que forma parte del PVC, no se quema con facilidad ni arde por sí solo, no conduce electricidad y al momento de la disposición final el producto es excelente al ser reciclable facilitando la reconversión. Es también un material liviano, de transporte fácil y económico. Rentable por su bajo costo de instalación y prácticamente costo nulo de mantenimiento en su vida útil. Comienza a reblandecer entre los 75 °C y 85 °C se descompone entre los 180 °C y 212°C, en la Tabla 2. se pueden observar algunas propiedades de PVC.

71

Tabla 2. Datos técnicos PVC (Cloruro de polivinilo) Fuente: [En línea] http://procesosplasticos-2.blogspot.com.co/2014_08_01_archive. [Citado en Enero de 2.018]

72

6.1.2 Selección de aislante térmico. De acuerdo lo observado en el capítulo 3. la fibra de vidrio es apropiada para la máquina empacadora al vacío al ser uno de los materiales más comerciales, económicos, “posee una estructura de fibras unida con resina entre las cuales se almacena el aire, lo que le otorga buenas propiedades como aislante térmico, gran estabilidad dimensional, adaptación y recuperabilidad, debido a sus propiedades elásticas, flexible, estable, inodora, atóxica, reciclable” 30y el apropiado para aislamientos de “baja emisividad (radiación), en este caso tan sólo una fina capa de material reflectante puede hacer la misma diferencia como si agregaras muchas pulgadas de aislamiento convencional. Éstos generalmente se llaman “barreras radiantes”, procesos que conlleven temperaturas bajas y medias, “que deben tener una baja emisividad (0.1 o menos) y de alta reflectancia (0.9 o más). Por lo que se caracterizan de ser materiales reflectantes o de color blanco brillante.”31 . En la imagen 51 se puede observar la presentación en el mercado de la fibra de vidrio. Imagen 51. Fibra de vidrio

Fuente: [En línea] http://www.homecenter.com.co/homecenter-co/guias-de- compra/Aislamiento-en-fibra-de-vidrio [Citado en Enero de 2.018]

6.1.3 Selección de materiales para cámara de vacío. Con las condiciones nombradas en el capítulo 3 se empleará madera de tipo cedro de 20 mm de espesor y el método de unión será por medio de tornillos auto-perforantes complementado con epóxido termoresistente para evitar fugas. Imagen 52. Cámara de vacío / Orificios.

30 http://www.homecenter.com.co/homecenter-co/guias-de-compra/Aislamiento-en-fibra-de-vidrio/ 31 https://gramaconsultores.wordpress.com/2013/10/28/aislamiento-termico/

Orificios superficie de

73

6.2 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN Y CORTE Para la elección del mecanismo de alimentación del film plástico PVC, se utilizaron un conjunto de rodillos alineados (A), (B) y (D), como se puede ver en la Imagen 53. Donde (A) es el rodillo que tendrá posibilidades de ser ajustado respecto al rodillo (B), dependiendo del calibre del film PVC y que a la vez es el encargado de ejercer movimiento mediante un servomotor con acople directo de 50 rpm, marca SIEMENS referencia SQN3 (ANEXO H); cumpliendo con la función de ejercer fricción entre el PVC y el rodillo (B) para permitir el transporte del film. El rodillo (B) es el que guiará el film PVC a la ranura del marco de sujeción y estará fijo. El rodillo (D) es el que permite al film mantenerse tensionado previniendo arrugas y darle firmeza al rollo de plástico a alimentar (C). El rollo de film (C) será soportado en cuñeros de teflón alojados en los apoyos laterales facilitando de esta forma un mejor desplazamiento. Los rodillos mencionados en la Imagen 27 tienen un recubrimiento encauchado para tener mejor agarre al film PVC durante la alimentación. Imagen 53. Esquema lateral rodillos de alimentación La tensión y presión son criterios de importancia por lo que los rodillos (D) y (A) correspondientemente, garantizan dichos factores, es decir que el rodillo (D) es quien mantiene la tensión del rollo de film PVC y el rodillo (A) es aquel que genera el movimiento de alimentación hacia el marco de sujeción. En la Imagen 54 se puede observar que el corte del film PVC se efectuará justo enseguida cuando éste acabe el recorrido por la ranura del marco de sujeción y el operario lo cierre. El corte estará gobernado por un mecanismo neumático (pistón sin vástago) marca AIRON serie SSB (ANEXO B), que se compone principalmente

74

por un pistón de movimiento interno de diámetro: 16 mm, con un recorrido de 800 mm sobre un par de guías deslizantes (rieles), con fuerza de 300N, mediante aire comprimido; el pistón lleva acoplado un carro guía al que se le fija la carga, en éste caso la cuchilla de corte marca Sheffield® "Rhino" (ANEXO N), siendo la seleccionada para realizar el corte en ambas direcciones gracias a su forma circular como se puede ver en la Imagen 56, evitando pérdida de tiempo. En la Imagen 55 se puede observar la cuchilla ésta de acople roscado, construido a partir de acero de alto carbono y acero de cromo vanadio de alta calidad para resistencia al impacto, durabilidad y resistencia a la corrosión, tiene una longitud de 780 mm y tiene una masa de 17 gr. Imagen 54. Vista frontal sitemas alimentacion, corte y marco sujeción

Imagen 55. Subsistema de corte. (Pistón sin vástago)

Fuente: [En línea] https://www.festo.com/cms/es-co_co/9813. [Citado en Enero de 2.018]

75

Imagen 56. Cuchilla de corte Sheffield® "Rhino" Fuente: [En línea] https: //www.greatnecksaw.com [Citado en Junio de 2.018]

Para el caso puntual de esta máquina se utilizarán barras macizas de acero que deberán llevar un trabajo de torneado para así crear los ejes especificados en los planos de fabricación, estos ejes estarán apoyados en los extremos por medio de rodamientos e irán anclados a la estructura, dichos ejes serán recubiertos por un caucho vulcanizado suave para garantizar la tensión necesaria en el proceso, como se ilustra en la Imagen 57. Imagen 57. Rodillos 6.3 SISTEMA DE VACÍO Cálculo de vacío. Para el cálculo del sistema de vacío que se necesita para el desarrollo de la termoformadora es indispensable hallar el volumen a evacuar en la cámara de vacío; se utiliza la fórmula tomada del libro Física: Principios con Aplicaciones.

𝑉𝑐 = 𝐿𝑎𝑟𝑔𝑜 𝑥 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑥 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎 Dado que la cámara de vacío tiene unas dimensiones de;

𝑉𝑐 = 0,86 𝑚 𝑥 0,61 𝑚 𝑥 0,1 𝑚

𝑉𝑐 = 0,0524 𝑚³

Caucho vulcanizado

76

El tiempo en el cual se extrae el aire en este volumen es aproximadamente 1 segundo, tomando en cuenta que la succión se genera en un instante muy corto y garantiza el recubrimiento total de las piezas. El diámetro necesario para la tubería de succión se define de acuerdo al volumen a desplazar en este caso se realiza un promedio entre 20 y 25 mm de diámetro siendo estas las medidas estándar, realizando el proceso de ensayo y error se determina que el diámetro a elegir es de 22 mm o 7/8”. La tubería de succión se determina en metros cuadrados (m2) y la sección transversal, ya que se desea hallar el caudal que transitará por la tubería. Para poder determinarla se debe dividir el diámetro que se tiene en milímetros en 1000 para pasarlo a metros.

∅𝑡𝑢𝑏𝑜 = 22 𝑚𝑚

1000𝑚𝑚= 0,022 𝑚

Ahora se procede a hallar la sección transversal de la tubería; sabiendo que el diámetro de un círculo es dos veces su radio y tomando la fórmula del libro Elementos de Matemáticas;

𝐴𝐶𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑜 = 𝑝𝑖 𝑥 (∅𝑡𝑢𝑏𝑜

2)

2

𝐴𝐶𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑜 = 3,14159 𝑥 (0,022 𝑚

2)

2

𝐴𝐶𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑜 = 0,0003801 𝑚2 Se debe hallar la cantidad de fluido que pasa por la tubería en un tiempo determinado, siendo éste el caudal y se determina por la siguiente fórmula;

𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 (𝑄) = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛

𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜

𝑄 = 0,0524 𝑚³

1 𝑠

𝑄 = 0,0524𝑚3

𝑠

Ahora para determinar la velocidad del aire en una tubería se toma del libro Mecánica de fluidos la siguiente ecuación;

𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 (𝑣) = 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 (𝑄)

Á𝑟𝑒𝑎

77

𝑣 = 0,0524

𝑚3

𝑠0,0003801 𝑚2

𝑣 = 138𝑚

𝑠

Para determinar la energía requerida se toma del libro Mecánica de fluidos;

𝑣2𝛿

2+ 𝑃 + 𝛿𝑔𝑧 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒

Para este caso en específico se reemplazarán los valores necesarios así;

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎 (𝐸) = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑2

2

𝐸 = 𝑣2

2

𝐸 = 138

𝑚𝑠

2

2= 9.522,6

𝐽

𝑘𝑔

Para concluir la ecuación de Bernoulli es necesario utilizar la densidad de aire tomada de la Tabla Propiedades físicas del libro Mecánica para ingenieros: Dinámica; se utiliza 1,09 Kg/m3 a una temperatura de 20 °C, sumada a la energía requerida.

𝐸 = (9.522,6 𝐽

𝑘𝑔 𝑥 1,09

𝑘𝑔

𝑚3) + 1,09

𝑘𝑔

𝑚3

𝐸 = 10.380,724 𝐽

𝑠 𝑚3

Por último, se debe multiplicar el W hallado y el volumen para determinar los Watts necesarios para el sistema;

𝐸 = 10.380,724 𝐽

𝑠 𝑚3 𝑥 0,0524 𝑚3

𝐸 = 543,9499 𝑊

78

Teniendo en cuenta que la ecuación general de energía es:

𝑧1 + 𝑣12

2𝑔+

𝑃1

𝛾+ ℎ𝐴 − ℎ𝑅 − ℎ𝐿 = 𝑧 +

𝑣22

2𝑔+

𝑃2

𝛾

Donde;

𝑔 = Gravedad 𝑧 = Nivel de referencia 𝛾 = Peso específico del fluido ℎ𝐿 = Pérdida de energía por parte del fluido efecto de rugosidad de las tuberías o por presencia de válvulas, conectores.

ℎ𝐴 = Energía añadida al fluido por una bomba u otro dispositivo ℎ𝑅 = Energía consumida del fluido mediante un dispositivo mecánico como turbina

En el caso de las perdidas por fricción (ℎ𝐴, ℎ𝑅) depende de la rugosidad de las paredes del conducto del fluido en este caso el conducto de la tubería está fabricado de plástico estirado, con relación a lo anterior se visualiza en la Tabla 3 que la rugosidad equivalente (ɛ) para dicho material es igual a 0.0mm, deduciendo que es despreciable las perdidas por fricción en el conducto del fluido. Tabla 3. Rugosidad equivalente para tubos

Fuente: [En línea] https://avdiaz.files.wordpress.com/2008/10/presentacion1.pdf [Citado en Junio de 2.018]

79

Por otro lado, las pérdidas de energía por accesorios (hL), (se dan por cambios de dirección y velocidad del aire en válvulas, codos o conectores; donde el subsistema de vacío se compone de 2 accesorios como racores en los conectores ubicados uno a la entrada de la recamara de vacío y el otro en el punto de salida de la bomba de vacío. Para determinar las pérdidas menores el libro de Mecánica de Fluidos de Robert L. Mott sugiere en el Capítulo 10 un método donde contempla la contante (Kl), coeficiente de pérdida para componentes de tubería resumida en la Tabla 4; Tabla 4. Coeficiente de pérdida para componentes de tubería

Fuente: [En línea] https://avdiaz.files.wordpress.com/2008/10/presentacion1.pdf [Citado en Junio de 2.018]

Para después remplazar en la formula;

ℎ𝐿 = 𝐾𝐿 𝑣2

2𝑔

0.08 ∗(138

𝑚𝑠 )2

2 ∗ 9.81𝑚𝑠2

= 0.5626911𝑚

“Este resultado indica que por cada newton de agua que fluye se disipa 0.5626 N* m de energía.” 32 Evidenciado que las perdida de energía por accesorios es despreciable para la selección de la bomba. De acuerdo con lo anterior se debe elegir una bomba que contenga una máxima capacidad de aspiración de 10 m3 / ft mediante un catálogo de fabricantes como vacuubrand (Anexo F) que sugiere el tipo de bomba mediante un gráfico donde enfrenta la capacidad de aspiración versus presión expresada en milibar (mbar) como se observa en la Imagen 58, definiendo la bomba RE9 por los requerimientos técnicos y por precio.

32Fuente: [En línea] ˂ https://deymerg.files.wordpress.com/2013/07/mecanica-de-fluidos-robert-mott-

6ta-edicion.pdf ˃[Citado en Enero de 2.018]

80

Imagen 58. Curva de capacidad de aspiración.

Fuente: En línea] ˂https://www.vacuubrand.com/es/page715.html [Citado en Junio de 2.018]

En la entrada de alimentación de aire se instalará una unidad de mantenimiento para garantizar que el flujo de aire sea controlado, limpio, seco, lubricado y sin partículas que puedan afectar la calidad del proceso. Selección de unidad de mantenimiento Imagen 59 y 60: La unidad de mantenimiento permite tener de manera adecuada los actuadores y también permite regular la entrada de aire. Según la hoja técnica del actuador dice que tiene que tener un filtrado de 40 µm. Imagen 59. Unidad de mantenimiento

FUENTE: FESTO [En línea] ˂ https://www.festo.com /cms/es-co_co/9814.htm [Citado en Enero de 2.018]

81

Imagen 60. Selección según la calidad del aire ISO

FUENTE: FESTO [En línea] ˂ https://www.festo.com/cms/es-co_co/9814.htm [Citado en Enero de 2.018] Esta selección está basada en la norma ISO 8573-1 del 2010. La Imagen 61 permite ver cómo va a operar la unidad de mantenimiento, que para el caso va a utilizar una válvula de alimentación y descarga manual. Imagen 61. Selección de la función deseada

FUENTE: FESTO [En línea] ˂ https://www.festo.com/cms/es-co_co/9814.htm [Citado en Enero de 2.018] Se observan en la Imagen 62 las características generales de la unidad y su referencia MSB4-1/4:C4:J1-WP;

82

Imagen 62. Características generales

Controlador de presiones: las velocidades tanto la cuchilla de corte, el

movimiento horizontal de la caja de resistencias y el ascenso y descenso del marco de sujeción serán controlado por medio de la presión del fluido que será regulada por medio de este una perilla Imagen 63 que manualmente se graduará según las velocidades estipuladas en la Imagen 108 Diagrama de estados. Dicho actuador está alojado donde va acoplado la conexión de entrada de aire de cada uno de los actuadores que gobierna los diferentes movimientos, esto con el fin de garantizar que en cada etapa del subsistema no se genere momentos de inercia considerables para desequilibrar la estructura o que en el caso de corte del film plástico se realice en doble dirección de manera lenta para evitar que se rasgue el material.

Imagen 63. Regulador de presión Fuente: [En línea https://www.precisionpneumatics.

co.uk/festo-pressure-regulators-lrlrslrblrbs-d-series/

[Citado en Enero de 2.018]

Nivel de producción. Actualmente la producción de piezas empacadas es de diez

a doce por hora, labor realizada por dos operarios en un turno de diez horas distribuidas semanalmente. En cada etapa de empacado, los operarios tardan entre trece a quince minutos en la clasificación de las piezas a empacar, luego de cinco a ocho minutos en la elección del tamaño de la bolsa o caja según las piezas a empacar, entre cinco a diez minutos ubicar las piezas en el empaque correspondiente. Finalmente, el proceso de sellado es el que más tiempo tarda,

83

dado que se debe esperar entre trece a dieciséis minutos para que la máquina se caliente y cumpla su función y por ultimo para colocar la etiqueta de los datos de la pieza empacada se gastan cinco minutos. Al final, resultan 53 minutos para empacar aproximadamente de diez a doce productos y con este proyecto se busca que el proceso de empaque se reduzca en un 50 % en la cantidad de operarios y el tiempo de empaque.

Considerando cualquier incertidumbre la máquina tendrá un pulsador de paro de emergencia Imagen 64 que, al ser accionado, el proceso de todos los subsistemas se detendrá de inmediato; estará situado a un costado de la estructura para garantizar la seguridad del operario y del proceso de empacado. Imagen 64. Paro de emergencia Allen Bradley

Fuente. [En línea] http://www.rockwellautomation.com

[Citado en Enero de 2.018]

6.4 SISTEMA ESTRUCTURAL

6.4.1 Definición de la estructura. De acuerdo con un organizado desarrollo de los cálculos y una selección de los componentes de la estructura, dichos cálculos deben realizarse de manera individual y de acuerdo en las metodologías que cada uno requiera, tanto para las vigas y columnas como las soldaduras indispensables para la fabricación de la estructura. Previo al inicio de cualquier procedimiento se deben tener claros todos los aspectos constituyentes a la construcción de la máquina. La estructura de la Imagen 65 está compuesta por 6 columnas, dispuestas de tal manera que entre ellas se forme un rectángulo de 2,980 m de largo por unos 1,3 m de ancho. Estas columnas estarán unidas a vigas mediante soldadura para poder dar estabilidad y firmeza al estar unidos en conjunto, luego se montarán en las vigas los subsistemas correspondientes, por último, las columnas deberán ir ancladas al suelo para evitar movimientos inesperados.

http://www.rockwellautomation.com/

84

Imagen 65. Vista lateral de la estructura

Las dimensiones de la estructura nombradas anteriormente están estrictamente detalladas para que los componentes de los subsistemas estén ubicados de manera considerada, es decir, que el espacio existente entre ellos sea el necesario para su correcto funcionamiento. La comodidad y bienestar del operario de la máquina afecta directamente el rendimiento de la misma y por ende la calidad del producto empacado como se ve en la Imagen 66. Por tales motivos es indispensable lograr un diseño ergonómico en el cual se brinde la seguridad suficiente y así evitar lesiones o enfermedades ocupacionales.

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Imagen 66. Diseño ergonómico y antropometría Fuente: [En línea]:https://www.ergonomia.cl/eee/ergos09.html [Citado en Enero de 2.018]

Imagen 67. Altura para las clases de trabajo

Fuente: [En línea] https://www.ergonomia.cl/eee/ergos09.html [Citado en Enero de 2.018]

86

Mediante una postura de trabajo cómoda para el operario, se determina la altura de la mesa de trabajo Imagen 67. Esto significa que los antebrazos tienen la posición neutra hacia abajo y los codos están flexionados a 90°, de esta manera el brazo se encuentra en paralelo al suelo. La altura del codo se convierte en la altura adecuada de operación o de la superficie de trabajo. Si está demasiado alto, los antebrazos se encogen y causan fatiga de hombros, si es demasiado baja, el cuello o la espalda se doblan y causan fatiga de los mismos. El trabajo que se realizará en esta máquina es de tipo ligero ya que en ella se realizarán montajes o trabajos mecánicos. “Este tipo de trabajo necesita de una superficie de trabajo que esté entre 5 y 10 cm por debajo de la altura del codo. De acuerdo a lo anterior la estructura de la máquina debe estar en el rango entre 85 cm y 110 cm para que esté dentro de los parámetros establecidos para un buen puesto de trabajo, tomado del Centro Canadiense de Higiene y Seguridad en el Trabajo”.33

6.4.2 Cálculos estructurales Para determinar el perfil estructural que va a soportar el peso de la máquina, se realiza una suposición de ingeniería en donde se selecciona el elemento estructural más crítico que se comporta como una viga; para poder determinar aproximadamente la forma del perfil para la sección transversal y analizarla mediante esfuerzos que se producen en ella. En la Imagen 68 se muestran las fuerzas que producen los actuadores neumáticos con el subsistema de prensado sobre las vigas de la estructura; eligiendo principalmente este elemento a analizar como el elemento estructural más crítico. Es indispensable conocer el valor real de estas cargas, para ello se calcula la masa neta de todo el conjunto del subsistema de sujeción, en la Imagen 69 se observa donde están ubicados los actuadores en el marco de sujeción.

33 FUENTE: [En línea] ˂http://www.cchst.ca/newsletters/hsreport/issues/2013/10/ezine.html [Citado en

Junio de 2.017]

87

Imagen 68. Puntos en los cuales se distribuye la carga en la estructura Imagen 69. Masa actuadores y subsistema de sujeción

F2

F1 F1 F2

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Imagen 70. Masa total de los actuadores y el marco de sujeción

Como se observa en la Imagen 70, estos elementos poseen una masa de 34 kg aproximadamente, la cual será distribuida en las vigas delantera y trasera representadas en la Imagen 68 como F1 y F2. Para efectos de análisis por medio de la segunda ley de Newton en donde indica: fuerza = masa x aceleración se realiza la conversión de kg a Newton para así realizar los diagramas correspondientes, tomando la conversión del libro Mecánica para Ingenieros.

1 𝑘𝑔 𝑥 9,80665𝑚

𝑠2= 9,80665 𝑁

Reemplazando;

33,742 𝑘𝑔 𝑥 9,80665𝑚

𝑠2= 330,671 𝑁

Para hacer el análisis de viga se toma la mitad de la fuerza ya que se distribuyen de igual manera.

330,671 𝑁

2= 165,335 𝑁

89

6.4.3 Diagramas de fuerza cortante y momento flector. A continuación, en la Imagen 71. se menciona la viga 1 donde estará montado el actuador neumático ejerciendo un par torsor en una de las caras del perfil. Imagen 71. Viga lateral carga F1 con par torsor La viga 2 Imagen 72. hace referencia al par torsor resultante ejercido en la viga 1 a dicha viga.

90

Imagen 72. Viga lateral carga F2 con par torsor

91

Diagrama 3. Diagrama de cuerpo libre para la viga lateral carga F1 en análisis del actuador neumático

Solución;

∑ 𝐹𝑦 = 0

𝑅𝑎 − 165,335 𝑁 ∗ 𝑚 + 𝑅𝑏 = 0

𝑀𝑎 = 165.335 𝑁 ∗ 𝑚 (0,475𝑚) 𝑀𝑎 = 78,5341 𝑁 ∗ 𝑚

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∑ 𝑀𝑏 = 0

𝑀𝑎 + 165.335 𝑁 ∗ 𝑚 (0,475𝑚) + 𝑀𝑏 = 0

𝑀𝑎 + 78,534125 𝑁 ∗ 𝑚 + 𝑀𝑏 = 0 De acuerdo con la ecuación suministrada en el libro Robert Mott se procede a calcular el S requerido;

𝑆 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 =𝑀𝑚𝑎𝑥

𝜎 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒

𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 = 𝜎𝑦

𝐹. 𝑆

Donde 𝜎𝑦 es el esfuerzo de fluencia y se determina por medio del fabricante del

material el cual para este caso está dado en psi y es necesario hacer la conversión a MPa, ver Anexo D

𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 = 177 𝑀𝑃𝑎

2 = 88,5 𝑀𝑃𝑎

𝑆 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 =19,6335 𝑁 ∗ 𝑚

88.5 𝑀𝑃𝑎= 0,2218

Con el valor obtenido se verifica el perfil estructural en el catálogo anteriormente mencionado; Para empezar con el cálculo de selección del perfil estructural se relacionan las siguientes ecuaciones del libro de Robert Mott;

𝜏 𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑜 ≤ 𝜏 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒

𝜏 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 =𝜏𝑦

𝐹. 𝑆

De acuerdo con la Mecánica de materiales de Mott dentro del análisis de fallas

estáticas, ”es permitido la comparación de las teorías de falla para un estado de

esfuerzos biaxial; estos pueden ser empleados para comparar las teorías de falla y

las constantes de comparación (𝜏𝑦) entre ellas,”así :34

34 FUENTE: [En línea] ˂ http://dim.usal.es/eps/im/roberto/cmm/Teorasdefallabajocargasestticas .pdf ˃

Autor: Carlos Armando De Castro P. [Citado en Febrero de 2.018]

93

Teoría de esfuerzo de corte máximo 𝜏𝑦 =1,00 σf

Teoría de la deformación unitaria máxima 𝜏𝑦 =0,74 σf

Teoría de la energía de deformación 𝜏𝑦 =0,608 σf

Teoría de la energía de distorsión 𝜏𝑦 =0,577 σf

Teoría del esfuerzo cortante máximo 𝜏𝑦 =0,50 σf

Debido a que la selección de material es dúctil y “es correcto hacer la comparación

entre esfuerzos biaxiales como el esfuerzo cortante y el esfuerzo torsor, la teoría de

la energía de distorsión o llamada teoría de la energía de corte o teoría de

VonMises-Heneky, es la teoría escogida para hacer los cálculos de falla del material

para tener mayor certeza de que no se producirá falla alguna”.35

Constantes de comparación (𝜏𝑦): 𝜏𝑦 = 0,577 𝜎𝑦 Imagen 73. Viga biempotrada con carga puntual en el centro de la luz

Fuente: [En línea]:http://webdelprofesor.ula.ve/arquitectura/argicast/materias/materia2/CLASE

_VIGAS.html. [Citado en Junio de 2.017]

35 FUENTE: [En línea] ˂ http://www.academia.edu/16744759/TEORIA_DE_LA_ENERGIA_ DE_DISTO

RSION. [Citado en Enero de 2.018]

94

M =165,335 N ∗ 0,95 m

8= 19,6335 N ∗ m

Gracias a los diagramas mostrados en la Imagen 73 se obtiene el momento máximo que sufre la viga, la ecuación del S requerido tomada del libro de Robert Mott, expresa el mínimo valor permisible que posteriormente se compara con el valor de la forma del perfil seleccionado en el catálogo de perfiles cuadrados de la empresa TUBOS ARG (ANEXO J).

S requerido =Mmax

σ permisible

σ𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 = σy

F. S

σ𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒

177 MPa

2 = 88,5 Mpa

Donde;

𝑀𝑚𝑎𝑥 = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 F. S = Factor de seguridad 𝜎𝑦 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎

El esfuerzo de fluencia (σy) es de 177 MPa elegido del catálogo de perfiles cuadrados de DIPAC Productos de Acero (ANEXO D).

𝑆 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 =19,6335 𝑁 ∗ 𝑚

88,5 𝑀𝑃𝑎= 0,2218 𝑐𝑚3

El valor anterior es ubicado en el catálogo de TUBOS ARG el punto de partida de iteración a partir del perfil mínimo requerido. Tabla 5. Dimensiones tubos cuadrados

FUENTE: : [En línea] TUBOS ARGENTINOS http://www.tubosarg.com.ar/descargas/catalogo-

tubosestructurale s.pdf [Citado en Junio de 2.017]

http://www.tubosarg.com.ar/descargas/catalogo-tubosestructurale%20s.pdf

http://www.tubosarg.com.ar/descargas/catalogo-tubosestructurale%20s.pdf

95

Por medio de la Tabla 5 se eligió el perfil 15mm x 15mm con un espesor de 0,90mm; a partir de ésta elección se inicia a iterar; sabiendo que el elemento estructural en estudio se encuentra con respecto a la carga ubicada en una cara del mismo como se muestra en la Imagen 71.

Para continuar con los cálculos es preciso establecer del material AISI 304 el τ

permisible y realizar la relación entre equivalencias con el σ permisible;

σ𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 = 177MPa

2 = 88,5 Mpa

σ𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 = 0,577 ∗ 88,5MPa

τ perm (τc) = 51,0645 Mpa

La ecuación general que contempla las variables necesarias se referencio del libro de Diseño de elementos de máquinas de Robert Mott;

𝜏𝑐 =𝑇

2 𝑡 ∗ 𝑎𝑚

Donde;

𝜏𝑐 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 t = Espesor

𝑎𝑚 = Á𝑟𝑒𝑎 𝑚𝑒𝑑𝑖𝑎 𝑇 = 𝑃𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑟𝑠𝑖ó𝑛 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 De la ecuación anterior se despeja el área media correspondiente al área bordeada por la línea central como se puede ver en la Imagen 74;

96

Imagen 74. Área media (𝑎𝑚) Hallando de esta forma el área media;

𝑎𝑚 = (𝐿 − 𝑡) ∗ (𝐿 − 𝑡) De acuerdo con la elección del mínimo perfil requerido (12,5mm x 12,5mm x 1,2), se procede a corroborar dicho perfil, despejando de la ecuación general el par de torsión interno; ya sabiendo que éste resultado corresponde al momento de Ma =78,5341 N*m explicado el la sumatoria de fuerzas del Diagrama 3, el criterio a validar es;

𝑇𝑎 ≤ 𝑇𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜

97

Imagen 75. Primer perfil cuadrado a verificar

𝑎𝑚 = (𝐿 − 𝑡) ∗ (𝐿 − 𝑡)

𝑎𝑚 = (15 − 0,9) ∗ (15 − 0,9)

𝑎𝑚 = 198,81 𝑚𝑚2

𝑇𝑐𝑎𝑙 = (𝑎𝑚)(2𝑡) ∗ 𝜏𝑐 Remplazando;

𝑇𝑐𝑎𝑙 = (19,88𝑚2)(2 ∗ 0,009) ∗ 51,0645

𝑇𝑐𝑎𝑙 = 18,2729 𝑁 ∗ 𝑚 La verificación del perfil seleccionado anteriormente refleja que no cumple con el criterio; descartando éste perfil, por consiguiente, se verifica el perfil sugerido por el catálogo de Tubos ARG (15mm x 15mm x 1,6);

98

Imagen 76. Segundo perfil cuadrado a verificar

𝑎𝑚 = (𝐿 − 𝑡) ∗ (𝐿 − 𝑡)

𝑎𝑚 = (15 − 1,6) ∗ (15 − 1,6)

𝑎𝑚 = 179,56 𝑚𝑚2


𝑇𝑐𝑎𝑙 = (17,95𝑚2)(2 ∗ 0,016) ∗ 51,0645

𝑇𝑐𝑎𝑙 = 29,33 𝑁 ∗ 𝑚 La segunda verificación del perfil seleccionado refleja que, no cumple con el criterio, descartando éste perfil, por consiguiente, se verifica el siguiente perfil sugerido por el catálogo de Tubos ARG (25mm x 25mm x 1,6);

99

Imagen 77. Tercer perfil cuadrado a verificar

𝑎𝑚 = (𝐿 − 𝑡) ∗ (𝐿 − 𝑡)

𝑎𝑚 = (25 − 1,6) ∗ (25 − 1,6)

𝑎𝑚 = 547,54 𝑚𝑚2


𝑇𝑐𝑎𝑙 = (54,754𝑚2)(2 ∗ 0,016) ∗ 51,0645

𝑇𝑐𝑎𝑙 = 89,4748 𝑁 ∗ 𝑚

Esta última verificación del perfil (20mm x 20mm x 1,6) refleja que si cumple con el criterio;

𝑇𝑎 ( 78,5341 𝑁 ∗ 𝑚) ≤ 𝑇𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜 (89,4748 𝑁 ∗ 𝑚)

Para ello se recurre a la ecuación de factor de seguridad para hallar el esfuerzo admisible o permisible dependiendo de algunos textos. Tomada del libro Diseño de Elementos de Máquinas;

𝐹𝑆 =𝜎 𝑓𝑎𝑙𝑙𝑎

𝜎 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒

100

El esfuerzo de fluencia depende del material que se escoja para el diseño de la estructura. En este caso se usa un acero AISI 304 (ver propiedades en el ANEXO D), esta aleación contiene un bajo contenido de carbono con respecto a otras aleaciones como la 302 y esto le otorga resistencia a la corrosión en estructuras soldadas. El esfuerzo último a la tracción es de 460 MPa. El factor de seguridad es la relación existente entre la resistencia de diseño y la resistencia requerida, para garantizar que la estructura sea capaz de soportar cargas mayores a las cargas reales que serán aplicadas. Un factor de seguridad correcto se logra interpretando lo que el autor Robert Mott expone en el libro Diseño de Elementos de Máquinas, del cual se deduce que deben tenerse en cuenta los materiales dúctiles y las cargas aplicadas a la estructura, como se muestra en la Imagen 78. Imagen 78. Criterios de selección de factor de seguridad Fuente: Libro: Diseño de elementos de máquinas, Mexico; PEARSON, Educación, P234. Autor: Mott, Robert (2006). [Citado en Junio de 2.017]

De acuerdo con los criterios de selección mostrados en la Imagen 78, se considera optimo trabajar con un N = 1,25 a 2,0 en el diseño, para contar con un alto grado de confianza, teniendo en cuenta las cargas y condiciones reales a las que está sometida la estructura. Para despejar el Esfuerzo Admisible, se da un factor de seguridad de 2 según la recomendación del libro de Diseño de Máquinas de Robert Mott en la sección de criterios y factores de diseño, el cual dice: N= 1,25 a 2,0 “El diseño de estructuras

101

bajo cargas estáticas, para los que haya un alto grado de confianza y factores de diseño”.36 Como ya se tiene el factor de seguridad y el esfuerzo último del material se procede a despejar el esfuerzo admisible para hallar el módulo de sección.

𝜎 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 =𝜎 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎

𝐹𝑆

𝜎 𝑎𝑑𝑚 =460 𝑀𝑃𝑎

2= 230 𝑀𝑃𝑎

Después de obtener el 𝜎 𝑎𝑑𝑚 se despeja el módulo de sección de la siguiente ecuación;

𝑆 =𝑀 𝑚𝑎𝑥

𝜎 𝑎𝑑𝑚

Reemplazando;

𝑆 =31 𝑁𝑚

230 𝑀𝑃𝑎= 0.134 𝑐𝑚3

Dado que el resultado del módulo elástico de la sección transversal, debe ser expresado en m3, es necesario realizar una conversión de MPa a N/m2;

230 𝑀𝑃𝑎 𝑥 1´000.000 𝑁𝑚2

1 𝑀𝑃𝑎= 230´000.000

𝑁

𝑚2

Reemplazando en la ecuación de S se obtiene;

𝑆 =31 𝑁𝑚

230´000.000 𝑁

𝑚2

𝑆 = 1,347 𝑋 10−7𝑚3

Hallando el módulo de sección transversal procedemos a hacer el cambio de unidades a mm3 para que todas las unidades queden en los mismos términos.

1,347 𝑋 10−7𝑚3𝑥1.000´000.000 𝑚𝑚3

1 𝑚3= 134,782 𝑚𝑚3

36Fuente: LIBRO “Diseño de elementos de máquinas” Cuarta edición. Autor: Mott, Robert. (2006).

Pearson, México. [Citado en Enero de 2.018]

102

Después de hallar el módulo de sección, se consulta en las tablas de propiedades de perfiles y se observa que sección y espesor se acomoda más al resultado. Por facilidades comerciales y por esbeltez de la estructura, se selecciona un perfil de 20mm x 20mm, con un espesor de pared de 1.6mm con sus respectivas características; éste es mostrado en el ANEXO J.

6.4.4 Cálculo de la columna. Como en el capítulo anterior se definió el perfil para la estructura que sostendrá todos los accesorios, ese mismo perfil se utilizará como columna y a continuación se realizará el respectivo cálculo. Para realizar este cálculo se hace referencia al libro Diseño de Máquinas del autor Robert L. Mott; En donde es necesario analizar e identificar los datos iniciales como son el acero utilizado, que es el AISI 304 y con el ANEXO J correspondiente a los perfiles TUBOS ARG, extraer el resto de datos necesarios.

𝑟 = Radio de giro del perfil = 7,54 𝑚𝑚

𝜎𝑦 = Esfuerzo de fluencia = 206,842 𝑁 /𝑚𝑚2

𝐸 = Módulo de elasticidad del material = 196,948 𝑁 /𝑚𝑚2

𝐿 = Longitud de la columna = 1.793 𝑚𝑚

𝐴 = Área gross = 117,8 𝑚𝑚2 Conociendo estos parámetros se procede a calcular la longitud efectiva; para este cálculo se utiliza la siguiente ecuación tomada del libro Diseño de Máquinas.

𝐿𝑒 = 𝐾 𝑥 𝐿 Donde;

𝐿𝑒 = Longitud efectiva

𝐾 = Constante

𝐿 = Longitud de la columna Para determinar el coeficiente de longitud efectiva (K), se toma como referencia la Imagen 79;

103

Imagen 79. Coeficientes para K Fuente:Libro: Diseño de elementos de máquinas, Mexico; PEARSON, Educación, P234. Autor: Mott, Robert (2006). [Citado en Junio de 2.017]

Como la viga está empotrada-empotrada se toma como referencia K = 0,5.

𝐿𝑒 = 0,5 𝑥 1.793 𝑚𝑚

𝐿𝑒 = 896,5 𝑚𝑚

A continuación, se calcula la relación de esbeltez (𝑅𝐸), tomada del libro Diseño de Máquinas;

𝑅𝐸 = 𝐿𝑒

𝑟

Donde;

𝑅𝐸 = Relación de esbeltez

𝐿𝑒 = Longitud efectiva

𝑟 = Radio de giro del perfil

𝑅𝐸 = 896,5 𝑚𝑚

7,54 𝑚𝑚

𝑅𝐸 = 118,8992 Ahora se procede a calcular la constante de la columna, mediante la fórmula tomada del libro Diseño de Máquinas;

104

𝐶𝐶 = √2 𝜋2𝐸

𝑆𝑦

Donde;

𝑆𝑦 =Resistencia a la fluencia

𝐸 = Módulo de elasticidad

𝐶𝐶 = √2 𝜋2 𝑥 196,948 𝑁 /𝑚𝑚2

206,948 𝑁 /𝑚𝑚2

𝐶𝐶 = 4,3353 Para determinar si la columna es larga o corta se decide comparar la Relación de Esbeltez y la Constante de Columna, se deduce que RE > CC, por lo tanto, se trata de una columna larga. A continuación, se calcula la carga crítica;

𝑃𝑐𝑟 = 𝜋 𝐸𝐴

(𝐿𝑒

𝑟)

2

𝑃𝑐𝑟 = 𝜋 𝑥 196,948 𝑁 /𝑚𝑚2𝑥 117,8 𝑚𝑚2

(896,5 𝑚𝑚 7,54 𝑚𝑚

)2

𝑃𝑐𝑟 = 2.2706 𝑁

Para comprobar si la columna resiste, se obtiene la masa total o real de la máquina gracias al programa de simulación NX9 ver Imagen 84 y se multiplica por la gravedad dividiéndolo en seis, que es el soporte real que tendrá la estructura de la siguiente forma;

𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑟𝑒𝑎𝑙 𝑥 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑

6

𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 473.71 𝑘𝑔 𝑥 9,8

𝑚𝑠2

6

𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 773,726 𝑁

105

6.4.5 Cálculo de soldadura para la estructura. La fabricación de la estructura se compone de tubos cuadrados unidos por soldadura como mecanismo de sujeción. Se selecciona el tipo de soldadura y electrodo según el perfil. Para proceder con el cálculo se selecciona una viga crítica de la estructura y se hace el estudio sobre ella. Para escoger el tipo de soldadura necesaria se debe tener en cuenta cuál es el tipo de geometría que se desea soldar y para ello se selecciona un factor geométrico para el análisis de soldadura. Según el libro de Diseño de Máquinas de Robert Mott, se selecciona los casos número 2 y 3 en la Imagen 81, en el cual se describen las situaciones presentes en la Imagen 80. Imagen 80. Unión crítica . Imagen 81. Tipo de soldadura

Fuente: Libro: Diseño de elementos de máquinas, Mexico; PEARSON, Educación, P234 Autor: Mott, Robert (2006) [Citado en Junio de 2.017]

106

Para este cálculo es necesario conocer la geometría del perfil que se va a unir. Como se nombró en el capítulo anterior el perfil es de 20mm x 20mm, donde se determinan los siguientes parámetros;

𝑏 = 20𝑚𝑚

𝑑 = 20 𝑚𝑚

Para realizar el cálculo de la soldadura es necesario conocer los factores geométricos Zw o Sw y Aw del caso 2 y 3 de la Imagen 81.

Caso 3;

𝑆𝑤 = 20𝑥20 = 400 𝑚𝑚2

𝐴𝑤 = 2 ∗ 20 = 40𝑚𝑚 La soldadura será sometida a esfuerzo cortante y flexión por la carga calculada anteriormente del actuador neumático (P) dividida en dos debido a que la carga de distribuye en dos apoyos;

𝑃 =165,335 𝑁

2= 82,66 𝑁

Para calcular la fuerza debido a la flexión se usa la siguiente ecuación del libro de Mott; Cálculo del Flexión (M);

𝑓𝑏 = 𝑀

𝑆𝑤

Donde;

𝑓𝑏 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑙 𝑙𝑎 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛 Sw = Factor geometrico 𝑀 = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜

fb =19,6335 N ∗ mm

400 mm2= 0.04908 N/mm

Para calcular la fuerza debido al corte vertical (fs) se usa la siguiente ecuación del libro de Mott;

107

Cortante (V);

𝑓𝑠 =𝑝

𝐴𝑤

Donde;

𝐹𝑠 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 Aw = Factor geometrico 𝑝 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 Reemplazando;

𝑓𝑠 =82,66 𝑁

40𝑚𝑚= 2.0665 𝑁/𝑚𝑚

Para calcular la resultante (Fr) se utiliza la siguiente ecuación tomada del libro de Mott;

𝐹𝑟 = √𝑓𝑠2 + 𝑓𝑏2

Donde;

𝑓𝑠 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑓𝑏 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑙 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 Reemplazando;

𝐹𝑟 = √2,0665 2 + 0.049082

𝐹𝑟 = 2.0670 𝑁 ∗ 𝑚𝑚

Caso 2;

𝑆𝑤 =202

3= 133.333 𝑚𝑚2

𝐴𝑤 = 2 ∗ 20 = 40𝑚𝑚

La soldadura será sometida a esfuerzo cortante y flexión por la carga calculada anteriormente del actuador neumático (P) dividida en dos debido a que la carga de distribuye en dos apoyos;

108

𝑃 =165,335 𝑁

2= 82,66 𝑁

Para calcular la fuerza debido a la flexión se usa la siguiente ecuación del libro de Mott; Cálculo del Flexión (M);

𝑓𝑏 = 𝑀

𝑆𝑤

Donde;

𝑓𝑏 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑙 𝑙𝑎 𝑓𝑙𝑒𝑥𝑖ó𝑛

Sw = Factor geometrico

𝑀 = 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜

𝑓d =19,6335 𝑁 ∗ 𝑚𝑚

133.333 𝑚𝑚2= 0.1472 𝑁/𝑚𝑚

Para calcular la fuerza debido al corte vertical (fs) se usa la siguiente ecuación del libro de Mott; Cortante (V);

𝑓𝑠 =𝑝

𝐴𝑤

Donde;

𝐹𝑠 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 Aw = Factor geometrico

𝑝 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 Reemplazando;

𝑓𝑠 =82,66 𝑁

40𝑚𝑚= 2.0665 𝑁/𝑚𝑚

Para calcular la resultante (Fr) se utiliza la siguiente ecuación tomada del libro de Mott;

𝐹𝑟 = √𝑓𝑠2 + 𝑓𝑏2

109

Donde;

𝑓𝑠 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑓𝑑 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑜 𝑎𝑙 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 Reemplazando;

𝐹𝑟 = √2.06652 + 0,14722

𝐹𝑟 = 2.07173 𝑁 ∗ 𝑚𝑚 Longitud de lado Se procede a seleccionar el electrodo y para esto se toma como referencia la Tabla 6 del catálogo de West arco y se tiene en cuenta el valor de Fr resistencia a la tracción. Se especifica una soldadura resistente a la tracción para el acero inoxidable AISI 304 en la Tabla 6. Tabla 6. Resistencia a la tracción

Fuente: [En línea ] http://www.westarco.com/westarco/sp/support/documentation/upload/catalogo-

resumido-westarco.pdf. [Citado en Junio de 2.017]

Para calcular la longitud necesaria de lado (W) se usa la siguiente ecuación;

W =Fr

Fuerza admisible

Donde;

𝐹𝑟 = Fuerza maxima resultante

𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 = 70.000 𝑝𝑠𝑖 → 517,1068 𝑁 ∗ 𝑚𝑚2 (𝑀𝑃𝑎)

110

Reemplazando;

𝑊 =2.0717 𝑁 ∗ 𝑚𝑚

517,1068 𝑁 ∗ 𝑚𝑚2

𝑊 = 0,00400𝑚𝑚 Como se observa el resultado es muy pequeño pues la línea de soldadura es de 0,000125 pulgadas y al compararlo con la Tabla 7 del libro de Robert Mott en donde propone un espesor de placa. Evidenciado que el mínimo requerido de arista es de 3/16 de pulgada. Para finalizar el cálculo se selecciona el tamaño de cordón mínimo. Tabla 7. Tamaños mínimos de cordón

Fuente: Libro: Diseño de elementos de máquinas, Mexico; PEARSON, Educación, P234 Autor: Mott, Robert (2006) [Citado en Junio de 2.017]

Lado para soldaduras de aristas es 1/8 es decir 0,317 in.

6.4.6 Cálculo de tornillos. Una vez sea seleccionado el material para la fabricación del sistema estructural, se deben realizar los cálculos analíticos para elegir el tornillo con el cual se ensamblarán los accesorios a la estructura y así permitir el correcto funcionamiento de la máquina. El material de los tornillos será AISI 304 igual que el sistema estructural, para realizar los cálculos se recurrió al libro Diseño de Elementos de Máquinas de Robert Mott de donde se toman las siguientes ecuaciones. Como ya se realizó la selección del material de los tornillos se procede a buscar por medio del catálogo una resistencia de prueba mínima para dicho material, como se observa en la Imagen 82.

111

Imagen 82. Requerimientos mecánicos para acero inoxidable

Fuente: [En línea]: http://www.sunnysteel.com/espanol/ASTM-A511-Especificacion-estandar-para-el-

mecanico.php#.Wo8io6jOXIU [Citado en Junio de 2.017]

Es decir que para este caso se tiene un Gp de 75 kpsi. Ahora por medio de la siguiente ecuación tomada del libro Diseño de Elementos de Máquinas se procede a calcular el esfuerzo máximo que puede resistir, sabiendo que para dar solución se tiene una constante que relaciona al momento torsor con la resistencia a la tensión ya dada.

𝜏𝑦 = 0,577 𝑥 𝐺𝑝

𝜏𝑦 = 0,577 𝑥 75 𝑘𝑝𝑠𝑖

𝜏𝑦 = 43,275 𝑘𝑝𝑠𝑖

Ahora para hallar el esfuerzo máximo, se toma la siguiente ecuación.

𝜏𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑜 =𝜏𝑦

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑟𝑖𝑑𝑎𝑑

𝜏𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑜 =43,6375 𝑘𝑝𝑠𝑖

2

𝜏𝑦 = 21.637,5 𝑘𝑝𝑠𝑖

Ahora para seguir con el cálculo se deben pasar los kpsi a psi y se toma de referencia la siguiente conversión;

21,6375 𝑘𝑝𝑠𝑖 𝑥 1000 𝑝𝑠𝑖

1 𝑘𝑝𝑠𝑖= 21.637,5 𝑝𝑠𝑖

Seguidamente se calcular la fuerza que se ésta ejerciendo sobre los tornillos, es decir la masa de los actuadores neumáticos más el marco de sujeción.

112

Como se observa en la Imagen 70, el marco de sujeción y los actuadores ejercen una fuerza de 331.00 N aproximadamente. Para efectos de análisis se realiza la conversión de kg a Newton para así realizar los diagramas correspondientes, tomando la conversión del libro Mecánica para Ingenieros.

1 𝐾𝑔 𝑥 9,80665𝑚

𝑠2= 9,80665 𝑁

Reemplazando;

33,742 𝑘𝑔 𝑥 9,80665𝑚

𝑠2= 330,671 𝑁

Para hacer el análisis de viga se toma la mitad de la fuerza ya que se distribuyen de igual manera.

330,671 𝑁

2= 165,335 𝑁

Ahora se deben convertir los Newton a kgf para determinar el esfuerzo cortante que ésta actuado sobre los tornillos.

165,335 𝑁 𝑥 0,1020 𝑘𝑔𝑓

1 𝑁= 16,8641 𝑘𝑔𝑓

Una vez se obtienen los valores anteriormente nombrados recurrimos a la ecuación del esfuerzo permisible para así poder despejar el área y obtener el diámetro necesario de la tornillería.

𝜏𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 =𝑉

2 𝐴𝑡

𝐴𝑡 =𝑉

2 𝑥 𝜏𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒

𝐴𝑡 =16,8641 𝑘𝑔𝑓

2 𝑥 21.637,5 𝑘𝑔𝑓𝑖𝑛2

𝐴𝑡 = 0,0003896 𝑖𝑛2 Sabiendo que la sección transversal de un círculo se puede hallar haciendo la multiplicación entre pi y el radio al cuadrado.

113

𝐴𝑡 = 𝑃𝑖 𝑥 𝑟2 Teniendo esta ecuación se procede a despejar el radio de la siguiente manera

𝑟 = √0,0003896 𝑖𝑛2

𝜋

𝑟 = 0,011137 𝑖𝑛 Por medio del análisis se puede determinar que el radio mínimo que debe tener el tornillo es 0,011137 in, pero comercialmente no se encuentra de este tamaño así que por montaje de las bridas del proveedor se eligen tornillos de 1/2” con una longitud de 1 1/2”.

6.4.7 Cálculos de rodamientos. Para realizar los cálculos correspondientes a la selección de los rodamientos es necesario hallar la masa del rodillo (W), la normal (N) que indica la carga radial sobre la pista de los rodamientos y verificar si es necesario una fuerza adicional (Fad) en sentido radial para garantizar suplir la tarea del desplazamiento lineal del film PVC sobre el marco de sujeción, como se observa en la Imagen 83. Imagen 83. Diagrama de cargas

114

La ecuación que relaciona las variables anteriormente expuestas es;

𝑁 = 𝑊 + 𝑓𝑎𝑑 El esfuerzo máximo es el 25 % del esfuerzo de tracción que soporta la película de PVC, la tracción que soporta la película es 550 kg / cm2 (Tabla 2) por el factor de conversión para asi;

𝜆𝑚á𝑥 = (550𝑘𝑔

𝑐𝑚2) ∗ (14,22) ∗

25

100= 1.955 psi

Siendo 1.955 psi el esfuerzo máximo que puedo aplicar a la lámina de PVC al tensionar, posteriormente se dice que la tensión máxima es igual el esfuerzo máximo por el área (superficie S) máxima de refiriéndose esta última al área de la sección trasversal Imagen 84 es decir el ancho por el espesor; Imagen 84. Espesor lamina PVC

𝐴𝑚á𝑥 = 𝑒𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝐿𝑚𝑎𝑥

𝐴𝑚á𝑥 = (1 ∗ 10 −3𝑚) ∗ (0.65 𝑚)

𝐴𝑚á𝑥 = 6.5−4𝑚2

𝑚2 ⇒ 𝑖𝑛2 = 6.5−4𝑚2 ∗ 1550 = 1.0075𝑖𝑛2

Para continuar calculando la tensión máxima en libras se multiplican estos dos últimos resultados;

𝜏𝑚á𝑥 = 𝜆𝑚á𝑥 ∗ 𝐴𝑚á𝑥

Remplazando;

𝜏𝑚á𝑥 = 1955 psi ∗ 1.0075𝑖𝑛2 = 1969.7 𝑙𝑏

115

La fuerza de fricción necesaria para halar el film de PVC debe ser mínimo a la tensión máxima calculada anteriormente, entonces;

𝐹𝑓 = 𝜏𝑚á𝑥 = 1969.7 𝑙𝑏

Con este valor se puede continuar con la ecuación de fuerza de fricción;

𝐹𝑓 = µ𝑒 ∗ 𝑁 ; 𝑁 ≥ 𝜏𝑚á𝑥

El coeficiente de fricción estático varía de acuerdo al material que interactúen entre sí, es decir estén en contacto, en este caso el caucho y el PVC asumiendo un valor

de µ𝑒 = 0.6.

Se calcula la normal requerida (N), correspondiente a la caga radial;

𝑁 =𝐹𝑓

µ𝑒

𝑁 =1969.7 𝑙𝑏

0.6 = 3282.8 𝑙𝑏

Se verifica si la masa del rodillo es lo totalmente suficiente para halar el film PVC, para ello se calcula la masa con la densidad por el volumen;

Masa caucho: 2.85 kg Masa acero A-39: 16.67 kg Masa total: 19.52 kg Masa rodillo: W = mg = (19.52) *(9.81) N W = 191.49 N * 0.2248 = 43.05 lb Dicha masa es muy pequeño comparado con la normal se debe aplicar una fuerza adicional en sentido radial. La normal requerida de 3282.8 lb, corresponde a la carga radial porque es perpendicular al rodamiento, despreciando la carga axial debido a que en la dirección del eje no existen fuerzas es decir no se va a mover hacia los lados

Para la selección del rodamiento a partir de la carga radial se siguieron los lineamientos del libro Robert Mott capítulo 14; Paso 1: Carga equivalente. Cuando gira la pista exterior: V= factor de rotación (1.2)

116

𝑃𝑑 = 𝑉𝑅 = (1.2) ∗ (3282.8 𝑙𝑏) = 3939.4 𝑙𝑏

Paso 2. Diámetro aceptable. De acuerdo con la tabla 14-3 del libro de Mott se definió;

𝑑 = ∅𝑖 = 25𝑚𝑚 ⇒ 0.9843 𝑖𝑛

Paso 3. Tipo de Rodamiento. Según la tabla 14-1 del libro de Mott se eligió un rodamiento rígido de una hilera de bolas con ranura profunda por precio, carga radial buena y libre de mantenimiento. Paso 4. Duración del diseño del rodamiento. La tabla 14-4 del libro de Mott estipula una duración recomendada de 20000 a 30000 horas correspondiente a máquinas industriales en general. Seleccionando 30000 como el valor máximo.

𝐿10 = 30000 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

Paso 5. Factor de Velocidad. De acuerdo con el servomotor de 50 rpm que impulsara el rodillo que permite el desplazamiento del film PVC.

𝑓𝑁 = 0.9

𝑓𝐿 = 3.4 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑟 𝑑𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛

Paso 6. Capacidad de carga dinámica básica requerida;

𝐶 = 𝑃𝑑 (𝑓𝐿

𝑓𝑁) = 3939.4 ∗ (

3.4

0.9) 𝑙𝑏

𝐶 = 14882.2 𝑙𝑏 ⇒ 3345 𝑁

Paso 7. Identificación de posibles rodamientos para C, para ello se indago en el catálogo de SKF. Paso 8. Selección del rodamiento. Rodamiento Y SKF E2 porque se necesita eficiencia con poca fricción y máxima vida útil (Anexo R).

117

6.4.8 Selección de pistón neumático. Para esta selección se utiliza dos factores de importancia, se define una carrera o recorrido de 200mm, teniendo en cuenta que el calor cedido por la resistencia no afecte las piezas a empacar y estas puedan tener espacio para ser poder ser acomodadas por el operario, el segundo factor que afecta la selección de los actuadores neumáticos es la carga que deba resistir y desplazar, en este caso el marco de sujeción con una masa de 341,73 N (valor tomado del análisis MEF) más la masa de la lámina a termoformar y una fuerza adicional que se producirá al actuar el subsistema vacío tras el sellamiento con las piezas a empacar, esta fuerza adicional se promedió entre dos veces la masa misma que va a soportar.

Calculando la fuerza equivalente: 341.73 𝑁 ∗ 2 = 683.46 𝑁 Carrera o Recorrido: 200mm Por medio de la Imagen 85 donde se visualiza un gráfico que indica el diámetro de vástago tentativo a utilizar, posteriormente se ubican los puntos de los valores previamente ajustados al diseño como la Carrera del pistón en (mm) y la Fuerza en (N). Imagen 85. Diámetro del vástago respecto a la carrera y la fuerza

Fuente: [En línea ] http://platea.pntic.mec.es/~jgarrigo/1bch/archivos/3eva/7_actuadores_neumaticos

.pdf [Citado en Junio de 2.017]

118

De esta manera se selecciona un diámetro de vástago de 19mm y por último se identifica la posición del montaje y aplicación del cilindro mediante los postulados de la imagen 86. En este caso la aplicación es de apriete. Imagen 86. Montaje y aplicaciones de un cilindro

Fuente: [En línea] http://platea.pntic.mec.es/~jgarrigo/1bch/archivos/3eva/7_ actuadores

_neumaticos.pdf [Citado en Junio de 2.017]

6.5 SISTEMA DE PRENSADO. La apertura del marco de sujeción se realiza mediante un amortiguador a gas imagen 87; “el amortiguador a gas, en su versión más simple, está compuesto por un cuerpo cilíndrico (C) y por una varilla de acero rectificada (S) denominada vástago, en cuyo extremo va montado un pistón (P) que realiza los ciclos de compresión y extensión con respecto al cuerpo (C) atravesando un anillo guía estanco. El cuerpo contiene nitrógeno en estado gaseoso a presión (indicado por las flechas) y aceite (O). En la fase de compresión, el gas atraviesa unos pasos

119

Perilla

situados en el pistón (F), desde la parte situada por debajo del pistón (B) a la parte superior (A)”. 37 Imagen 87. Esquema amortiguador a gas

Fuente: [En línea] : http://www.vapsint.com. [Citado

en Junio de 2.017]

Imagen 88. Perilla de seguridad El amortiguador a gas nombrado anteriormente será utilizado para la apertura automática del marco de sujeción una vez sea retirada la perilla del mismo como se muestra en la Imagen 89. Imagen 89. Ensamble amortiguador a gas

37 FUENTE: [En línea] ˂ http://www.vapsint.com ˃ [Citado en Julio de 2.017]

120

6.6 SISTEMA DE CONTROL Las operaciones tales como el movimiento horizontal de la caja de resistencias, alimentación y corte del film PVC estarán complementadas con sensores de final de carrera debido a que es pertinente asegurar que no ocurran choques operativos entre subsistemas, estos serán programados de tal forma que se efectúen las tareas de manera secuencial y no simultánea.

121

7. ANÁLISIS POR ELEMENTOS FINITOS Es importante en todo diseño tener como soporte y confirmación de los cálculos, un software para analizar las piezas o elementos críticos. Por tal razón en este capítulo se analizarán las deformaciones que se generan en la estructura. Se realizó el análisis por elementos finitos mediante simulaciones usando el software Solid Edge ST8. 7.1 ANÁLISIS DE LA ESTRUCTURA Como se mostró en el capítulo anterior, la estructura de esta máquina está fabricada con un perfil cuadrado de 25mm por 25mm x 1,6. Se utiliza este tipo de perfil porque es más comercial y de buena robustez para garantizar que la estructura resista la carga a la que es sometida. El material de toda la estructura es de acero AISI 304, bastante comercial y común en la fabricación de estructuras de acero; sus características se encuentran en el ANEXO D. Para el análisis de la estructura se tomó en cuenta todos los subsistemas de la máquina, los cuales realizan una fuerza sobre la estructura y su división por subconjuntos como se observa en la Imagen 90; Imagen 90. División por subsistemas

122

En la Imagen 91 se muestra la masa total de la máquina. - Imagen 91. Masa total de la máquina Ahora se analizará el sistema estructural con todos los subsistemas. Tabla 8. Propiedades de estudio de la máquina

Propiedad del estudio Valor

Nombre del estudio Estudio estático 1

Tipo de estudio Estático lineal

Tipo de mallado Tetraédrico

Solucionador iterativo Activado

Verificación de geometría de NX Nastran Activado

Línea de comandos de NX Nastran

Opciones de estudio de NX Nastran

Opciones generadas de NX Nastran

Opciones predeterminadas de NX Nastran

Opción de sólo resultados de superficie Activado

123

Tabla 9. Geometría del estudio de la máquina

NOMBRE DEL SÓLIDO MATERIAL MASA

ANÁLISIS GENERAL.PAR:1 Acero inoxidable, 304 (Ocurrencia) 53.762 kg

Tabla 10. Propiedades del material

Propiedad Valor

Densidad 8027.000 kg/m^3

Coeficiente de expansión térmica 0.0000 /C Conductividad térmica 0.017 kW/m-C

Calor específico 502.000 J/kg-C

Módulo de elasticidad 193053.196 MPa

Coeficiente de Poisson 0.290

Límite elástico 255.106 MPa

Tensión de rotura 579.160 MPa

% de elongación 0.000

Imagen 92. Cargas aplicadas

124

Tabla 11. Cargas aplicadas

Nombre de carga

Tipo de carga

Valor de carga

Distribución de carga

Dirección de carga

Opción de dirección de

carga

Fuerza 1 Fuerza 8.65e+05 mN Total ( 0.00, 0.00, -

1.00 ) A lo largo del vector

Fuerza 2 Fuerza 1.2e+05 mN Total ( 0.00, 0.00, -1.00 )

A lo largo del vector

Fuerza 3 Fuerza Fx: 0 mN, Fy: 0 mN, Fz: -4.06e+05 mN

Total Componentes

Fuerza 4 Fuerza 2.43e+05 mN Por entidad ( 0.00, 0.00, -1.00 )

A lo largo del vector

Imagen 93. Restricciones Tabla 12. Restricciones

NOMBRE DE RESTRICCIÓN

TIPO DE RESTRICCIÓN

GRADOS DE LIBERTAD

FIJO 1 Fijo GRADOS DE LIBERTAD DISPONIBLES: Ninguno

125

Imagen 94. Desplazamiento (traslación total)

Tabla 13. Resultados de desplazamiento

COMPONENTE DE RESULTADOS: TRASLACIÓN TOTAL

EXTENSIÓN Valor X Y Z

MÍNIMA 0 mm -1315.000 mm -479.286 mm -6.350 mm

MÁXIMA 7.52 mm 870.000 mm -3.459 mm 1783.000 mm

126

Imagen 95. Esfuerzo de tensión de Von Mises

Tabla 14. Resultados de tensión de Von Mises

Componente de resultados: Von Mises Extensión Valor X Y Z

Mínima 2.87e-06 MPa 1415.000 mm 565.000 mm 0.000 mm Máxima 116 MPa -870.000 mm 6.918 mm 1793.000 mm

127

Imagen 96. Factor de seguridad

Tabla 15. Resultados del factor de seguridad

Extensión Valor X Y Z

Mínima 2.21 -870.000 mm 6.918 mm 1793.000 mm

Máxima 1.05e+08 890.000 mm 67.735 mm 1773.001 mm

Según se muestra en la Tabla 15 el resultado del factor de seguridad de la máquina es de 2.21, es decir que la materia usado soporta a satisfacción todos los componentes de los subsistemas ensamblados.

128

8. SISTEMA ELÉCTRICO Y DE CONTROL AUTOMÁTICO Para la implementación de la secuencia de movimientos de la máquina, se debe tener en cuenta el tipo de componentes que deberán interactuar para realizar el empacado al vacío. Entonces, el sistema de automatización y control deberá encargarse de los siguientes elementos. Actuadores neumáticos. Para el caso de ésta máquina son necesarios cuatro

actuadores, los dos primeros tienen como función el ascenso y descenso del marco de sujeción. El tercer actuador realiza el movimiento de la caja de resistencias para ponerlas en funcionamiento y el por último el cuarto actuador tiene como objetivo ejecutar el movimiento de la cuchilla de corte

Motorreductor. La función que tiene es realizar el movimiento giratorio de los

rodillos con ello se estira el rollo de film de PVC y adicionalmente inserta el film dentro del marco de sujeción

Válvulas electro neumáticas 5/2. Mediante la obturación de un pulsador, ésta

permite el avance y retroceso de los actuadores neumáticos Finales de carrera. Estos serán ubicados para establecer la posición de las guías

de movimiento De acuerdo con lo anterior se establece la rutina o secuencia que debe tener el sistema de automatización y control para que se realice con éxito el empacado al vacío. 1. Para poder realizar el primer movimiento, B se debe encontrar en 0, es decir el actuador neumático debe ubicar las resistencias al lado izquierdo de la máquina para que ésta no se vaya a chocar con el marco de sujeción como es mostrado en la Imagen 97; Imagen 97. Posición inicial cajón resistencia

B0 B1

129

2. Luego el sensor que está ubicado en el marco de sujeción debe estar abierto es decir su posición es A1, para poder introducir el film de PVC como se muestra en la Imagen 98; Imagen 98. Posición inicial marco de sujeción

3. Adicionalmente los actuadores neumáticos que dan movimiento al marco de sujeción se deben encontrar en la posición C1, como se muestra en la Imagen 99; Imagen 99. Posición inicial actuadores neumáticos

A1

A0

C1

C0

130

4. El actuador neumático que realiza el movimiento de corte por medio de la cuchilla se debe encontrar en la posición D0 como es mostrado en la imagen 100; Imagen 100. Posición inicial cuchilla 5. Una vez se encuentren todos los actuadores en su posición inicial se procede a energizar el servomotor para poder insertar el film de PVC dentro del marco de sujeción, transcurrido un tiempo de 8 segundos el servomotor se apagará, luego se procede a cerrar manualmente el marco de sujeción dejando así el sensor en posición A1, como se muestra en la Imagen 101. Imagen 101. Cierre manual del marco de sujeción

D1

D0

A1

A0

131

Cuando el sensor se encuentre en posición A0 los actuadores encargados de realizar el movimiento a la cuchilla irán desde D0 hasta D1 y viceversa para realizar el corte del film de PVC; 6. El actuador neumático que realiza el movimiento a las resistencias se debe ubicar en la posición B1, esto para que las resistencias que van ubicadas en su interior se energicen y así puedan calentarse para realizar el ablandamiento del film de PVC, adicionalmente se deben colocar los accesorios que se deseen empacar, como es mostrado en la Imagen 102; Imagen 102. Movimiento del cajón de la resistencia 7. Una vez la resistencia llega a su temperatura correcta y el film de PVC esta deformado se procede a ubicar los actuadores neumáticos es posición C0 para que el film de PVC y los accesorios entren en contacto y así poder generar una señal para el accionamiento de la bomba de vacío, mientras ello ocurre la caja de resistencias por medio del actuador neumático tomara su posición inicial B0, como es mostrado en la Imagen 103;

B0 B1

132

Imagen 103. Cierre del marco de sujeción y movimiento cajón de la resistencia Luego de transcurridos 10 segundos la bomba de vacío se apagará, dejando así el plástico adherido al cartón litográfico y a los accesorios a empacar. 8. Transcurrido el tiempo necesario de enfriamiento es necesario abrir el marco de sujeción manualmente para realizar el retiro de los accesorios empacados como se muestra en la Imagen 104; 9. Por último el marco de sujeción se ubicará en la posición C1, esto para realizar un ciclo nuevo de empacado; Imagen 104. Apertura manual del marco de sujeción

C1

C0

B0 B1

133

Descritos los pasos anteriores en donde se muestran los pasos a seguir de manera automática ahora se procede a seleccionar el controlador el cual será el encargado de gobernar y dirigir los movimientos de los actuadores neumáticos, ciclos de calentamiento y de vacío.

El controlador programable elegido es LOGO Siemens ya que este permite que

el operario tenga una interacción mínima con los movimientos automáticos de la máquina, debe ser programado para que al momento de ingresar los datos de entrada como señales el controlador procese las señales y se obtengan datos de salida, con este tipo de controlador los datos de entrada pueden ser pulsadores o sensores. (ANEXO M)

Se eligió este tipo de controlador y no un PLC ya que los movimientos de la máquina no superan tres movimientos simultáneos y uno de los requerimientos del controlador LOGO es que sean automatizaciones cortas, sin dejar al lado el aspecto financiero donde la diferencia entre estas dos opciones es relevante.

El tamaño del LOGO permite alojarlo en cualquier costado del perfil estructural. La programación se realiza de forma sencilla, mediante lenguaje grafico de puertas lógicas (and, or, nand, nor), y en Modo parametrización que es el que permite al usuario realizar los ajustes de la instalación sin modificar el programa, decidiendo cuales son los parámetros que se puedan cambiar. Es decir que, si desea que el tiempo de un temporizador no sea modificado, se puede configurar dicho bloque para que no esté disponible en la parametrización.

Ejecutada con las seis teclas que están en la parte frontal, donde también se observara el estado de entradas - salidas y todas aquellas variables previamente determinadas. El controlador LOGO se conecta a mediante cables especiales que distribuye la misma compañía SIEMENS. El software de programación para PC es el Logo Soft que permite la

programación de forma gráfica sobre el LOGO, los cartuchos de memoria EEPROM pueden ser programados directamente con el PC en conexión directa con el cable y estos ajustes se pueden almacenara en el disco duro en forma de fichero.

Una de las ventajas que se obtiene al usar este tipo de controladores es que el cableado es más sencillo para el ensamble de la máquina. Como se ilustra en la Imagen 105 el cableado de LOGO de los elementos automatizados en cada uno de los subsistemas.38

38FUENTE: [En línea] ˂ http://siemenslogo.com/que-es-un-siemens-logo/ ˃ [Citado en Abril de 2.017]

134

En la Imagen 105 se indican el esquema de programación de las variables que pueden ser modificadas en el controlador LOGO tales como la temperatura y tiempos entre operaciones. Imagen 105. Esquema de programación para LOGO

Fuente: [En línea] http://www.infoplc.net/descargas/218-siemens/automatas/logo/ 2402-introduccion-programacion-logo [Citado en Abril de 2.017]

135

Imagen 106. Diagrama neumático

Imagen 107. Entrada de posicionamiento

136

Imagen 108. Diagrama de estados

137

Imagen 109. Plano eléctrico

138

9. ELABORACIÓN DE MANUALES Las máquinas comercializadas y/o puestas en servicio deben ir acompañadas de un manual con instrucciones de ensamble, operación y mantenimiento para garantizar el correcto funcionamiento. Se recomienda leer y seguir paso a paso los manuales ya que la efectividad durante la puesta en marcha depende de la precisión y que todos los mecanismos estén en su debida posición con sus respectivos ajustes, el manual de mantenimiento a su vez le proporciona la información necesaria para tener en cuenta a la hora de realizar las principales tareas preventivas o correctivas y actividades pre-operativas y de esta forma acatar las normas de seguridad que se deben tener en cuenta para así evitar daños mecánicos. Los manuales se dan con el objetivo de prever una adecuada operación y una larga vida útil de la máquina, por lo tanto, a lo largo del siguiente capítulo se presentan; como punto de partida se debe analizar la posición de origen. 9.1 MANUAL DE ENSAMBLE Imagen 110. Posición de origen de la empacadora

139

La Imagen 110 visualiza la ubicación de todos los subsistemas en la correcta posición en la estructura; Antes de empezar con el ensamble de la máquina se debe alistar y limpiar el lugar en donde la máquina será ensamblada, se recomienda que el personal que proceda a realizar el montaje cuente con conocimientos previos a montaje de elementos estructurales o sea supervisado por alguien que los tenga. A continuación, se describirá paso a paso el orden de ensamblado de cada componente; Paso 1. Montaje de estructura. En este paso se fijan los perfiles en c por medio de los tornillos de acero inoxidable 304 (ANEXO I) con su respectiva tuerca y arandela. Inicialmente se sueldan todas las piezas de la estructura, la descripción detallada se encuentra en el plano 4 donde están los detalles y posiciones de los distintos elementos que la componen. Se deben ajustar el pie de amigo Imagen 111. a cada lado con la tornillería correspondiente al pistón sin vástago de 1.350 mm de recorrido marca AIRON que será el encargado de transportar horizontalmente la resistencia eléctrica. Imagen 111 Ensamble 1 Posicionar el pistón sin vástago en la estructura como se muestra en la Imagen 112 y ajustar con el conjunto de tornillos 304. Asegurarse que el acople (A) del cuerpo de la caja de la resistencia este hacia abajo. Imagen 112. Ensamble 2

A

140

Paso 2. Montaje del subsistema de calentamiento. Iniciando por el ajuste de la resistencia eléctrica a la lámina que la sujetará al cuerpo de la caja mediante una platina ajustada por el tornillo correspondiente, como se observar en la Imagen 113. Imagen 113. Montaje subsistema de calentamiento

La ubicación de las terminales de la resistencia debe coincidir con los orificios destinados para aquella instalación, como se observa en la Imagen 114. Imagen 114. Ensamble 3 Imagen 115. Ensamble 4 Como se observa en a imagen 115 se debe fijar en primera instancia el cuerpo de la caja con el acople (A) del pistón sin vástago del ensamble 2; ubicar y ajustar el aislamiento térmico y posteriormente el ensamble 3.

1

2

Cuerpo de la caja del subsistema de calentamiento

Aislamiento térmico - Fibra de vidrio

Ensamble 3

A

Lámina

Resistencia eléctrica

Platina

Tornillo

141

Imagen 116. Ensamble 5 Para finalizar, la instalación en la imagen 116 del subsistema de calentamiento, se debe asegurar mediante pasadores roscados el ensamble 3 al cuerpo de la caja en la ranura que está destinada a sostener todo el conjunto. Vista parcial del proceso correcto de instalación de subsistema de calentamiento Imagen 117. Imagen 117. Ensamble 6 Paso 3. Con mucha precaución este proceso de instalación debe ser lento ya que no se desean fugas durante la operación de succión, el montaje de la recamara de vacío empieza así, Imagen 118. Imagen 118 Ensamble 7

142

Ubicar en un plano uniforme los listones de cedro y proceder en la unión de estos mediante los tornillos auto perforantes y el epóxido termoresistente Bóxer, como se observa en la Imagen 119. Imagen 119. Ensamble 8

Del mismo método que el montaje 7 se une la lámina perteneciente a la tapa inferior ver Imagen 120. Imagen 120. Ensamble 9 Posteriormente al sellamiento de éste conjunto se fija el acople y el racor del subsistema de vacío como se observa en la Imagen 121 Imagen 121. Ensamble 10

Acople

Racor

143

Por último, se asegura la lámina de aluminio al cuerpo ya formado en el ensamble 8 mediante el mismo método de unión que se utilizó en este subsistema ver Imagen 122. Imagen 122. Instalación final de la recamara de vacío

Imagen 123. Ensamble 11 Para finalizar el ensamble de la recamara de vacío a la estructura se deben colocar antes el perfil de unión a la estructura como lo muestra la Imagen 123.

144

Imagen 124. Ensamble 12

Fijar el conjunto en la posición alusiva en la Imagen 124 a la estructura y posteriormente completar el montaje con el conjunto de tornillos 304 por la parte interior como se muestra en la Imagen 125. Imagen 125. Ensamble 13 Tras completar el ajuste final de la recamara de vacío se procede a acoplar el resto de componentes Imagen 126. que completan el subsistema de accesorios a la bomba de vacío. Ajustar los soportes de los actuadores neumáticos, ver Imagen 126.

145


Imagen 127. Subsistema de vacío instalado Vista parcial del proceso correcto de instalación del subsistema de vacío terminado y con la bomba de succión en la posición de trabajo, observado en la Imagen 127. Paso 4. Fijación de pie de amigo a la estructura correspondiente a los actuadores neumáticos que ejecutarán el ascenso y descenso del marco de sujeción.

146

Imagen 128. Ensamble 15 Colocar de forma vertical los actuadores neumáticos marca MICRO con la parte del pistón hacia abajo y la parte del vástago hacia arriba como lo indica la Imagen 128. Imagen 129. Ensamble 16 Ensamblar el marco de sujeción de arriba hacia abajo como lo indica la Imagen 129 encajando las aletas con el inicio roscado del vástago y unido mediante la tuerca de seguridad.

147


Asegurar los amortiguadores de gas en la parte posterior del marco de sujeción con los tornillos 304 correspondientes, como se observa en la Imagen 130. Imagen 131. Ensamble 18 Asegurar la barra de teflón encargada de alargar la vida útil de la cuchilla Rhino que cortara el film plástico PVC sobre ésta Imagen 131. colocada de forma horizontal sobre la estructura, unida mediante 5 tornillos 304.

Barra de teflón

148


Instalación de los rieles guías del film plástico para la operación de alimentación del mismo hacia el arco de sujeción, como se observa en la Imagen 132. Imagen 133. Ensamble 20

Acople del conjunto de instalación del actuador neumático, pistón sin vástago de 800 mm de recorrido marca AIRON, en los costados y acoplar a la porta cuchilla como se muestra en la Imagen 133. Imagen 134. Ensamble 21

149

Unir el conjunto resultante del ensamble 20 a la estructura de forma paralela a la barra de teflón mediante tornillos de acero inoxidable 304 como se visualiza en la Imagen 134. Imagen 135. Ensamble 22.

Ensamblar la cuchilla en la porta cuchilla tal como se ve en la Imagen 135. Imagen 136. Ensamble 23

Acoplar a los ejes encauchados en los extremos los rodamientos con sus correspondientes chumaceras como se observa en la Imagen 136.

150


Como se muestra en la Imagen 137 se debe acoplar el eje tensor a la estructura mediante el conjunto de tornillos 304. Imagen 138. Ensamble 25

Las láminas mecanizadas que soportaran el rollo de alimentación de film PVC serán las siguientes en el montaje, deben ser instaladas en forma tal como se muestra en la Imagen 138 mediante el conjunto de tornillos 304, con la precaución de que los apoyos de teflón sobresalgan a la estructura y estén apuntando hacia arriba.

151

Imagen 139. Ensamble 26 Ubicar y ajustar mediante los tornillos 304 las guías y soportes donde se ensamblarán los dos ejes encauchados faltantes para completar el ensamble del subsistema de alimentación y corte como se observa en la Imagen 139. Imagen 140. Ensamble 27

Unir las chumaceras de los ejes encauchados correspondientes al rodillo de ajuste de fricción en la parte superior y el rodillo motriz de alimentación en la parte inferior mediante los tornillos en la posición que lo indica la Imagen 140.

152

Imagen 141. Ensamble 28 Para concluir el montaje del subsistema de alimentación y corte de debe ubicar el acople directo Imagen 141 que trabajará en conjunto con el servomotor SIEMENS. Imagen 142. Ensamble 29 Unir al perfil mecanizado el servomotor mediante los correspondientes pernos y fijar con mucha atención dicho perfil a la estructura revisando que el eje de trabajo del servomotor encaje exactamente con el acople del montaje anterior.

153

Imagen 143. Ensamble 30 Para completar el montaje de la máquina se ubican el sistema de control y la caja de electro-válvulas en la posición mostrada en la Imagen 143 mediante los tornillos de fijación correspondientes al sistema LOGO (ANEXO M). La conexión entre controlador logo y la caga de electroválvulas esta dado mediante tubería cableada sujeta al marco estructural; las demás conexiones neumáticas como mangueras estarán conectadas directamente a la caga de electroválvulas que es quien gobierna todos los componentes neumáticos. 9.2 MANUAL DE OPERACIÓN Imagen 144. Descripción del equipo

154

Máquina empacadora al vacío para piezas de licuadora, construida en acero AISI 304, con un área de trabajo de 650 x 900mm. Capacidad de empaque (Ver Cuadro 21) Subsistema de ascenso y descenso del marco de sujeción por actuadores Subsistema de calentamiento a 85 a 90 °C por medio de resistencia eléctrica Subsistema de alimentación y corte guiado mediante rodillos automatizados 9.2.1 Recomendaciones de seguridad. En el Cuadro 26 se describen algunas señalizaciones para dar información de seguridad al operario y cualquier otra persona que se encuentre a los alrededores de la máquina, con el fin de evitar accidentes a nivel humano o mecánico. Cuadro 26. Recomendaciones de seguridad

Tipo Señalización Recomendaciones

Riesgo de atrapamiento

El operario debe tener precaución en estas áreas, debido a que los rodillos pueden atrapar cualquier extremidad o cualquier otro elemento.

Riesgo mecánico

El operario debe tener precaución en todos los movimientos que realice la máquina ya sean manuales o automáticos, mayormente en donde se efectúen movimientos mecánicos como la succión de vacío y los movimientos de todos los actuadores neumáticos.

Riesgo eléctrico

Los elementos que requieran suministro eléctrico no deben ser golpeados ni sufrir ningún tipo de movimiento brusco el cual cause corto entre conexiones.

155

Cuadro 26. (Continuación)

Uso obligatorio de guantes

El operario debe usar guantes de nitrilo para evitar cortes o incrustaciones o alguna anomalía en cualquier parte del ciclo o en el mismo accesorio a empacar.

Uso obligatorio de overol de trabajo

El operario debe vestir overol de trabajo para protección del cuerpo en general, de cualquier partícula en suspensión que lo pueda afectar.

Uso obligatorio de botas de trabajo

El operario debe portar durante la operación de la empacadora bota de protección para prevenir que cualquier objeto o accesorio al caer ocasione afectación a alguna extremidad inferior.

Uso obligatorio de gafas de seguridad

El operario debe llevar gafas de protección para asegurarse de que cualquier impureza de la operación o del producto no entra en contacto con los ojos.

Riesgo de Incendio

Aviso de precaución de fuego

No encender fuego en las cercanías a la máquina ni fumar cerca de ella.

Para la manipulación de cilindros neumáticos, el servomotor y pistón sin vástago, se recomienda tener en cuenta las siguientes recomendaciones que proponen

156

AIRON y SIEMENS, proveedores de componentes seleccionados durante la realización del proyecto; Manejo solo por personal experto Debe evitarse que los cilindros sufran impactos o golpes, razón por la cual todos

deben asegurarse por medio de anclaje; nunca deje caer los cilindros ni permita que se estrellen unos con otros

Nunca someta los cilindros a abusos mecánicos, ni a temperaturas que excedan

de 52 °C No coloque los cilindros donde puedan formar parte de un circuito eléctrico Jamás levante los cilindros por medio de herramientas o equipos mecánicos tales

como eslingas, de la tapa o caperuza, ni con electro imanes No se podrán manejar los cilindros con las manos o herramientas impregnadas

de grasa. Verifique que los cilindros lleven grabado en su estructura los datos de presión

máxima de trabajo, fabricante y número de serie. De igual forma deben llevar inscritos el nombre, presión máxima de carga, peso del cilindro vacío, capacidad máxima y nombre del envasador. No utilice el cilindro por fuera de estas especificaciones.

Durante la operación de la máquina se deben identificar todas las señales de seguridad (Cuadro 26), para prevenir un accidente que pueda afectar la integridad del operador. Adicional para el beneficio de la máquina el criterio ingenieril de seguridad sugiere leer las siguientes recomendaciones de uso; Utilizar los elementos de protección personal

En caso de emergencia debe accionar el obturador de paro de emergencia

ubicado de forma estratégica en un costado visible de la estructura ver Imagen 145.

157

Imagen 145. Obturador de paro de emergencia 9.2.2 Encendido de la máquina. Es importante que antes de poner en marcha la máquina el operario realice la inspección pre operativa de la unidad de mantenimiento, luego las señales de aire y de energía, la primera para asegurar la correcta presión del sistema y la segunda para verificar la corriente de energía requerida; por último, se asegure de que la máquina se encuentre conectada correctamente a la toma. 9.2.3 Precaución de operación. Para poder realizar el empacado, verificar que la mesa de trabajo no tenga ningún elemento que afecte la operación de succión de aire es decir que se tapone alguno de los orificios e impida la correcta circulación del flujo de aire entre el cartón litográfico y la mesa trabajo como se observa en la Imagen 146. Imagen 146. Mesa de trabajo libre de impurezas Es importantes que al iniciar la labor se verifique que se encuentre la cantidad suficiente de film plástico de PVC para la jornada de trabajo o para los ciclos necesarios de empacado y que la inspección de posición y el ajuste de la cuchilla estén correctos.

158

9.2.4 Operación manual. El operario después de verificar que los ítems anteriores estén validados es el encargado de alimentar el cartón litográfico correspondiente a la pieza a empacar y las piezas; esta operación es el punto de partida para que la máquina opere a satisfacción; posteriormente y finalmente como operación manual debe retirar las piezas ya empacadas. La operación extra que debe cumplir el operario cada vez que el film plástico se termine por completo, es enhebrar entre el rodillo de ajuste de fricción y el rodillo motriz el comienzo del nuevo film plástico que se mantendrá a disposición del siguiente ciclo. La configuración inicial de la máquina o punto de inicio de origen debe conocerse para detallar que el marco de sujeción se localiza cerrado, los actuadores neumáticos con el pistón fuera del vástago, la caja de resistencias enfrentada a la bomba de vacío y el film de PVC a disposición como se observa en la Imagen 147. Imagen 147. Origen de máquina Ahora se describen el paso a paso adecuado para operar la máquina empacadora al vacío, después de hacer la labor manual pre operativa de la máquina para la realizar la operación de empaque a satisfacción.

159

Imagen 148. Paso 1 La primera tarea es ejecutar, mediante el primer pulso ver Imagen 149 se dará inicio al movimiento rotacional del rodillo motriz alimentando automáticamente el film PVC hacia el marco de sujeción. Imagen 149. Paso 2 Ajustar la temperatura de trabajo o temperatura vítrea de 85°C de la resistencia en la pantalla del controlador, como se observa en la Imagen 149.

160

Imagen 150. Paso 3 Cuando el film PVC llegue a la posición final del marco de sujeción el operario debe ajustar el mismo mediante el pasador para que la cuchilla proceda al movimiento de corte horizontal como se observa en la imagen 151. Imagen 151. Paso 4 El siguiente pulso llevara la caja de resistencia del punto de origen mostrado en la Imagen 152 a la posición de trabajo paralelo al film PVC previamente enhebrado en el marco de sujeción y cortado a la medida requerida. Imagen 152. Paso 5

161

Revisar que la superficie de trabajo esté limpia y libre de cualquier impureza. Imagen 153. Paso 6 .

El paso 6 corresponde a la operación manual que debe cumplir el operario, de colocar sobre la mesa de trabajo el cartón litográfico y sobre esté las piezas correspondientes al ciclo; la ubicación de las piezas se debe hacerse conforme a la silueta estampada en el cartón litográfico.

Imagen 154. Ubicación de los accesorios

Ubicación uniforme de los accesorios correspondientes a cada ciclo de manera ordenada, como es mostrada en la Imagen 154 la geometría más compleja es el vaso de licuadora Oster que deben ser empacados de forma paralela al área de trabajo.

162

Imagen 155. Paso 8 El siguiente pulso está definido como el calentamiento uniforme de la lámina de film PVC gracias al posicionamiento enfrentado de la resistencia a la misma ver Imagen 155; se espera que el fenómeno termodinámico ocurra entre esos dos elementos en un tiempo de 1.5 a 2 minutos. Imagen 156. Paso 9 Después del tiempo requerido en el paso 9, la lámina de film PVC se encuentra reblandecida y a disposición de cumplir el recubrimiento de las piezas junto al cartón litográfico como se observa en la Imagen 156.

163

Imagen 157. Paso 10 Cumplido el tiempo y las propiedades térmicas descritas anteriormente para la lámina PVC, los actuadores neumáticos descenderán de forma vertical causando que la lámina reblandecida se adhiera con el accesorio y el cartón litográfico. En el Diagrama 4 se hace un resumen de las instrucciones anteriormente dadas y de la puesta en marcha;

164

Diagrama 4. Resumen manual de operación

Revisar unidad de

mantenimiento

Limpiar superficie de trabajo subsistemas

Verificar el buen funcionamiento de la

resistencia

Accionar pulso secuencial

Verificar que todos los cilindros inicien en

posición inicial

Ubicar accesorios a

empacar

Inspeccionar disponibilidad de energía

y aire

Ubicar el cartón litográfico

MANUAL DE OPERACIÓN

Revisar el suministro necesario de film PVC

Retirar piezas empacadas

165

9.3 MANUAL DE MATENIMIENTO El objetivo del manual de mantenimiento es definir todas las acciones para conservar o reparar toda la máquina empacadora al vacío; en este manual el operario encuentra todas las indicaciones y posibles acciones que debe tener en cuenta para realizar el adecuado proceso de mantenimiento en las partes donde se requiera. La unidad de criterio de mantenimiento es según el componente, es decir por número de horas trabajadas o ciclos completados. Se promedia que sí;

1 turno laboral = 8 h → 28.800 s

1 ciclo de operación = 15 min → 900 s

28.800 s

900 s = 32 ciclos ∗ Turno laboral

Mantenimiento de la estructura. Confirme todos los elementos de fijación se encuentren en buen estado (soldaduras y conjunto de tornillos 304), verificar el estado de los perfiles en busca de golpes, abolladuras o corrosión. Imagen 158. Mantenimiento de rodamientos Inspección de Rodamientos ver Imagen 158. Los rodamientos en funcionamiento solo requieren el aporte de lubricante, pero pueden presentar deterioro debido a la vibración por desalineación. Gracias a que los rodamientos están fijos e incorporados a las chumaceras y que la elección de dichos rodamientos fue libre de mantenimiento, solo resta ajustar mensualmente las platinas donde están fijados y verificar el correcto ajuste entre el rodillo ajustable (parte superior) y el rodillo motriz (parte inferior), dicho ajuste será para satisfacer la fricción necesaria para el desplazamiento del film PVC.

Rodillo ajustable

Rodillo motriz

166

Imagen 159. Inspección del subsistema de vacío Las Posibles fugas deben revisarse cada 200 ciclos de operación, las fugas se manifiestan especialmente en los accesorios de la bomba como los extremos de conexión de la manguera (acoples, racores). Para estos el mantenimiento consiste en verificar que no existan movimientos propios al desajuste o vaivén, de lo contrario se debe ajustar la tornillería correspondiente al acople y los racores, manualmente, como se observa en la Imagen 159. Imagen 160. Inspección de la recamara de vacío

Limpieza de la recamara de vacío comienza por verificar que los orificios que permiten la conducción de aire ver Imagen 160, que no se encuentren obstruidos por material residual que se acumula tras cada operación, esta obstrucción se retira con una limpieza diaria antes de la operación de turno, la revisión de la cavidad de la recamara de vacío se debe realizar cada 3 meses, empezando con retirar la tapa superior de la recamara y deshabilitando la manguera, retirar cuidadosamente cualquier partícula u obstrucción, detallando si se están formando porosidad en el cuerpo de la caja; si fuera así esta operación de mantenimiento de debe ejecutar cada mes.

Tapa superior

167

Imagen 161. Inspección de la cuchilla de corte El cambio de barra de teflón debe realizarse anualmente ver Imagen 161, aproximadamente cada 9.600 a 10.000 ciclos por desgaste del corte, cambio de cuchilla cada 10.000 cortes acorde indicación del fabricante. Imagen 162. Inspección de resistencias La revisión mensual de la resistencia ver Imagen 162, consiste en ajustar las terminaciones de las conexiones y retirar las partículas de film plástico adheridas por operaciones anteriores. Nota: El mantenimiento, cualquiera que sea este, debe realizarse con la máquina desenchufada, es decir deshabilitar y desenergizar todos los subsistemas y componentes de aire y energía. Realizar ajustes generales a toda la tornillería. A continuación, se detalla un conjunto de directrices para identificar inconvenientes potenciales y sus posibles efectos en la empacadora, para priorizarlos y poder concentrar los recursos en planes de prevención, supervisión y respuesta. Análisis de Causa y Efecto de Falla. Mediante el análisis de fallas se establecen posibles fallas inesperadas de manera efectiva y en el menor tiempo posible, nombradas en el Cuadro 27;

168

Cuadro 27. Análisis causa y efecto

Problema Causa Solución

Ruidos

- Rodamientos en mal estado - Estructura suelta - Rodillos desalineados

- Cambiar rodamientos - Reasegurar estructura - Alinear rodillos

Vibraciones

- Desajuste de actuadores neumáticos - Desajuste de actuadores pistón sin vástago - Mala conexión accesorios de la bomba de vacío

- Ajustar fijación de los actuadores neumáticos - Ajustar fijación de los actuadores pistón sin vástago - Apretar conexión accesorios de la bomba de vacío

Sobrecalentamiento

- Bomba de vacío en bajo voltaje - Defectuosa conexión de la resistencia eléctrica - Ruptura de la resistencia

- Ajustar Bomba de vacío en bajo voltaje - Apretar conexión de la resistencia eléctrica - Cambio de la resistencia

Rutina de mantenimiento. A continuación, se mencionan algunos pasos y actividades que se deben tener en cuenta para desarrollar el programa de mantenimiento y la frecuencia en la que se deben realizar, ver Cuadro 28.

169

Cuadro 28. Rutina de mantenimiento

COMPONENTE ACTIVIDAD

FRECUENCIA

Diario Semanal Mensual Trimestral

Motorreductor SIEMENS

Revisar ruido

Revisar temperatura

Revisar tornillos de anclaje

Revisar acople

Bomba de vacío

Revisar base soporte y alineación

Revisar filtro

Ajustar acople, racor y manguera

Revisar ruido

Revisar unidad de mantenimiento

Recamara de vacío

Limpieza orificios y superficie de trabajo

Limpieza interior

Rodamientos Revisar chumaceras

Revisar sistema de fijación

Estructura

Limpieza

Revisar uniones roscadas

Revisar soldaduras

Resistencia

Verificar rango de temperatura

Revisar terminaciones de conexión

Cuchilla Rhino Revisar filo

Revisar barra de teflón

Actuadores neumáticos

Revisar conexiones

Revisar soportes (pie de amigo)

170

10. EVALUACIÓN FINANCIERA En éste capítulo se identificarán los gastos y costos directos; los costos asociados al diseño, fabricación, mantenimiento y operación de la máquina, con el fin de conocer si la inversión en los activos reales del proyecto creará valor para los inversionistas, determinando el valor del proyecto y la viabilidad. 10.1 COSTOS Los costos de la elaboración de la máquina se dividen dependiendo la fase del proyecto, están los costos de ingeniería, los costos de fabricación y los costos de operación y mantenimiento, explicados así;

10.1.1 Para los costos de ingeniería. Se calcula la cantidad de horas utilizadas y los recursos necesarios para el desarrollo de la máquina empacadora al vacío como se muestra en el Cuadro 29; Cuadro 29. Costos de ingeniería

Ítems Unidad Cantidad

Costo unitario

Costo Total

Talento humano Pesos/hora Ingeniería investigador horas 800 $ 7.300 $ 5.840.000 Ingeniería Asesor horas 70 $ 15.000 $ 1.050.000 Total talento humano $ 6.890.000

Maquinaria y equipo Pesos Software (Solid Edge) licencia 1 $ 100.000 $ 100.000 Libros (catálogo) unidad 1 $ 12.000 $ 12.000 Total maquinaria $ 112.000

Fungibles Planos (tinta, papel) unidad 36 $ 8.000 $ 288.000 Informes horas 3 $ 120.000 $ 360.000 Total fungibles $ 648.000

Manutención Pesos

Transporte 400 $ 1.500 $ 600.000 Comida 100 $ 7.000 $ 700.000 Total manutención $ 1.300.000

Total antes de gastos adicionales $ 8.950.000 Contingencias (4%) $ 358.000 COSTO TOTAL INGENIERIA DEL PROYECTO (∑GASTOS) $9.308.000

171

10.1.2 Los costos de fabricación y ensamble. Son los costos a tener en cuenta en la etapa de fabricación; son aquellos propios del proceso de ensamble y creación de piezas, soldaduras, dobleces y cortes, teniendo en cuenta también los componentes que son comprados como el sistema de vacío, rodamientos, cuchilla, rodillos entre otros como lo muestra el Cuadro 30 y en el ANEXOS J, K, M, N. Cuadro 30. Costo de materiales

Nº ELEMENTO CANTIDAD VALOR

UNIDAD VALOR TOTAL

1 Tubería HR 20 x 20 cal 1,6 x 7 mts 6 $ 59.996 $ 359.976

2 Placas HR 12 x 12 1/4" 4 $ 48.819 $ 195.000

3 Placas HR 10 x 10 1/4" 2 $ 48.819 $ 97.638

4 Placas HR 40 x 30 1/4" 1 $ 48.819 $ 48.819

5 Angulo HR 1-1/4" cal 1/8" x 60 mm 2 $ 8.000 $ 16.000

6 Bisagra 1/4" 2 $ 4.500 $ 9.000

7 Lámina CR 150 x 120 cal 12 2 $ 25.000 $ 50.000

8 Lámina CR 100 x 77 cal 12 1 $ 25.000 $ 25.000

9 Resistencia tubular Ø10 x 3 mts Acero Inox 1 $ 64.000 $ 64.000

10 Platina HR 1" cal 1/8" 1 $ 3.200 $ 3.200

11 Ángulo HR 2" x 3/16" 2 mts 1 $ 8.000 $ 8.000

12 Platina HR 3/16" 100 x 100 mm 1 $ 3.200 $ 3.200

13 Platina HR 3/16" 50 x 100 mm 1 $ 3.200 $ 3.200

14 Listón de Madera tipo cedro 3,10 mts x 0,1 cal 20 2 $ 9.800 $ 19.600

15 Lámina Madera tipo cedro 680 x 950 cal 20 Tira 1 $ 9.800 $ 9.800

16 Lámina aluminio 680 x 950 cal 5 mm 1 $ 25.000 $ 25.000

17 Angulo HR 1-1/2" x 3/16 600 mm 1 $ 8.000 $ 8.000

18 Placa HR 50 x 80 cm x 1/4" 1 $ 48.819 $ 48.819

19 Placa HR 70 x 80 cm x 1/4" 2 $ 48.819 $ 97.638

20 Perfil redondo 1-1/4" x 50 mm 1 $ 4.500 $ 4.500

21 Perfil redondo 7/8 " x 30 mm 1 $ 4.500 $ 4.500

22 Platina HR 50 x 20 1 m 1 $ 13.400 $ 13.400

23 Barra de teflón 80 cm 1 $ 12.000 $ 12.000

24 Lámina HR 1/8" 800 x 120 mm 1 $ 25.000 $ 25.000

25 Lámina de HR 1/8" 800 x 180 mm 1 $ 25.000 $ 25.000

26 Platina 1-1/4" x 3/8" x 140 1 $ 3.900 $ 3.900

27 Perfil cuadrado 1-1/4" x 3/4" x 60 mm 1 $ 5.300 $ 5.300

28 Eje 2" x 1,1 mts Acero 1020 1 $ 13.800 $ 13.800

29 Lámina HR 1/4" 120 x 240 mm 2 $ 38.000 $ 76.000

30 Perfil redondo 1-1/2" 25 mm 2 $ 4.500 $ 9.000

31 Barra de teflón cilíndrico Ø35 x 70 mm 2 $ 11.000 $ 22.000

172

Cuadro 30. Continuación

Nº ELEMENTO CANTIDAD VALOR

UNIDAD VALOR TOTAL

32 Tubo 3" cal 3 mm x 1000 mm 1 $ 28.000 $ 28.000

33 Perfil redondo 7/8 " x 20 mm 1 $ 4.500 $ 4.500

34 Lámina HR 1/8 190 x 190 2 $ 25.000 $ 50.000

35 Varilla Cuadrada 5 x 5 x 20 4 $ 2.700 $ 10.800

36 Lámina HR 1/4" 190 x 100 mm 1 $ 25.000 $ 25.000

37 Lámina HR 1/4" 150 x 100 mm 1 $ 25.000 $ 25.000

38 Lámina HR 1/4" 100 x 100 mm 1 $ 25.000 $ 25.000

39 Cuchilla Rino 1 $ 25.000 $ 25.000

40 Actuadores neumático 2 $ 210.000 $ 420.000

41 Pistón sin vástago x 800 mm 1 $ 200.000 $ 200.000

42 Pistón sin vástago x 1.350 mm 1 $ 290.000 $ 290.000

43 Tornillos auto perforantes 8 $ 500 $ 4.000

44 Conjunto tornillería inoxidable 304 110 $ 650 $ 66.000

45 Conjunto Bomba de vacío 1 $ 958.900 $ 958.900

COSTO TOTAL DE MATERIALES DEL PROYECTO (∑GASTOS) $ 3´438.490

10.1.3 Los costos de fabricación. Se estipulan de acuerdo al proceso y tiempos de fabricación o mecanizado de cada pieza, montaje según sea el caso, para ello se realiza el Cuadro 31 con los precios actuales del taller Abrasivos y Corte, ubicado en Paloquemao (Bogotá D.C) encargado de prestar los servicios de torno, fresa, corte y soldaduras (ver ANEXO L). Cuadro 31. Costos de fabricación y montaje

Ítem Unidad Cantidad Valor

unidad Valor total

Tornero Hora 8 $ 27.000 $ 216.000

Cortadora Hora 12 $ 20.000 $ 240.000

Soldador Hora 8 $ 30.000 $ 240.000

Dobladora Hora 15 $ 25.000 $ 375.000

Auxiliar Hora 30 $ 27.000 $ 810.000

Eléctrico Montaje 1 $ 200.000 $ 200.000

Ensamble Hora 16 $ 25.000 $ 400.000

Taladrado Hora 8 $ 32.987 $ 263.894

Total antes de gastos adicionales $ 2.744.894

Gastos de contingencia 4% $ 109.795

Costo total de fabricación y montaje $ 2.854.689

173

En el Cuadro 32. se determina la sumatoria de los costos de ingeniería y los costos de montaje y fabricación como se muestra a continuación. Cuadro 32. Costo total de la inversión

Ítem Valor

Costos de ingeniería $ 9.308.000

Costos de elementos de la máquina $ 3.438.490

Costos de fabricación y montaje $ 2.854.689

SUBTOTAL $ 15.601.179

Contingencias (4%) $ 624.047

TOTAL $ 16.225.226

En el Cuadro 32 se observa el costo total de inversión es de $16.225.226, a este valor se le suma 10 % para la puesta en marcha debido a los gastos incurridos por perdidas de detención en la línea de empaque y equipos, defectos de diseño que deban solucionarse, falla de instrumentos o necesidad de equipos adicionales, sin olvidar la materia prima inicial para la operación.

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = $16.225.226 𝑥 0,1 = $1.622.522

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = $16.225.226 + $1.622.522 = $17.847.748

10.1.4 Los costos de operación y mantenimiento. Se determinan por las necesidades de la máquina como la fuente de alimentación y la persona que va a estar operando la máquina, así como los costos de mantenimiento y elementos que se usen para el mismo, el costo del operador no se tiene en cuenta ya que él realiza el proceso actualmente, ver Cuadro 33. Cuadro 33. Costo de operación y mantenimiento

ITEM UNIDAD CANTIDAD VALOR UNIDAD

VALOR TOTAL

Mantenimiento Unidad*año 1 $150.000 $ 150.000

consumo eléctrico

KW/h *año 1095 $ 376 $ 411.720

TOTAL $ 561.720

Con el diseño de esta máquina y al optimizar el proceso por medio de la automatización se reduce el tiempo de empacado de las piezas de licuadora en un 50%, puesto que el proceso ya no se va a realizar en 53 minutos o 1 hora sino en 1

4⁄ hora.

174

Generando una mayor producción y reduciendo costos, ya que el procedimiento podrá ser realizado por una sola persona significando un gran ahorro y mejor calidad en el producto. Cuadro 34. Costo del operario Cuadro 35. Costo del ayudante Cuadro 36. Costo de operación actual

Descripción Valor Unidad Cantidad Valor

Prima de servicios $ 230.000 $/Año 1 $ 230.000 Vacaciones $ 326.220 $/Año 2 $ 652.440 Cesantías $ 717.576 $/Año 1 $ 717.576 S.M.L.V $ 737.717 $/Año 12 $ 8.852.604 EPS $ 62.705 $/Año 12 $ 752.460 Pensión $ 88.526 $/Año 12 $ 1.062.312 Dotación $ 80.000 $/Año 1 $ 80.000 Auxilio de transporte $ 83.140 $/Año 12 $ 997.140

Total costos $13.344.532

Descripción Valor Unidad Cantidad Valor

Prima de servicios $150.000 $/Año 1 $ 150.000 Vacaciones $300.000 $/Año 2 $ 600.000 Cesantías $717.576 $/Año 1 $ 717.576 S.M.L.V $737.717 $/Año 12 $ 8.852.604 Dotación $ 80.000 $/Año 1 $ 80.000 Auxilio de transporte $ 83.140 $/Año 12 $ 997.140


Descripción Unidad Valor

Costo de energía $/Año $ 411.720 Costo de operario $/Año $13.344.532 Costo del ayudante $/Año $11.397.320 Costo mantenimiento $/Año $ 150.000


175

Cuadro 37. Costo del ciclo actual de empacado

Para determinar el costo actual de empacado se estableció el precio por cada pieza más el correspondiente empaque caja o bolsas como se mencionó en el capítulo 2 diagnóstico de la situación actual de la empresa, durante una jornada laboral, con una duración de cada ciclo de 54 minutos y la colaboración de un operario con ayudante. Para determinar el costo actual de empacado con el proyecto se mencionó el cuadro 38, del listado le piezas a empacar por ciclo y al valor por unidad se le resta el 10% del precio agregado que la empresa desea beneficiarse debido a la optimización de materia prima originada por el empaque actual valor reflejado en la suma del mismo porcentaje debido a la particularidad de empaque que se le está brindando a cada pieza con el proyecto.

Lista de accesorios Cantidad a

empacar por ciclo

Valor por unidad

Valor total pieza

empacada

Vaso licuadora Black & Decker 6 $ 13.000 $ 78.000

Vaso licuadora Samurai 6 $ 13.000 $ 78.000

Base baquelita seis puntas Oster 22 $ 6.000 $ 132.000

Base baquelita Black & Decker 22 $ 8.000 $ 176.000

Base baquelita Samurai 22 $ 8.000 $ 176.000

Conjunto licuadora Oster 6 $ 67.000 $ 402.000

Tapa licuadora Oster 28 $ 7.000 $ 196.000

Visor tapa Oster 40 $ 3.300 $ 132.000

Soporte motor Oster 22 $ 7.000 $ 154.000

Acople completo Oster 48 $ 2.700 $ 129.600

Embrague Nowaque 40 $ 9.800 $ 392.000

Anillo licuadora Oster 28 $ 11.000 $ 308.000

Embrague derecho Universal 28 $ 13.000 $ 364.000

Vaso para batidos 15 $ 23.000 $ 345.000

Base baquelita tres puntas Oster 28 $ 12.000 $ 336.000

Total costo empaque actualmente $ 3.398.600

176

Cuadro 38. Costo de ciclo de empacado con el proyecto

Los datos de cantidades vendidas actualmente durante un mes fueron suministrados por la empresa y se comparan con la misma cantidad de piezas a empacar durante el proyecto y el resultado de costo anual actual es; Cuadro 39. Costos actuales de operación

Durante el proyecto se menciona que la operación de la máquina empacadora al vacío para piezas de licuadora, se ejecuta con la manipulación de un operario eliminando la figura de ayudante.

Lista de accesorios Cantidad a

empacar por ciclo

Valor por unidad

Valor total pieza empacada

Vaso licuadora Black & Decker 6 $ 13.000 $ 70.200

Vaso licuadora Samurai 6 $ 13.000 $ 70.200

Base baquelita seis puntas Oster 22 $ 6.000 $ 118.800

Base baquelita Black & Decker 22 $ 8.000 $ 158.400

Base baquelita Samurai 22 $ 8.000 $ 158.400

Conjunto licuadora Oster 6 $ 67.000 $ 361.800

Tapa licuadora Oster 28 $ 7.000 $ 176.400

Visor tapa Oster 40 $ 3.300 $ 118.800

Soporte motor Oster 22 $ 7.000 $ 138.600

Acople completo Oster 48 $ 2.700 $ 116.640

Embrague Nowaque 40 $ 9.800 $ 352.800

Anillo licuadora Oster 28 $ 11.000 $ 277.200

Embrague derecho Universal 28 $ 13.000 $ 327.600

Vaso para batidos 15 $ 23.000 $ 310.500

Base baquelita tres puntas Oster 28 $ 12.000 $ 302.400

Total costo empaque actualmente $ 3.058.740


Costo de total empaque al vacío $/Año $ 40.783.200 Costo de operario $/Año $ 13.344.532 Costo del ayudante $/Año $ 11.397.320 Costo mantenimiento $/Año $ 150.000

Total costos $ 65.675.052

177

Cuadro 40. Costos de operación con el proyecto

Cuadro 41. Comparativo de costos

En el Cuadro 41 comparativo de los costos se ve reflejado el ahorro que hay en los costos de operación de acuerdo a los cálculos realizados para el proceso actual y del proyecto donde se puede determinar que el costo de operación del proyecto es menor que el actual. 10.2 ANÁLISIS FINACIERO La viabilidad del proyecto se analiza por medio del método CEA (costo anual equivalente), que plantea la comparación del costo de operación actual con el proyecto realizado, se evaluará con una proyección horizontal de 5 años. Se debe tener en cuenta que el proyecto es evaluado en pesos constantes ya que no se verá afectado por la inflación en cada periodo. El método CEA inicia por ajustar de acuerdo con la vida útil de los activos fijos depreciables que poseen las máquinas y equipos equivalente a 10 años según el decreto 3019 de 1989, se escoge un valor de salvamento del 20% debido a que el valor residual después de su vida útil es considerable. Después de seleccionar el porcentaje de salvamento se ajusta al valor inicial de la máquina.

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑣𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 − (𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 ∗ % 𝑆𝑎𝑙𝑣𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜)

𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑦𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑣𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = $17.847.748 − ($3.569.549)

5

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑣𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = $2.855.639


Costo de total empaque al vacío $/Año $ 36.704.880 Costo de operario $/Año $ 13.344.532 Costo mantenimiento $/Año $ 150.000

Total costos $ 50.199.412


Costos actuales de operación $/Año $ 65.675.052 Costos de operación con el proyecto $/Año $ 50.199.412

Total ahorro $ 15.475.640

178

El criterio seleccionado es la TIO (Tasa de oportunidad), que se define a “la tasa más alta que el inversionista sacrificará con el objetivo de realizar el proyecto”39, del 15%, para posteriormente calcular el factor de anualidades con la siguiente ecuación;

1

(1 + 0,15) +

1

(1 + 0,15)2

1

(1 + 0,15)3

1

(1 + 0,15)4

1

(1 + 0,15)5= 3,3521

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 = 3,3521 De acuerdo con el último año evaluado el factor de actual corresponde a;

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 =1

(1 + 0,15)5= 0,4971

El siguiente paso es, mediante el Diagrama 5 de costo de operación actual y el Diagrama 6 de costo operación con el proyecto explicar el ahorro por operación que tendrá al realizar la máquina empacadora al vacío. Diagrama 5. Costo de operación actual

A continuación, se refleja en el Diagrama de costo de operación con el proyecto el ahorro que se causa para la empresa con la implementación de la máquina empacadora al vacío, automática para piezas de licuadora.

39 FUENTE: [En línea] ˂ http://skipsfinanzas.blogspot.com.co/2010/05/tasa-de-interes-de-oportunidad-

tio.html ˃ [Citado en Diciembre de 2.017]

179

Diagrama 6. Costo operación con el proyecto

Continuando con el método de análisis financiero CAE, resta remplazar en la siguiente ecuación los valores hallados anteriormente;

𝑉𝐴 = 𝐶 + 𝐶𝑂 𝑋 (𝐹𝐴) − (𝑉𝑆) 𝑋 (𝐹𝑎) Donde; 𝑉𝐴 = Valor actual

𝐶 = Costo de la máquina 𝐶𝑂 = Costo de operación

𝐹𝐴 = Factor de anualidades 𝑉𝑆 = Valor de salvamento

𝐹𝑎 = Factor actual Valor con proyecto;

𝑉𝐴 𝑐𝑜𝑛 = $17.847.748 + ($50.199.412)𝑋(3,3521) − ($2.855.639) 𝑋 (0,4971) =

180

= $184.701.658 Valor sin proyecto;

𝑉𝐴 𝑠𝑖𝑛 = 0 + ($65.675.052)𝑋(3,3521) − (0) 𝑋 (0,4971) =

= $220.149.342 Hallado el valor actual se puede calcular el costo equivalente para poder hacer la comparación; utilizando la siguiente ecuación;

𝐶𝐴𝐸 =𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙

𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠

Con proyecto;

CAE =$184.701.658

3.3521 = $55.100.282

Sin proyecto;

CAE =$220.149.342

3.3521 = $65.675.052

Para finalizar el análisis financiero se comparan los valores obtenidos anteriormente y así determinar la viabilidad económica del proyecto para la empresa.

Con proyecto < Sin proyecto

$55.100.282 < $65.675.052 Se evidencia que el proyecto propuesto es viable económicamente, dado que el costo del proceso con el proyecto es menor que el costo del proceso actual.

181

11. CONCLUSIONES

Según la evaluación financiera el proyecto es viable y factible económicamente ya que la empresa NALIET disminuirá en 16% los costos de empaque actual de los accesorios para licuadora mejorando así los ingresos anuales de la compañía gracias a que el costo del proceso con el proyecto es menor que el costo del proceso actual

El diseño estructural evaluado por el software de elementos finitos valida una

máxima deformación de 0,5mm viable para el proyecto

El desarrollo semiautomático de la máquina permite mejorar el proceso de empaque para ser ejecutado por un solo operario

182

12. RECOMENDACIONES A mediano plazo si el nivel de producción aumenta, se debería implementar una

banda transportadora para optimizar la carga y el retiro del producto una vez sea empacado; con éste complemento la máquina tendrá una autonomía mayor

De acuerdo a la ubicación de la máquina en la planta se recomienda la ampliación

del espacio de trabajo para que haya mejor flujo de materiales entre la entrada del producto y la salida de los accesorios empacados

Se recomienda incluir un dispositivo mecánico que trabaje en conjunto con los

rodillos, garantice que el del film de PVC llegue al final de carrera sin rugosidades

183

BIBLIOGRAFIA ANTONIO CREUS SOLE, Instrumentación Industrial, sexta edición, México DF Alfaomega, (1997). BEER, FERDINAND P., JOHNSTON, E. RUSSELL Y DEWOLF, JR. JOHN T. Mecánica de materiales. México, D.F: Mc. Graw Hill, (2004). BARRERO RIPOLL, A., PÉREZ-SABORID SÁNCHEZ-PASTOR, M. Fundamentos y aplicaciones de la mecánica de fluidos. Ed. McGraw Hill, (2005). FRANK P. INCROPERA., DAVID P. DeWITT. Fundamentos de transferencia de calor, cuarta edición, Mexico: Prentice Hall (1999) INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Documentación. Presentación de tesis, trabajos de grado y otros trabajos de investigación. NTC 1486. Sexta actualización. Bogotá: El instituto, (2008).110 Pag. MC. CORMAC. Diseño de estructuras de acero, México: Alfa (2009). ROBERT L. MOTT, P.E. Diseño de elementos de máquinas. México: Pearson Education, (2006). 0130618853. ROBERT L. MOTT, P.E. Mecánica de fluidos. México: Pearson Education, (2006).

184

ANEXO A SENSORES

185

ANEXO B CILINDRO PISTÓN SIN VÁSTAGO

ANEXO C

186

ANEXO C PISTÓN NEUMÁTICO

187

ANEXO D Esfuerzo de fluencia AISI 304

188

ANEXO E RODAMIENTOS

189

ANEXO F BOMBA DE VACÍO

190

ANEXO G RESISTENCIAS ELÉCTRICAS TUBULARES

191

Continuación ANEXO G

192

ANEXO H SERVOMOTOR

193

Continuación ANEXO H

194

ANEXO I TORNILLOS SAE 304

195

Continuación ANEXO I

196

ANEXO J PERFIL CUADRADO

197

ANEXO K COTIZACION PERFILERIA

198

ANEXO L COTIZACION COSTOS FABRICACION Y MONTAJE

199

ANEXO M LOGO SIEMENS

200

ANEXO N CUCHILLA DE CORTE “RHINO”

201

ANEXO O COTIZACIÓN TALADRADO

Cliente:

FECHA: ENERO 23 de 2018

CANT DESCRIPCIÓN V/R UNIT V/R TOTAL

693 Perforaciones mecanizadas - Taladrado ∅ 3.17 320$ 221.760$

sobre lamina de aluminio calibre 5mm de 900 x 650

PRECIOS INCLUIDO I.V.A 19% 42.134$

VIGENCIA 8 DÍAS

TOTAL 263.894$

F E R R E T E R I A

P E D R O A P O N T E

CONTACTO: 319-3892518

Christian Ferney Marca Hernandez

COTIZACION# 30019

AB R AS IVO S - LIJ AS Y P IE D R AS -C O P AS -B R O C AS -B UR ILE S -D AD O S T E R R AJ AS - D IS C O S D IAMANT E

C AR R E R A 1 6 # 1 0 - 7 1 T E LS . 2 8 1 2 6 8 8 -2 4 3 4 7 1 0 -2 8 1 2 6 8 8 B o g o tá D .C .

202

ANEXO P PLANOS DE FABRICACIÓN

Plano 1. Vista General Plano 2. Vistas Principales Plano 3. División por Subsistemas Plano 4. Estructura Plano 5. Subsistema de Calentamiento Plano 6. Cajón Resistencia Plano 7. Tapa Resistencia Plano 8. Resistencia Plano 9. Platina Sujeción Resistencia Plano 10. Angulo Refuerzo Caja Plano 11. Base Pistón Sin Vástago Superior Plano 12. Subsistema de Vacío Plano 13. Tapa Frontal Plano 14. Tapa Lateral Plano 15. Tapa Inferior Plano 16. Lámina Perforada Plano 17. Angulo Apoyo Cajón Plano 18. Subsistema de Prensado Plano 19. Base Apoyo Actuador Plano 20. Marco de Sujeción Inferior Plano 21. Marco de Sujeción Superior Plano 22. Perilla Cierre Plano 23. Subsistema de Alimentación Plano 24. Placa Apoyo Corte Plano 25. Carril Film PVC Exterior Plano 26. Carril Film PVC Interior Plano 27. Platina Sujeción Corte Plano 28. Porta Cuchilla Plano 29. Rodillo de Arrastre Plano 30. Base Rodillo Plano 31. Buje Rodillo Plano 32. Rodillo Material Plano 33. Apoyo Rodillo Plano 34. Rodillo Arrastre Plano 35. Chaveta Plano 36. Mesa Motor

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ANEXO Q UBICACIÓN EN LA PLANTA

La máquina empacadora al vacío será ubicada en el área de almacenaje de los accesorios ya terminados. Imagen 165. Ubicación en la planta

DISEÑO DE UNA MÁQUINA EMPACADORA AL VACÍO, … · 10.1.2 Los costos de fabricación y ensamble....

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