UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

TECNOLOGÍA MECÁNICA

BOGOTA D.C.

2017

DISEÑO DE UNA TROQUELADORA PARA CORTAR Y GRABAR CUERO VACUNO

EN LA INDUSTRIA ARTESANAL.

LADY MICHELLE VARGAS ROJAS 20141374117

MIGUEL ANGEL SUAREZ GAONA 20132374032

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

TECNOLOGÍA MECÁNICA

BOGOTA D.C.

2017

DISEÑO DE UNA TROQUELADORA PARA CORTAR Y GRABAR CUERO VACUNO

EN LA INDUSTRIA ARTESANAL.

LADY MICHELLE VARGAS ROJAS 20141374117

MIGUEL ANGEL SUAREZ GAONA 20132374032

PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL GRADO DE TECNÓLOGO MECÁNICO

TUTOR

GERMÁN SICACHA ROJAS

.

PAGINA DE ACEPTACION

Firma del tutor

Firma del jurado

30 de Octubre 2017

DEDICATORIA Este trabajo está dedicado a Dios por haber permitido que este proyecto fuera posible, mi madre María Elena Suarez y mi padre Luis Armando Segura por su apoyo incondicional, sus buenos consejos además de su amor que me motivo a seguir adelante y ser una mejor persona en todo el proceso de formación.

Este proyecto está dedicado a Dios que es el norte en mi vida, a mis papas Fanny Samara rojas y George Vargas Franco, a mis abuelitos maternos Fanny María Gonzalez y Luis Alfredo Rojas calderón, también a mi abuelita paterna Beatriz Franco. A toda mi familia y amigos que ayudaron y acompañaron con sus mejores deseos en este pequeño pasó en mi formación como persona e ingeniera.

AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer a mi compañera de proyecto por su colaboración y compromiso con el proyecto, a mi familia por su ayuda en todo el proceso académico además de un agradecimiento especial para el ingeniero Alexander Alvarado Moreno por su colaboración incondicional.

Agradezco a mi compañero de proyecto Miguel ángel Suarez por su gran apoyo y empeño para culminar de manera exitosa nuestro proyecto de grado, a mi familia por creer en mí y a Dios por guiar cada paso y decisión tomada, de igual manera a la universidad Distrital Francisco José de Caldas por enseñarme y formarme como Tecnóloga y como persona. A nuestro tutor Germán Sicacha por guiar y confiar en nuestra idea para terminar nuestro paso por la facultad de tecnología mecánica, a todos mis compañeros y amigos. A Sergio David Montaña por enseñarme hacer todo con pasión y amor.

TABLA DE CONTENIDO

PÁG.

RESUMEN

ABSTRACT

1

2

INTRODUCCIÓN 3

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 4

2. JUSTIFICACION 8

3. OBJETIVOS 9

3.1. Objetivo general 9

3.2. Objetivos específicos 9

4.ESTADO DEL ARTE 10

4.1. Contexto historico

4.2 Metodologia de diseño

10

11

5. MARCO TEÓRICO 13

5.1. Proceso de corte y grabado de cuero vacuno a nivel nacional 13

5.2. Troquelado

5.2.1. Definicion de troquel

15

15

5.2.2. Tipos de maquinas troqueladoras

5.2.3. Equipos de corte

15

15

5.3. Sistemas de neumaticos

5.3.1. Ventajas de transmision neumatica

5.3.2. Cilindros neumaticos de doble efecto

5.3.2.1. Funcionamiento

5.3.2.2.Pandeo del cilindro neumatico

17

17

18

19

20

6. METODOLOGIA DE DISEÑO 21

6.1.Determinacion y seleccion de alternativas de diseño

6.1.1.Metodologias de diseño

6.1.1.1. Ingenieria de valor (VE)

6.1.1.2. Ingeniera concurrente.

6.1.1.3. Ingenieria inversa

6.1.1.4.Ingenieria de costos

6.1.1.5. QFD, quality functional deployment

21

21

21

23

24

25

27

6.2. Casa de la calidad 28

6.2.1. Paso 1. La voz del usuario

6.2.2. Paso 2. Analisis de la competencia

6.2.3. Paso 3. La voz del ingeniero

6.2.4. Paso 4. Correlaciones

6.2.5. Paso 5. Evaluacion tecnica

6.2.6. Paso 6. Compromisos tecnicos

6.3. Resultados de casa de calidad

6.4. Conclusiones de la casa de calidad

28

29

29

30

31

31

32

33

7. SELECCION DE LAS ALTERNATIVAS DE DISEÑO

33

7.1. Diagramas funcionales 34

7.2 Analisis de los diagramas funcionales 35

7.3. Solucion de modulos 36

7.3.1. Modulo structural

7.3.1.1. Diseño de la mesa de corte

7.3.1.2.Diseño estructural

36

36

40

7.3.2 modulo de control 48

8. MODELACION 52

54

9. ANALISIS DE COSTOS

9.1 Análisis de costos directos 54

9.1.1. Materia prima.

9.1.2. Costo de fabricacion

9.1.3. Sistema electro neumatico

54

54

55

9.2. Analisis de costos indirectos. 57

9.3.. Costo total de la troqueladora para corte y grabado de cuero vacuno 57

10. CONCLUSIONES 58

11. BIBLIOGRAFIA. 59

INDICE DE FIGURAS

Figura 1. Troqueladora hidraulica ATOM. 6

Figura 2. Clasificacion de piel de animal 15

Figura 3. Maquina troqueladora serie ML. 16

Figura 4. Maquina troqueladora de alta presion. 17

Figura 5. Corte cinlindro de doble efecto 18

Figura 6. Cilindro neumatico doble efecto. 19

Figura 7. Representacion del pandeo sometido a carga 20

Figura 8. Enfoque de studio de ingenieria economica. 26

Figura 9. Fases para la implementacio de QFD. 28

Figura 10. Casa de calida 32

Figura 11. Diagrama funsional 0. 34

Figura 12. Diagrama funsional nivel 1 34

Figura 13. Diagrama funsional nivel 2 35

Figura 14. Esquema mesa de corte. 36

Figura 15. Viga con carga punctual central 37

Figura 16. Diagrama de cuerpo libre de la viga. 37

Figura 17. Esquema de la viga. 38

Figura 18. Cargas presentes en la estructura. 40

Figura 19. Cargas en la seccion superior. 41

Figura 20. Fuerzas presents en viga inferior. 43

Figura 21. Dimensiones angulos C. 45

Figura 22. Seccion Angulo C 45

Figura 23. a) Esquema Sistema neumatico

Figura 23. b) Equema electronico mando neumatico

Figura 23. c) Diagram de fuerza en el cilindro

49

49

50

INDICE DE TABLAS

Tabla 1. Sector de cuero en el PIB Colombiano. 5

Tabla 2. Sector manofacturero-Colombia, 2010. (Mitchell, 2011) 1. 14

Tabla 3. Requerimientos casa de calidad 33

Tabla 4. Calculo del moento de inercia y centroide. 45

Tabla 5. Calculo del moento de inercia y centroide. 46

Tabla 6. Calculo del moento de inercia y centroide . 47

Tabla 7. Costos de elemntos basicos de la maquina 54

Tabla 8. Costo de fabricacion 55

Tabla 9. Valoracion elementos neumaticos MICRO 56

Tabla 10. Valoracion elementos neumaticos La Bodega Industrial. 56

Tabla 11. Analisis de costos. 56

Tabla 12. Valoracion del costo total 56

Tabla 13. Valoracion de costos indirectos. 57

Tabla 14. Valoracion de costos totales 57

INDICE DE ANEXOS

Anexo 1. Planos de fabricacion 60

Anexo 2. Catálogo de cilindros Neumaticol 61

Anexo 3. Catalogos de reguladores de caudal 63

Anexo 4. Catálogo de valvulas direccionales 5/2 63

Anexo 5. Catálogo de valvulas direccionales 5/3 65

Anexo 6. Catalogo interruptores magneticos 67

INDICE DE GRAFICOS

Grafico 1. Estudio de produccion empresa larc 2009-2017 6

Grafico 2. Diagrama de momento en al viga 38

Grafico 3. Momento flector en la viga 39

Grafico 4. Diagrama de momento cortante en viga superior 42

Grafico 5. Diagrama momento flector viga superior 42

Grafico 6. Diagrama de momento cortante en viga inferior 43

Grafico 7. Diagrama de momento flector viga inferior 44

1

RESUMEN

En el siguiente documento se presenta una propuesta de diseño para una máquina

que corte y grabe en el cuero vacuno, con la tentativa de su posible construcción y

aplicación a futuro en el proceso de manufactura de una micro empresa ubicada en la

ciudad de Duitama Boyacá, con el objetivo de asistir y mejorar la capacidad de

productividad de dicha empresa.

Inicialmente se efectuó una valoración del estado actual de la troqueladora utilizada y

el proceso de manufactura allí dispuestos, posteriormente se realizó la evaluación de

los requerimientos de la empresa LARC, siendo de vital importancia formular una

solución al problema mediante un planteamiento del mejor método de diseño que

mejore considerablemente el rendimiento de producción en el diseño de una

troqueladora.

2

ABSTRACT

The following document presents a design proposal for a machine that cuts and

engraves cow leather, with the attempt of its possible construction and future

application in the manufacturing process of a microenterprise located in the city of

Duitama Boyacá, with the aim of assisting and improving the productivity capacity of

this company.Initially an assessment was made of the current state of the used punch

press and the manufacturing process there, and afterwards the evaluation of the

requirements of the LARC company was carried out, being of vital importance to

formulate a solution to the problem through an approach of the best design method

which greatly improves the production performance in the design of a die-cutter.

3

INTRODUCCIÓN

Los procesos de manufactura que actualmente utiliza la microempresa Cueros

Artísticos LARC para fabricar sus diferentes artículos requiere una serie de

subprocesos que demandan un gran desgaste de los operarios, especialmente en el

corte y grabado del cuero, ya que la troqueladora con la que cuentan para realizar

este proceso requiere de una fuerza para el corte, imprimida por el operario lo que lo

hace una labor desgastante y excluyente, adicionalmente a esto, la empresa se está

viendo afectada económicamente ya que la demanda de sus artículos ha aumentado

considerablemente en los últimos 5 años. Es de allí que surge la necesidad de Cueros

Artísticos LARC de automatizar sus procesos, comenzando con el corte y grabado de

sus artículos artesanales y corporativos.

De acuerdo a esta problemática ya mencionada, se procede a generar una propuesta

de diseño y automatización de un sistema de de troquelado vacuno, que use como

base una metodología de diseño con el fin de beneficiar no solo a la empresa al

escuchar sus necesidades y solucionarlas con el diseño de una máquina, si no

también, a la comunidad de la ciudad de Duitama con la generación de empleo

incluyente.

Es importante tener en cuenta el proceso actual que utiliza esta empresa de artículos

en cuero, es por eso que esta propuesta de diseño y automatización de una

troqueladora para corte y grabado de cuero vacuno inició evaluando los puntos

críticos y la necesidades del cliente, las cuales son: una máquina más compacta, que

utilice un sistema monofásico y un tablero de control que garantice la seguridad de su

operación, además, que tenga la capacidad de realizar los mismos labores de

transformación geométrica y grabado en menor tiempo y esfuerzo, para cumplir con el

aumento de la demanda de sus artículos, teniendo en cuenta la capacidad económica

de la empresa

4

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El proceso de manufactura con cuero tiene varias etapas tales como: diseño, selección de materia prima, fabricación de piezas, manipulación, proceso de pre-ensamblaje, proceso de ensamblaje, proceso de acabado, evaluación de la calidad, embalaje, etiquetado, almacenamiento y envío. Las cuales se aplican en cualquier tipo de industria como el calzado, la marroquinería, artesanías y demás sectores que utilizan como materia prima el cuero. Este proyecto se enfocara en las primeras etapas de manufactura en la industria de artesanías, específicamente en el proceso de fabricación de las piezas por troquelado y grabado. El proceso de troquelado (corte) es un proceso aplicado en diferentes industrias y procesos de manufactura por sus diferentes ventajas, de las cuales se destaca la rapidez en el proceso de transformación geométrica de la materia prima y la no salida de viruta en este proceso. Pero con una encuesta realizada Agosto del 1999 por el SIRIM Berhad comprobó que la inversión en tecnología de automatización, ya sea máquinas o sistemas totales tiende a ser el último elemento en la agenda de la empresas manufactureras de cuero, debido a que este sector a nivel mundial en su mayoría está compuesto por empresas de mediano o pequeño tamaño, lo que hace que su economía no alcance para pensar en automatizar sus instalaciones o adquirir equipos de aumenten su producción.1 Adicionalmente con esta encuesta se pudo realizar un sondeo de los procesos en donde se implementa mayor tecnología en este tipo de industria, los cuales fueron en el pre ensamble, con el uso de procesos con máquinas independientes, la transferencia de productos usando un sistema básico de carro y en la línea de acabado. Con lo cual se puede construir un marco de necesidad a nivel mundial, debido a que la operación manual tiene muchas deficiencias tales como una baja productividad, consumo excesivo de material y del operario. A nivel nacional según la Encuesta Anual Manufacturera del 2015, la producción de manufacturas de cuero se concentra en Bogotá (63.8%), Antioquia (18.5%) y Santander ( 2.5%), aunque también se presenta en menor medida en Atlántico, Cundinamarca, Risaralda, Tolima, Valle y Santander representa el 0.21% de la producción industrial y el 0.25% del valor agregado2 (ver tabla 1). Lo que permite ver que Colombia se incluye en el marco internacional ya anteriormente mencionado. Puesto que la mayoría de la empresas que conforman este sector económico e industrial son consideradas como microempresas o a lo sumo medianas empresas, lo que hace que su cantidad de ingresos no cumpla con la capacidad necesaria para implementar tecnología en sus procesos de manufactura.

1Amah Khahd, Irranan Ekmvazutht, Susana Kamaruddm, Mohd Sham Azm and Mohd Nidzam.

Productivity Improvement Through Automation of the Leather Cutting Process. Malasia. 2003 2 YOLANDA MARGARITA MONSALVE OCHOA. CADENA PRODUCTIVA DEL CUERO. Colombia. Junio 2004

5

Tabla 1. Sector de cuero en el PIB colombiano

Fuente. CADENA PRODUCTIVA DEL CUERO, SENA

Sin embargo, a nivel nacional existen empresas que han intentado hacer sus procesos más eficientes con la utilización de ingeniería y la importación de tecnología, tales como Arturo Calle, Mario Hernández, Vélez y otras firmas reconocidas a nivel nacional e internacional, que basan su economía en la fabricación de calzado, marroquinería y otros productos que derivan en su mayoría de este sector y que permiten por su gran renombre y calidad, tener ingresos que costeen maquinaria de punta y sistemas de automatización; pero, pequeñas empresas o microempresas que se dedican netamente al troquelado o grabado de cuero y no a la producción completa de artículos en masa para comercializar, han tenido bastante dificultad con la modernización de sus equipos, ya que como se evidenció en el barrio restrepo de la ciudad de Bogotá, no tiene los recursos económicos ni tampoco la facilidad para llegar a la nueva tecnología en el área de troquelado y grabado de cuero. Para poder sustentar lo afirmado anteriormente se realizó una visita técnica en varias industrias ubicadas en el barrio Restrepo de la ciudad de Bogotá, con la finalidad de poder evidenciar los puntos críticos en sus procesos de fabricación. En las empresas Corte y Grabado MS, Troquelado Gerardo López, y Troqueladoras Gutiérrez, ubicadas en este barrio de la capital colombiana, basan sus ingresos en el corte de varios materiales como guata, cuero sintético, cuero animal y muchos más, por el proceso de troquelado, de las cuales se pudo recolectar información sobre la tecnología usada y sus dificultades a la hora de llevar a cabo esta labor. Principalmente utilizan maquinaria que en sus especificaciones técnicas cuentan con cilindros hidráulicos que imprimen una fuerza de corte máxima de 20 toneladas y una conexión trifásica para suministro eléctrico a los motores; estas máquinas, en su mayoría, de marca ATOM reconocida desde 1958 a nivel mundial como una de las empresas internacionales más importantes y conocidas en el sector de las máquinas de corte, pero que desde el año 2003 vende su compañía a China donde abre su primera unidad de producción en el distrito de Fengxian3, lo que hace que decaiga según los trabajadores de estas tres empresas colombianas sus calidad y aumenten considerablemente su precio; por lo cual se aprecia el primer problema en esta industria ya que las troqueladoras utilizadas son versiones de los años 60 (ver figura 1), que se quedan muy cortas con la tecnología actual, además de presentar distintos defectos que son difíciles de solucionar por su escasez de proveedores para repuestos.

3 ATOM S.P.A Historia corporativa [en línea] <https://www.atom.it/en/company/#our-history> [citado

el 13 de agosto de 2017]

6

Figura 1: Troqueladora hidráulica ATOM.

Fuente. Propia Teniendo en cuenta que el objetivo principal del presente proyecto está orientado a la industria artesanal colombiana y más específicamente a las necesidades de la empresa Cueros Artísticos LARC, que cuenta con una troqueladora manual para desarrollar productos corporativos y obsequios personalizados en cuero manteniendo y recuperando técnicas artesanales y ornamentales4, por lo cual se encuentra que una de sus principales limitantes al momento de realizar procesos ornamentales como el troquelado y grabado requiere del uso de fuerza bruta, lo que lo hace una labor excluyente con sus empleados, en su mayoría mujeres, a las cuales se les dificulta hacer este proceso, disminuyendo así la capacidad de producción de la empresa. El problema más importante en la empresa Cueros Artísticos ha sido el crecimiento de la demanda de sus productos a nivel mensual, ya que a lo largo de los últimos 8 años, como se muestra en la gráfica 1, se evidencia un crecimiento del 100% en su demanda, es decir, 1500 productos mensuales y con la máquina troqueladora manual con la que cuenta actualmente, la empresa solo puede fabricar alrededor de 700 productos terminados mensuales, esto hace que se queden cortos en la fabricación y aumenten los tiempos de trabajo y de entrega de la mercancía.

Gráfica 1. Estudio de producción empresa LARC 2009-2017

Fuente. Propia

4 CUEROS ARTÍSTICOS LARC Objetivo corporativo [en línea]

<http://www.cuerosartisticos.com/index.html> [citado el 15 de agosto de 2017]

7

Otra limitante en esta empresa, es la capacidad económica para adquirir una troqueladora con las especificaciones técnicas ya mencionadas, ya que como demostró en la encuesta realizada por el país de Malasia que este tipo de industria a nivel mundial no tienen lo ingresos necesarios para automatizar o adquirir una máquina de alta tecnología, adicionalmente al evaluar el tipo de producción en la empresa y el consumo de energía eléctrica en el proceso de fabricación de sus productos no se justifica por el costo beneficio. Es de allí que surgen las necesidades del cliente tales como: una troqueladora más compacta, que no utilice un sistema eléctrico trifásico y que ejerza la fuerza necesaria para el corte de cuero sin que sus empleados se desgasten físicamente y así generar una labor incluyente con sus empleadas. Por lo anteriormente mencionado se decidió implementar una metodología de diseño que tenga como base las necesidades del cliente y la guia del conocimiento ingenieril para plantear un diseño adecuado que ayude a generar un empleo incluyente, facilitar el proceso de troquelado, que se adecue a la capacidad económica de la empresa y que principalmente aumente la capacidad de producción de la empresa..

8

2. JUSTIFICACIÓN

El ámbito del diseño en Colombia ha realizado en la parte universitaria trabajos donde se optimizan máquinas o procesos por medios de software CAD, CAE y FEA, aunque no se ven implementados en la industria debido a que empresas extranjeras implementan tecnologías innovadoras de mayor costo, es por ello que constituimos el problema que genera esta situación tal que empresas del sector de grabado de cuero no pueden acceder a máquinas específicas para su labor debido a que no existen en el mercado nacional que cumplan con las especificaciones del cliente. Por otra parte en el mercado internacional se consideran máquinas elaboradas para industrias de producción masiva exponiendo en este caso están sobre dimensionadas5 para el proceso de transformación del cuero a su vez de elevado costo de importación inasequible para pequeñas empresas. Además de estos acontecimientos se logró identificar otro aspecto importante la

empresa LARC cuenta con un troquel manual que requiere de un esfuerzo de parte

del operario alto. Se estableció que la empresa cuenta con poco personal para llevar

a cabo esta operación dando la necesidad de incurrir a una solución para este

problema.

El mencionado proyecto busca un proceso de evolución para generar una propuesta

que se pueda materializar con los procesos y fabricaciones nacionales con el costo

más justo con una solución asequible que cumpla los requerimientos además de

aportar una disminución de brecha entre industria y academia de la nación

proponiendo el diseño a la empresa LARC.

5Empresa ATOM, productos Clicking Presses, [en linea], < https://www.atom.it/en/prodotto/presses/>,[citado el 25 de agosto de 2017]

9

3 OBJETIVOS

3.1. OBJETIVO GENERAL

- Proponer el diseño y evaluar la posible construcción de una troqueladora que

se implemente en la industria de cuero artesanal para la empresa Cueros

Artísticos LARC.

3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

- Investigar una metodología de diseño adecuada para implementar en el diseño

de un troqueladora para cuero vacuno

- Ejecutar la metodología de diseño seleccionada

- Realizar el diseño de los subsistemas de la máquina troqueladora.

- Plantear una forma geométrica y funcional de la máquina.

- Modelar y animar el diseño final de la troqueladora.

- Realizar los planos constructivos, de ensamble y de componentes de la

máquina que se requieran para la fabricación.

- Elaborar un análisis de costos para la fabricación.

10

4 ESTADO DEL ARTE

4.1 CONTEXTO HISTÓRICO

La producción de cuero es una de las industrias más antiguas de la Humanidad,

históricamente el hombre prehistórico utilizaba pieles para vestirse y fabricar algunos

objetos decorativos, utensilios y hasta armas defensivas como los escudos. El cuero

fue un material bastante usado ya que los animales constituían la base de la

alimentación y la materia prima para las sociedades cazadoras-recolectoras

primitivas..”6

El troquelado es un proceso que se ha implementado en varias industrias y con

diferentes finalidades, ya que el principio básico en el que se basa, es el de cortar un

material con un diseño establecido y así transformar geométricamente la materia

prima con un patrón deseado, es por ello que es necesario ubicarnos históricamente

en el siglo XIX, debido a que este tipo de corte se destacó y marcó el proceso de

fabricación de esta época, ya que entregaba mercancía de tamaño estándar para

consumidores en masa, resultado de la Revolución Industrial con todos sus grandes

avances tecnológicos y científicos.

Una de las primeras industrias en las cuales se implementó este proceso, fue en el

calzado, lo que facilitó y bajo los costos de manufactura, ya que antes de que esta

técnica apareciera tenían que cortar todas las piezas del zapato manualmente, lo que

representa una destreza especial del fabricante y un desgaste directo al operario.

Pero con la creación de la técnica de troquelado por maso, los zapateros pudieron

cortar las suelas con una matriz que permite su producción en masa y por ende su

rendimiento de fabricación aumentó. Es de allí que se puede observar los primeros

usos de la técnica del troquelado con cuero debido a que en este momento de la

historia se utilizaba el cero como materia prima en confección de los zapatos.

Pero solo hasta el siglo XX se pudo implementar en otro tipo de industrias como la

metalúrgica, alimenticia y plástica ya que se generó una tecnología que se basaba en

una troqueladora tipo clicker con la capacidad de cortar más variedad de materiales y

de esta forma la inmersión de esta técnica en diferentes campos de la economía.

A nivel nacional se tiene registro del uso del troquelado con la inmersión de tecnología

italiana en la industria del calzado con la fundación de la primera fábrica de La

Corona en la ciudad de Bogotá en el año de 1913 y posteriormente Faitalia en la

ciudad de Barranquilla (1917), Beetar en la ciudad de Cartagena (1923), Cicodec y

Grulla en Medellín (1933), todas con tecnología italiana obsoleta para la época, ya

que tenía más de cincuenta años de uso7

6 Apuntes sobre la elaboración del cuero y su historia. Agustin F, del Valle Pantojo. Universidad de Granada 7 ANÁLISIS DE LAS EMPRESAS PRODUCTORAS Y COMERCIALIZADORAS DE CALZADO EN SANTANDER,TERESA D. ALTAHONA Q. DIEGO F. SANTISTEBAN,Bucaramanga,septiembre,2008, porter,Pág. 9,[en

11

4.2 METODOLOGÍA DE DISEÑO

Ha sido de gran importancia el llegar a abordar artículos y textos de diferentes autores y diferentes tipos que lleven a identificar el número apreciable de líneas para las cuáles es útil el cuero en el país, las formas de trabajo del mismo y el impacto social que se desea abordar al involucrar este proyecto en la manufactura del mismo y en un sector como lo es la ciudad de Duitama. Trabajos como: “DISEÑO Y SIMULACIÒN DE UNA TROQUELADORA SEMIAUTOMÀTICA PARA CORTE DE CUERO DE RES DE UNA CAPACIDAD DE 5 TONELADAS” realizado por el autor Patricio Rafael Mena en la Escuela Politécnica Nacional de Ecuador, han hecho visualizar de igual manera como el uso de la troqueladora para el trabajo en cueros representa la columna vertebral estructural del mismo con sus funciones principales entre las cuales están en el corte el labrado y repujado. En la industria nacional empresas importantes como Brahma, Arturo Calle incluso cueros Vèlez han sido pioneros no solo en el mercado, sino en procesos de manufactura y formado del cuero, lo cual ha dejado muy en alto el nombre y la reputación del cuero en el exterior. La intención de Cueros Artísticos LARC no es la de entrar al círculo de la manufactura del calzado o la ropa sino la de involucrarse en el arte y los artículos llevando de la mano una labor social y explotando de igual forma un mercado apetecido a nivel no solo nacional. En cuanto a la metodología de diseño uno de los textos que ha ayudado en la presente investigación es “QFD APLICADO: COMPETITIVIDAD E INNOVACIÓN DE CARA AL MERCADO” escrito por: DAVID VIÑAS TUBAU, JOSEP TRESSERRAS PICAS, PAULA GONZALEZ SANTAMARIA. En el texto se puede entender que “La metodología de QFD, más allá de la concepción matricial de la casa de la calidad, ha demostrado ser una poderosa herramienta que permite a las empresas concentrar sus esfuerzos en aquellas variables que demuestran real interés en su mercado final. Este principio básico –y de sentido común– suele complicarse por una falta de visión en la toma de decisiones respecto a los atributos que las empresas incorporan a sus productos, normalmente concentrada en las propias capacidades y dominios. El QFD soporta unas herramientas tecnológicas de organización y cálculo, que permite a las empresas estructurar su proceso de toma de decisiones a lo largo del desarrollo del producto, y consiste en proyectar las necesidades de consumidores y usuarios para traducirlas a especificaciones de producto, ponderadas según su nivel de importancia. El Centro CID de la Universidad de Girona, ha organizado un ciclo de trabajo con cinco importantes empresas manufactureras catalanas, para la evaluación de algunos de sus productos en relación al valor y ventajas competitivas esperadas, de acuerdo al análisis de su posición en el mercado. De esta experiencia, se presentarán los fundamentos metodológicos del proceso”, es así como en conclusión El QFD es una metodología que hace más fácil el proceso de conocer lo que el cliente tiene como expectativas importantes frente a un determinado producto, es necesario tener claridad tanto en la faceta cuantitativa como en la faceta cualitativa para de esta manera llegar a hacer un contraste real de la oferta específica de cualquier empresa. Es así como la metodología QFD ayuda a la empresa a hacer ajustes tanto a los

línea],<ROJAShttp://www.udi.edu.co/images/investigaciones/publicaciones/libros/paloseco/13/comercializadora.pdf>,[citado el 25 de septiembre de 2017]

12

productos actuales como futuros basándose en el análisis que se refleja en los resultados lo que repercute en cuanto a que la base de desarrollo es a partir de una troqueladora manual que se usa actualmente en cueros LARC y que por su uso rústico limita a que no cualquier persona pueda manipularla. Y en relación con el mencionado proyecto se puede decir que para empezar hacer un nuevo diseño en torno a la troqueladora se debe tomar la estrategia del QFD para realizar la matriz de calidad, para que el diseño que se realice sea el óptimo no sólo para su aplicación en cueros LARC sino para el mercado, ya que lo deseado en el proyecto es cumplir gran parte de las necesidades del cliente y cumplir con los requerimientos de diseño del producto. En conclusión: La utilización de QFD como una estrategia que permite un adecuado análisis inicial no solo permite una apropiada esquematización de las gestiones que se deben realizar, sino que es un tema fundamental para confrontar el diseño final con los requerimientos establecidos por los clientes en este caso cueros LARC. La simplificación de los modelos es la mejor manera de llegar a una solución confiable sin incurrir en un error significativo, para lo cual se deben utilizar aproximaciones bidimensionales y conjuntamente estudiar las condiciones críticas, el análisis tridimensional presenta magnitudes de esfuerzos y deformaciones tenderán a disminuir contrario a aumentar. Y en relación con el referido tema de investigación se permite afirmar que los textos consultados tienen gran implicación en el proyecto de investigación puesto que expone gran parte del análisis inicial que se abarcara mediante el uso del método QFD que relaciona las necesidades de los clientes y del mercado con los objetivos que representan la posible solución.

13

5. MARCO TEÓRICO

Teniendo en cuenta que el objetivo fundamental de este proyecto, es proponer el

diseño de un troquel compacto que facilita el corte y grabado en cuero vacuno, es

necesario analizar e investigar diferentes conceptos que son la base a la hora de

llevar a cabo este proyecto, tales como, el proceso de corte y grabado de cuero

vacuno en la industria nacional, el tipo de máquinas implementadas en la industria

nacional para el proceso anteriormente descrito.

El funcionamiento básico de un troquel, las propiedades mecánicas del cuero que

intervienen en este proceso, entre otros aspectos; que se explicarán a fondo en las

secciones siguientes

5.1 PROCESO DE CORTE Y GRABADO DE CUERO VACUNO A NIVEL

NACIONAL.

El cuero animal ha sido utilizado desde tiempos inmemorables por el hombre para el

cubrimiento de necesidades básicas, tales como el abrigo, la construcción de vivienda

y la caza, haciéndolo una materia prima bastante útil para la sobrevivencia del

mismo. Hoy en día con la implementación de conocimientos científicos y diferentes

tecnologías, se han creado una gran variedad de procedimientos que hacen de estos

artículos algo bello y estéticamente personalizados8 de uso cotidiano.

Para la creación de estos artículos se pueden utilizar pieles de diferentes animales

desde reptiles, mamíferos, aves y demás; pero el más importante por su calidad y fácil

fabricación son las pieles bovinas, ya que hoy en día la fabricación de muebles,

calzado, peleteria, vestimenta y artesanías en un 70% a nivel mundial se fabrican con

pieles de terneros, vacas, bueyes y toros9

En la industria colombiana el sector de cuero y marroquinería (trabajo de corte,

doblado y costura del cuero10) aporta al sector de manufactura en dos diferentes

áreas, como materia prima y como artículos ya procesados aportando al PIB Industrial

un porcentaje de más de 12%, como se puede ver en la tabla 2.

8 Michael Ingrao, Marta Martini. Curso de formación sobre las tecnologías empleadas en la elaboración y acabado de objetos de piel: apuntes sobre las principales técnicas de tratamiento del cuero, investigación, elaboración y acabado de objetos de piel, control de calidad y comercialización. 1 ed. Ecuador. 1995. pag 12. (serie 7) 9 Michael Ingrao, Marta Martini. Curso de formación sobre las tecnologías empleadas en la elaboración y acabado de objetos de piel: apuntes sobre las principales técnicas de tratamiento del cuero, investigación, elaboración y acabado de objetos de piel, control de calidad y comercialización. 1 ed. Ecuador. 1995. pag 13. (serie 7) 10 Alexandra Jaramillo. Referencia nacional de de oficios en cuero: capitulo oficios de cuero en Bogotá. versión del 24 abril de 2005. Colombia. 2006. pag 9.

14

Tabla 2. Sector manufacturero-Colombia, 2010. (Mitchell, 2011)

Fuente. Perfil del sector manufacturero colombiano11

Por lo anterior mencionado se puede decir que es un sector de la industria bastante

grande, ya que cuenta con empresas que se encargan de sus preparación llamadas

curtiembres, y de los procesos manufactureros, en sectores como la moda, calzado,

artesanías y demás.

En colombia no se ha implementado un censo que reúna a las empresas que

produzcan cuero o comercien artículos derivados de esta materia prima, pero ha sido

seleccionado por el gobierno nacional como uno de los mejores productos prioritarios,

además de competir en el mercado internacional gracias a la alta calidad de pieles y

de artículos producidos con estas12.

Adicionalmente involucra procesos de control de calidad: como la selección de la pieza de cuero más apropiada para el producto, basándose en las diferentes propiedades que están; clasificadas y divididas en partes de piel del animal con características mecánicas y físicas similares, como se muestra en la figura 1 que clasifican la materia prima por el espesor, la uniformidad, tipo de fibra, la textura y la flexibilidad del material en sí. Ya que algunos productos requieren algunas secciones en donde se requiere que el cuero no ceda o estire demasiado al hacer tensión o fuerza13, además, de seleccionar áreas donde no se encuentren imperfecciones en la superficie como: marcas o cortes. el esquema de dichas secciones clasificadas del cuero se representa en la figura 2.

11 Profile of colombian manufacturing sector,Jorge Enrique Rebolledo Noriega, Leonardo Angel Lopez. Colciencias Tipo 10, ensayo, ,2013, pag 8.magazín empresarial,9(19),49-61,universidad santiago de Cali, disponible en línea :<http://revistas.usc.edu.co/index.php/magazin/article/view/239/216#.We9lU2iCyUk> 12 RAMÍREZ RODRÍGUEZ, Juliana. Reflexión sobre formas de habitar : la casa en la azotea. Bogotá, 2005, 77 h. Trabajo de grado (Arquitecto). Universidad de los Andes. Facultad de Arquitectura. Disponible en el catálogo en línea de la Biblioteca de la Universidad de Los Andes: <http://biblioteca.uniandes.edu.co> 13 Alexandra Jaramillo. Referencia nacional de oficios en cuero: capitulo oficios de cuero en Bogotá. versión del 24 abril de 2005. Colombia. 2006. pag 9

15

Figura 2. Clasificación de piel de animal

Fuente. Oficios de cuero en Bogotá.

5.2 TROQUELADO

5.2.1 Definición de troquel.

Máquina de bordes cortantes para recortar o estampar, por presión, planchas

cartones, cueros, etc.

El troquel consiste en:

● Una base de una matriz con mayor resistencia o dureza que las

cuchillas o estampa de elaboración de la pieza.

● Las regletas cortadoras o hendiduras cuya función es cortar, hender,

perforar y semi cortar.

● Gomas o bases para colocar junto a las cuchillas y cuya función es

separar por presión el recorte sobrante.

5.2.2 Tipos de máquinas troqueladoras.

Existen dos tipos básicos de troqueles:

1. troquel plano. Su superficie es plano y la base contra la que actúa es

metálica, su desplazamiento es perpendicular a la plancha logrando una

mayor exactitud

2. Troquel rotativo. es cilíndrico y la base opuesta está hecha con un

material flexible,al opuesto que en el troquel plano, el movimiento es

continuo y el corte es de menor precisión; ello es debido a que la

incidencia de las cuchillas sobre la plancha se realiza de forma oblicua a

la misma.

5.2.3 Equipos de corte.

16

Las diversas máquinas actualmente se clasifican en seis categorías generales:

1- Equipo de troquelado tipo almeja se emplea para trabajos relativamente

amplios en cuanto a registro de corte a impresión.(figura 3)

Figura 3. Maquina troqueladora serie ML

Fuente. Wenzhou Kingsun Machinery Industrial Co14

2- Equipo de troquelado de cama plana son también apropiados en

situaciones donde se necesita una alta producción con requerimiento de

registro de corte a impresión relativamente bajo.

3- Equipo de troquelado rotativo está diseñado para procesar el material

alimentado en lámina. Las herramientas de estos sistemas constan en un

cilindro que rota y corta a medid que se alimente el material entre el cilindro y la

superficie de la máquina. Mientras que los sistemas rotativos pueden ofrecer

velocidades de corte muy altas.

4- Equipo de troquelado de precisión usan una tecnología de registro electro

óptico y sistemas de corte digital que no requieren troqueles fijos (es decir,

laser y plotters de corte) son equipos más electos.(ver figura 4)

14 empresa Wenzhou Kingsun Machinery Industrial Co., Ltd., lista de productos,[en línea],<http://graphicmachinerycn.es/Maquina-de-troquelado-y-doblado-20.html>,[citado el 12 de septiembre de 2017]

17

Figura 4. Maquina troqueladora de alta precisión

Fuente. ATOM15

5- Plotters de corte realizan trabajos de corte tiraje, la ventaja es su

respetabilidad en términos de exactitud de corte.

6- sistema láser de corte el cortador láser como los plotters de corte, son a

menudo el sistema de corte más exacto.

5.3 SISTEMAS NEUMÁTICOS

El sistema neumático hace parte del proceso de automatización, el cual se puede

lograr a partir de varios sistemas, como el hidráulico y la combinación de estos dos

fluidos en un mismo sistema, o también conocidos como híbridos.

La implementación de estos tipos de sistemas en el proceso de automatizar una labor

genera un incremento en velocidad, exactitud escogiendo el sistema adecuado, ya

que cada uno cuenta con sus propias ventajas y desventajas que las hacen bastantes

importantes a la hora de escoger un sistema neumático, hidráulico o híbrido.

Según las especificaciones de la troqueladora para cuero vacuno, que más adelante

se muestran en el presente documento, fue necesario implementar un sistema

neumático capaz de realizar la fuerza necesaria para cortar una lámina de cuero

vacuno vegetal.

5.3.1 Ventajas de transmisión neumática

- El método de instalación de un sistema neumático es más sencillo y rápido.

- Los accesorios y componentes son más económicos.

15 Empresa ATOM, productos Clicking Presses, [en linea], < https://www.atom.it/en/prodotto/presses/>,[citado el 25 de agosto de 2017]

18

- Su velocidad de accionamiento es muy alta

- Ciertas pérdidas de tuberías carecen de importancia.

- Las instalaciones de aire comprimido son insensibles a los cambios de

temperatura y no hay peligro de incendio o de explosión.

- Es muy adaptable a múltiples tareas.

5.3.2 Cilindros neumáticos de doble efecto.

En un cilindro de doble efecto tiene alimentación de aire en sus dos cámaras como

se muestra en la figura 5, a diferencia del de simple efecto que solo tiene

alimentación en una de sus cámaras, lo que los hace realizar un trabajo en una

sola dirección. Por consiguiente el esquema real del cilindro se representa en la

figura 6.

Figura 6. Corte cilindro de doble efecto

Fuente. Neumática Practica16

1. tapa trasera

2. juntas estáticas

3. tubo o camisa

4. pistón juntas estáticas

5. pistón juntas dinámicas

6. pistón

7. vástago

8. vástago dinámico

9. tapa delantera

10. anillo rascador (junta)

16 A. Nicolas Serrano, Neumatica Practica, primer edición, Madrid, Paraninfo S.A., 2009.Pg. 92

19

5.3.2.1 Funcionamiento.

Un cilindro neumático tiene en su funcionamiento lo siguiente:

- Para hacer avanzar el vástago, el aire a presión penetra por el orificio de la

cámara trasera, llenándola y haciendo avanzar el vástago.

- En consideración de lo anterior el aire de la cámara delantera debe ser

desalojado al exterior a través del orificio correspondiente, en el retroceso

del vástago se invierte el proceso haciendo que el aire penetre por el orificio

de la tapa delantera, y sea evacuado al exterior a través del conducto unido

a la tapa trasera. la forma física de estos conductos se representa en la

figura.

Para hacer una regulación y control del funcionamiento de un cilindro

neumático es necesario formular un sistema de operación, en consecuencia

elaborar un diagrama de donde se estipule las cargas externas y el valor

físico de la fuerza neta del cilindro como ha sido concretado el cilindro de

doble efecto realizará una fuerza de avance y retroceso.(figura 6)

Figura 6. Cilindro neumático doble efecto

Fuente. Festo17

Para proceder en la selección de un cilindro se ha estipulado que los

cilindros tienen un factor que limita la elección, los casos donde se ve

comprometido el vástago en una relación de compresión perpendicular a la

carrera del mismo, a estos sucesos se le hace un estudio de pandeo, como

presenta la empresa micro18 donde se logra evidenciar una flexión lateral

del vástago que genera esfuerzos radiales sobre los ejes y camisa de los

cilindros.

17 Festo,cilindro normalizados segun iso 15552,[en linea],<https://www.festo.com/cat/es-co_co/products_PP_ISO6431VDMA>,[citado el 14 de octubre de 2017] 18 Micro automacion, productos,actuadores neumaticos,[en linea], <http://www.microautomacion.com/catalogo/201819MASTERMICRO1.pdf>,Pg. 20,[citado el 15 de octubre de 2017]

20

5.3.2.2 Pandeo del cilindro neumático

El pandeo realiza una fuerte concentración de esfuerzo realizando una flexión

que obliga a cortar la vida útil del cilindro o en el peor de los casos produciendo

una rotura como representa la figura 6 cuando se aplica diferentes casos.

Cómo se logra figurar se tienen 7 diferentes posibles casos, realizando un

análisis de las posibilidades resulta de gran ayuda para el suceso del diseño

electro neumático ya que por consiguiente se tiene el modo de fijación del

cilindro, la carga externa y la carrera del vástago, lo anteriormente dicho a su

vez genera unas restricciones en el diseño de la bancada de fijación del

sistema por consiguiente es algo que debe considerarse en el proyecto.(figura

7)

Figura 7. Representación del pandeo sometido a carga.

Fuente. Universidad de cantabria19

19 universidad de cantabria, España, actuadores neumaticos, departamento ingeniería electrica y energetica, [en linea], <http://personales.unican.es/renedoc/index.html>,Pg.96,[citado el 15 de octubre de 2017]

21

Debido a este factor la operación puede afectada por el momento de una

fuerza, es decir si la carrera del vástago es más extenso el fenómeno tendrá

mayor magnitud, pero no debe asumirse que esto lo es todo en consideración

se logra mencionar que el método de fijación del cilindro, los materiales de

fabricación además de combinaciones de ciertos montajes pueden ayudar o

perjudicar el pandeo del vástago, en diferentes industrias relacionadas con los

componentes neumáticos usan factores de corrección estandarizados por sigo

mismos para facilitar la selección del comprador en sus catálogos de

productos.

6. METODOLOGÍA DE DISEÑO

6.1. DETERMINACIÓN Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO

6.1.1 Metodologías de diseño.

Teniendo en cuenta que el objetivo principal y final del proyecto es generar un

diseño mecánico que satisfaga las necesidades de la empresa Cueros

Artísticos LARC; que sea útil, eficiente, confiable, económico y de manufactura

práctica, facilitando así, aquellos aspectos relacionados con su producción y

ejecución.

Es por ello que para asegurar las funciones de la troqueladora en cuestión, es

necesario implementar una metodología de diseño que evidencie un panorama

seguro para resolver las necesidades del cliente sin la obligación de solucionar

imprevistos producidos por la falta de planeación a la hora de la fabricación de

la máquina.

A partir de ello, se mencionan a continuación diferentes alternativas para dar

solución al diseño de una troqueladora para cuero vacuno en la industria

artesanal:

6.1.1.1 Ingeniería de valor (VE).

La ingeniería de valor consiste en un plan de trabajo organizado que utiliza una

serie de pasos para realizar la reducción significativa de los costos en trabajos

ingenieriles, es decir, 20- 50% del costo total del producto final.20

20 Ingeniería de Valor Beneficios y oportunidades de incremento del valor en obras de ingeniería civil,

Manuel A. Calzeta V., Tesis para obtener el titulo de ingeniro civil, Universidad autonoma de Mexico, Pág. 48, [en linea],<http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/2472/TESIS%20VE%2027-06-2012.pdf?sequence=1>, [tomado 1 de octubre de 2017]

22

Esta metodología de diseño se basa en la funcionalidad de las partes, o

sistemas del trabajo ingenieril y ha sido empleado desde los años 50 creado

por Larry Miles porque es considerado un método mucho más rápido y mucho

más barato que el método de ensayo y error que normalmente es usado por el

común.

Para llevar a cabo un análisis del valor es necesario considerar:

• Análisis de las funciones

• Alternativas de diseño

• Análisis de costos

Ya que el trabajo de la ingeniería busca siempre tener beneficios de

funcionalidad a un menor costo, esta metodología propone 6 pasos que logran

identificar aquellos elementos que carecen de valor, entendiendo como valor, a

la razón entre funcionalidad y costo. Adicionalmente se realiza un análisis de

las etapas con más influencia en los costos, identificando funciones básicas,

que son aquellas con las que producto carecería de valor si faltasen, y

considerando a las demás funciones como secundarias, los pasos a seguir

son:

A. Fase de información

B. Fase de especulación

C. Fase analítica

D. Fase de planeación del programa o fase de desarrollo

E. Fase de ejecución del programa o fase de presentación

F. Fase de reconocimiento y conclusiones o fase de implementación

Además de los beneficios monetarios, esta metodología reúne las siguientes

ventajas a la hora de diseñar un sistema o producto:

● Oportunidad de explorar todas las posibles alternativas

● Obliga a los participantes del proyecto a hablar en términos de “función”

y “valor”

● Ayuda a aclarar los objetivos del proyecto

● Identifica y da prioridad a los objetivos del cliente según su definición de

valor

● Implementa las propuestas aceptadas dentro del diseño incrementando

el valor del componente y en consecuencia de todo el proyecto

● Los resultados del estudio proveen retroalimentación

El énfasis de esta metodología de diseño es re evaluar los componentes de un

producto o trabajo ingenieril para así poder suprimir y generar alternativas con

mayor valor y menor valor monetario para así, mejorar el valor los productos o

23

servicios y obtener una reducción en costos como fin último21. En base a lo

anterior mencionado esta metodología no se ajusta a las todas necesidades o

funciones que debe cumplir la troqueladora para cuero, ya que si bien uno de

los puntos a cumplir es el bajo costo de la máquina debido a la industria en la

cual se va a emplear, no se tiene un mecanismo base al cual se le pueda hacer

el estudio de valor o costo para así diseñar y bajar los costos finales de la

máquina.

6.1.1.2 Ingeniería concurrente.

La ingeniería de concurrente reúne la etapa de diseño, desarrollo de productos

y servicios de forma global e integrada donde concurren varios factores22, en

especial, el enfoque o la orientación de la aplicación a este tipo de metodología

ya que puede ser:

A) Ingeniería concurrente orientada al producto:

Son todos aquellos aspectos que pueden tener una influencia positiva en el

producto, especialmente en sus funciones y costos.23. ya que desde el principio

toma en cuenta varios ámbitos y etapas que influyen en el resultado final del

producto, tales como, la necesidad del usuario para posteriormente enfocarse

en los procesos de fabricación y el equipo e inversión necesarios24, finalmente

se enfoca en todos estos aspectos que inciden en la rentabilidad de los

recursos para comercializarlo y los costos de fabricación.

B) Ingeniería concurrente orientada al entorno:

Son todos aquellos aspectos soportados por los usuarios e indirectamente por

la empresa tales como consumos de energía, contaminantes, seguridad, vida

útil de los elementos

21 Ingeniería de Valor Beneficios y oportunidades de incremento del valor en obras de ingeniería civil,

Manuel A. Calzeta V.,Tesis para optar grado de ingeniería civil, Universidad Autónoma de México, México, 2012, pág. 11, [en línea], <http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/2472/TESIS%20VE%2027-06-2012.pdf?sequence=1>, [tomado 24 de septiembre de 2017] 22 Ingeniería de Valor Beneficios y oportunidades de incremento del valor en obras de ingeniería civil, Manuel A. Calzeta V., Tesis para obtener el titulo de ingeniro civil, Universidad autonoma de Mexico, Pág. 11, [en linea],<http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/2472/TESIS%20VE%2027-06-2012.pdf?sequence=1>, [tomado 1 de octubre de 2017] 23 Ingeniería de Valor Beneficios y oportunidades de incremento del valor en obras de ingeniería civil, Manuel A. Calzeta V., Tesis para obtener el titulo de ingeniro civil, Universidad autonoma de Mexico, Pág. 20, [en linea],<http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/2472/TESIS%20VE%2027-06-2012.pdf?sequence=1>, [tomado 1 de octubre de 2017] 24 Ingeniería de Valor Beneficios y oportunidades de incremento del valor en obras de ingeniería civil,

Manuel A. Calzeta V., Tesis para obtener el titulo de ingeniro civil, Universidad autonoma de Mexico, Pág. 29, [en linea],<http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/2472/TESIS%20VE%2027-06-2012.pdf?sequence=1>, [tomado 1 de octubre de 2017]

24

Esta metodología se adecua perfectamente a las exigencias del mercado

actual ya que incentiva la implementación de innovaciones y nuevas

tecnologías a la fabricación del producto, adicionalmente, mejora los

estándares de calidad y responde adecuadamente a las necesidades del

cliente adaptándose fácilmente a los cambios y requerimientos del mercado y

se enfoca en las diferentes metodologías para realizar cambios

organizacionales y así realizar un desarrollo integrado del producto.

En base a lo anterior mencionado esta metodología, a pesar de que agrupa de

una manera integral todas las fases en la producción del servicio ingenieril o

cualquier producto, intenta generar una innovación a un sistema ya creado o a

un proceso ya implementado, y como se busca en primer lugar satisfacer las

necesidades de un cliente y de allí crear una propuesta de una troqueladora y

grabadora para el cuero vacuno, es decir, esta metodología de diseño es

excelente para un proceso de actualización a una propuesta inicial.

Por ende esta metodología no se acomoda totalmente al estado actual del

producto, ya que se busca generar una troqueladora en base solo a los

requerimientos del cliente.

6.1.1.3 Ingeniería inversa:

Esta metodología es un proceso que realizan muchas empresas, y se basa en

adquirir, desarmar y analizar los productos de compañías líderes en el mercado

o la competencia directamente, para así, implementar la tecnología de estas y

generar mejoras en el producto propio.25

Además de ser usada para diseñar y proponer una versión mejorada del

producto o servicio ingenieril, resulta una excelente herramienta a la hora de

adquirir nueva información que es indispensable en el desarrollo de tecnología

Se basa en el estudio minucioso de cada elemento o componente, el

funcionamiento y la construcción del producto para así entender cada uno de

estos aspectos mencionados y generar propuestas de mejoramiento en

innovación, nunca con la intención de generar una copia. Es común ver esta

metodología implementarse en software y dispositivos electrónicos; al analizar

de una manera sistémica un producto, y de allí plantearse hipótesis,

estudiando conceptos físicos y realizar experimentación para validar las

hipótesis, y proponer nuevas mejoras sobre el diseño, construcción y operación

del producto son habilidades que se adquieren al hacer ingeniería inversa.26

25 Diseño de maquinaria, Robert L. Norton, cuarta edicion, editorial MC Graw Hill, Mexico, Pág. 27,[en linea],<https://rafaelramirezr.files.wordpress.com/2015/02/disec3b1o-de-maquinaria-4ed-norton_decrypted-fl-1.pdf>, [tomado el 1 de octubre de 2017]. 26 USO DE LA INGENIERÍA INVERSA COMO METODOLOGÍA DE ENSEÑANZA EN LA FORMACIÓN PARA LA INNOVACIÓN, Diego A. Ramos T., escuela de igenieria, Colombia,[en linea],

25

A pesar que esta metodología propone una buena base para plantear una

actualización o mejoras la maquinaria actual utilizada en el mercado del

troquelado y grabado de cuero vacuno a nivel nacional, es indispensable tener

en cuenta dos aspectos que impiden la utilización de la ingeniería inversa como

proceso para tal fin, el primero es la maquinaria utilizada en la empresa LARC,

ya que es una herramienta netamente manual y que las necesidades actuales

de la empresa no solo sugiere una actualización sino un rediseño de la

troqueladora en sí misma.

El segundo aspecto a evaluar es a nivel comercial los mecanismos utilizados

por empresas especializadas en el troquelado y grabado, ya que la maquinaria

que allí usan es sobredimensionada y genera una fuerza extremadamente

superior a la requerida en procesos artesanales, el implementar un estudio de

ingeniería inversa a este tipo de máquinas conlleva a un costo mayor y según

las necesidades del cliente es más económico generar una propuesta nueva.

6.1.1.4 Ingeniería de costos:

La metodología de costos se enfoca en analizar un producto o servicio

ingenieril con el fin de concluir si estos están operando o están siendo

fabricados de una manera económica y rentable o si sus costos pueden

disminuir reemplazando la maquinaria actual o generando un nuevo diseño que

cumpla con lo anterior.

Esta metodología se basa en tres aspectos fundamentales, para la toma de

decisiones: flujos de efectivo, su tiempo de ocurrencia y las tasas de interés.27

Para poder aplicar esta metodología a cualquier toma de decisión o cambio es

necesario tener en cuenta los siguientes pasos que se muestran en la figura 8,

se pone en estudio dos alternativas y la que tenga mayor beneficio económico

y aumente la rentabilidad del proceso es la que se aplica.

<https://www.acofipapers.org/index.php/acofipapers/2013/paper/viewFile/380/189>, [tomado el 1 de octubre de 2017]. 27Ingeniería Económica, Leland Blank Anthony Tarquin, sexta edición, editorial Mc Graw Hill, Pág. 47,[en línea], <https://s3.amazonaws.com/academia.edu.documents/41906621/_EBOOK__Ingenieria_Economica_Blank_6ta.pdf?AWSAccessKeyId=AKIAIWOWYYGZ2Y53UL3A&Expires=1508781046&Signature=XTgRtufmeMWRbpqqdFWujhCjinA%3D&response-content-disposition=inline%3B%20filename%3DEBOOK_Ingenieria_Economica_Blank_6ta.pdf >,[citado el 4 de octubre de 2017]

26

Figura 8.Enfoque de estudio de ingeniería económica

Fuente: Ingeniería Económica28

Esta metodología depende directamente de la capacidad económica de

la empresa para reemplazar la maquinaria y de factores externos como

los impuestos que conlleva realizar este cambio o la inflación económica

del país, ya que esta metodología se cataloga como ingeniería de

reemplazo, debido a que por lo general el resultado de su análisis va a

optar por reemplazar algún proceso o maquinaria para fluir el capital de

la empresa y mejorar así el flujo de activos conllevando a un enfoque de

estudio evidenciado en la figura 8.

28 Ingeniería Económica, Leland Blank Anthony Tarquin, sexta edición, editorial Mc Graw Hill, Pág. 10,[en línea], <https://s3.amazonaws.com/academia.edu.documents/41906621/_EBOOK__Ingenieria_Economica_Blank_6ta.pdf?AWSAccessKeyId=AKIAIWOWYYGZ2Y53UL3A&Expires=1508781046&Signature=XTgRtufmeMWRbpqqdFWujhCjinA%3D&response-content-disposition=inline%3B%20filename%3DEBOOK_Ingenieria_Economica_Blank_6ta.pdf >,[citado el 4 de octubre de 2017]

27

Para la problemática abordada en este proyecto a pesar que se piensa

reemplazar totalmente la máquina utilizada por la empresa LARC, el único

factor que se tomaría en cuenta con esta metodología sería la capacidad de la

empresa para reemplazar este mecanismo, dejando de lado otros

requerimientos que afectaron en su totalidad el diseño y la propuesta, es por tal

motivo que esta metodología no es la adecuada para dar solución a las

necesidades expuestas por la empresa de artesanías.

6.1.1.5 QFD, quality functional deployment.

Es una metodología cuyo objetivo principal es asegurar que la propuesta o

generación de un producto o servicio ingenieril se desarrolle considerado las

necesidades y requerimientos de los usuarios mediante un proceso

estructurado que interpreta los deseos del cliente, voz del usuario, en

conocimientos técnicos netamente ingenieriles que se aplican en la fase de

diseño y de fabricación.29

Los beneficios de aplicar esta metodología al diseño o fabricación de cualquier

producto o servicio, se evidencian en la definición consistente del producto ya

que acumula y compara conocimientos, para así, identificar y eliminar procesos

o sistemas que añaden valor económico al mismo pero que no representan

gran importancia en el funcionamiento o desarrollo del artículo o trabajo

ingenieril, además de identificar procesos que requieren mejoras para así

aumentar de forma significativa la productividad de cualquier procedimiento.

Esta metodología se aplica siguiendo cuatro fases:

a) Planificación del producto o casa de la calidad: en esta fase se interpretan

las necesidades y deseos del cliente para así transcribirlas en características

técnicas ingenieriles.

b) Despliegue de componentes: interpreta las especificaciones técnicas en

componentes específicos a desarrollar.

c) Planificación del proceso: esta fase busca plasmar los componentes en

procesos específicos de fabricación

d) Planificación de la producción: delimita los procesos de fabricación en una

planificación concreta.

Como se muestra en la figura 9, estas 4 fases se desarrollan y dependen la

una de la otra para poder implementarse en la casa de calidad:

29 Ingeniería de Valor Beneficios y oportunidades de incremento del valor en obras de ingeniería civil,

Manuel A. Calzeta V., Tesis para obtener el titulo de ingeniro civil, Universidad autonoma de Mexico, Pág. 31, [en linea],<http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/2472/TESIS%20VE%2027-06-2012.pdf?sequence=1>, [tomado 1 de octubre de 2017]

28

Figura 9. Fases para la implementación QFD

Fuente: Diseño concurrente, UPC

Esta metodología es la adecuada para implementar en el diseño de la

troqueladora para cuero vacuno, ya que se tiene como eje principal las

problemáticas, necesidades y deseos de la empresa LARC, pero también se

recolecta información de la industria para así transcribir todo esto en

especificaciones ingenieriles, que se delimitan y se programan con la

aplicación minuciosa de la casa de calidad.

6.3. CASA DE LA CALIDAD.

La casa de calidad es el método aplicado en el QFD, quality function deployment, que

como se mencionó anteriormente es la metodología de diseño que más se adecua a

los objetivos planteados en el diseño de una troqueladora para corte de cuero vacuno.

La casa de calidad es el método que transcribe o transforma la voz de usuario en

requerimientos técnicos ingenieriles, este proceso se lleva a cabo en 6 pasos:

6.3.1 Paso 1. La voz del usuario.

Las necesidades y requerimientos del cliente son el eje conductor de esta

metodología, por lo cual, el primer paso consiste en recolectar mediante una

lluvia de ideas todos los aspectos que el cliente desea en su nuevo producto o

servicio ingenieril.

Para llevar a cabo el primer paso se tomó en cuenta las necesidades que

presenta el proceso de troquelado según lo observado por el señor Luis Alfredo

Rojas Calderón dueño y gerente de la empresa Cueros Artísticos LARC

29

ubicada en la ciudad de Duitama del departamento de Boyacá, donde se

realizan elementos corporativos, recordatorios y suvenires artesanales

fabricados en cuero vacuno curtido vegetalmente:

De acuerdo a lo anterior los requerimientos para la troqueladora deberán

contar con lo siguiente:

● Debe brindar el apoyo para una producción de aproximadamente 1500

productos terminados al mes, apoyo para una producción grande.

● Debe tener un costo bajo.

● Debe tener bajo consumo energético.

● La fuerza de troquelado debe ser generada por la máquina más no por

el operario.

● La fuerza debe ser de una magnitud variable según la tarea a realizar

corte o grabado.

● Debe ser compacta.

● Las condiciones de seguridad deben ser básicas para la manipulación

de la máquina.

6.3.2 Paso 2. Análisis de la competencia.

En este paso de evalúa con el cliente, cada uno de sus necesidades

contestando a las tres preguntas siguientes y dándole un valor a la respuesta

según su importancia de 1 a 10 e influencia en el producto final, teniendo en

cuenta el estado actual del producto o servicio ingenieril con respecto a la

competencia:

a) ¿Qué importancia tiene para usted su cumplimiento?

b) ¿En qué grado los productos de la empresa la cumplen?

c) ¿En qué grado los productos de la competencia la cumplen?

6.3.3. Paso 3. La voz del ingeniero.

El siguiente paso en la aplicación de la casa de calidad como metodología de

diseño es uno de los más importantes ya que consiste en la transcripción o

traducción de los requerimientos del usuario en conocimiento netamente

técnico, uno de los retos más grandes a la hora de aplicar esta metodología, ya

que de esto depende la satisfacción del cliente y define claramente el proceso

de diseño y fabricación del producto.

El objetivo de este paso es plantear como mínimo una característica análoga

por cada necesidad o deseo del cliente.

30

Como se mencionó anteriormente, y basándose en las necesidades del cliente

(paso 1), se plantearon las siguientes características análogas en el lenguaje

ingenieril que se muestran a continuación:

● Automatización del proceso: La máquina debe ser capaz de generar por

lo menos más de 1500 artículos terminados por mes, lo que lleva a

disminuir el tiempo que el operario emplea realizando la actividad de

corte y grabado por artículo.

● Disminuir calibres en componentes: al disminuir el espesor de las piezas

empleadas en la troqueladora disminuirá significativamente el peso de la

máquina y por otra parte disminuye los costos totales de la máquina

● Implementación de sistema monofásico para la alimentación energética:

Al utilizar una alimentación monofásica en la troqueladora facilita su

instalación en cualquier área, además que al ser un sistema monofásico

la empresa LARC no tendrá que invertir en un sistema de alimentación

energética trifásica en sus instalaciones y el consumo de energía no

aumentaría considerablemente en comparación a un sistema trifásico.

● Fuerza por un cilindro neumático: al requerir que la máquina realice la

fuerza por sí misma y teniendo en cuenta que se necesita un sistema

monofásico para la alimentación energética, lo más adecuado es un

sistema neumático por su bajo costo, y la fuerza que se puede aplicar no

sobrepasa excesivamente lo requerido en este proceso, como sí lo haría

un sistema hidráulico.

● Sistema de fuerza de corte independiente al sistema de grabado: ya que

la máquina requiere una variación de fuerza que adecua al corte y

grabado que requiere la fabricación de las artesanías de la empresa

LARC.

● Cambio de geometría en la estructura: al necesitar una maquina mas

pequeña o compacta para su fácil transporte e instalación es necesario

realizar un rediseño de la geometría de la máquina que vincule el nuevo

sistema neumático y tenga como base principal la comodidad del

operario para su manipulación.

● Guarda de protección para la cara: además de asegurar la protección de

las extremidades del operario con un sistema de accionamiento que me

garantice lo anterior mencionado, es necesario asegurar que el operario

no corra ningún peligro a la hora de realizar un corte o grabado en el

cuero, es por eso que se generó el requerimiento técnico de la

protección de la cara del operario.

3.3.4. Paso 4. Correlaciones.

Este paso se representa en el cuerpo de la casa de la calidad, y representa la

capacidades de las características ingenieriles para cumplir los deseos y

necesidades del cliente, para ello hay que responder la siguiente pregunta

¿Hasta qué punto se podrá predecir que se van a satisfacer las demandas a

31

partir de las características técnicas elegidas?30, la respuesta a esta pregunta

debe ser clasificada y calificada en las ponderaciones establecidas de 1 a 10,

donde 1 representa la insatisfacción y 10 la satisfacción del usuario.

6.2.5. Paso 5. Evaluación técnica.

El presente paso se encarga de evaluar cada relación realizada anteriormente y

la importancia en el cumplimiento de la característica mencionada del cliente el

cliente, es decir, indica a cuál requerimiento es al que se debe dar más

importancia y cuales dependen de otros, con la aplicación de la siguiente

ecuación:

Importancia t = ∑Id ·Sdt

Importancia porcentual (en forma de % sobre el total de características

técnicas)

6.2.6. Paso 6. Compromisos técnicos:

Este paso se desarrolla en el techo de la casa de la calidad donde se comparan

los diferentes aspectos técnicos y se califican según su dependencia o influencia

entre ellos con el fin de asegurar su posicionamiento en el mercado como un

producto competitivo y de alta calidad.

A continuación se muestra en la figura 10 (anexo 7) la aplicación de los 6 pasos

expuestos anteriormente que componen la casa de calidad para la troqueladora

de cuero vacuno:

30Diseño concurrente, Carles RIBA ROMEVA, Edicions de la Universitat Politècnica de Catalunya, SL,2002, Pág. 180,[tomado el 4 de octubre de 2017].

32

Figura 10. Casa de calidad

Fuente. Propia

6.4. RESULTADOS DE CASA DE CALIDAD

Al evaluar y aplicar la traducción de las necesidades del cliente con el método de

diseño QFD, se observa con los resultados de la casa de calidad la prioridad de los

requerimientos técnicos, es decir, con la tabla 3 que se muestra a continuación la

conclusión de importancia de los requerimientos y deseos del cliente basándose en

los criterios técnicos ingenieriles.

33

Tabla 3. Requerimientos casa de calidad

Fuente. Propia

6.5. CONCLUSIONES DE LA CASA DE CALIDAD

Al aplicar esta metodología de diseño se sacan varias conclusiones con base a los

requerimientos del cliente, y que la importancia de estos se centra en tres

características técnicas, es decir, la primera particularidad con mayor porcentaje,

corresponde a la Fuerza del cilindro neumático es del 25,06% del total, ya que la

empresa Cueros Artísticos LARC, demanda que la fuerza que se aplique para realizar

la labor de corte y grabado en un material natural como lo es el cuero vacuno curtido

vegetalmente sea efectiva, por ende el sistema de fuerza de corte independiente del

sistema de grabo recibe un 20,69% lo que influye en la fuerza neumática del cilindro

que es monofásica con un 18,55% de importancia.

Todo lo anterior mencionado corresponde a un total del 64.31% por ende el 35,68% lo

ocupa las necesidades como la automatización del proceso, en el proceso más

rápido, con un 17,12%; es decir que todos los aspectos que corresponden al aspecto

físico de la máquina como cambio de geometría, disminuir calibres y la protección

para el rostro, solo corresponden al 12,56%, 4,56%, 1,42% respectivamente.

7. SELECCIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE DISEÑO

Este estudio tiene como función realizar una clasificación de las operaciones de un

elemento que interactúa o trabaja en conjunto con otros elementos presentes en una

máquina, para hacer uso de este examen se debe decretar las funciones realizadas y

las requeridas para que la máquina funcione.

34

En consecuencia se debe tener en cuenta el mejor precio para los elementos que

componen el mecanismo de trabajo, inclusive el motivo por el cual la empresa o

cliente desea adquirir la máquina.

En el presente proyecto se de realizar diagramas que agrupen las funciones en

módulos y completen unos niveles que se relacionen correctamente.

7.1. DIAGRAMAS FUNCIONALES

A continuación se realiza el debido diagrama de funcionamiento que hace la

generalización del proceso de la máquina como se muestra en la figura 11 indica las

operaciones a elaborar.

Figura 16. Diagrama Funcional 0

Fuente. Propia

Ya definido el diagrama funcional 0 se realiza la elaboración de los diagramas

funcionales de los siguientes niveles, por consiguiente se obtiene el diagrama de nivel

1 expuesto en la figura 12.

Figura 12. Diagrama funcional nivel 1

Fuente. Propia

35

Así pues se finaliza con el diagrama que tiene operaciones secundarias que hace que

las funciones primarias anteriormente expresadas realicen su función. Demostrado en

la figura 13.

Figura 13. Diagrama funcional nivel 2

Fuente. Propia

7.2. ANÁLISIS DE LOS DIAGRAMAS FUNCIONALES

Analizando los diagramas se observa que el diagrama de la figura 18 contiene todas

las funciones de la máquina y por consiguiente se logró identificar el funcionamiento

de la misma, en otro orden de cosas en la figura 16 se representa la función primaria

del dispositivo corte y grabado de cuero vacuno así mismo se requiere ingresar el

material, la energía que realiza el trabajo y por último la señal de un operario que

realice el mando.

En la entrada de energía mecánica se refiere a la energía eléctrica que utiliza el

mando neumático que ejerce la fuerza sobre el cuero, por otro lado la señal configura

que un operario debe accionar un mando que envíe la señal al sistema de la máquina

para que realice el trabajo correspondiente al corte o grabado y finalmente el

posicionamiento es realizado por el operario antes de las acciones anteriormente

explicadas.

En la figura 17 se ilustra el mismo funcionamiento del diagrama 0 de forma más

detallada y explícita que efectúa el corte del cuero.

Finalmente la figura 18 informa de sistema más pequeños o de explicación más

minuciosa, esto a su vez son importantes ya que demuestra la cantidad de fuerza del

cilindro que es de 5110 Newton y la distancia mínima de 15 centímetros entre la punta

36

del cilindro y la mesa de corte, por otro lado facilitara el diseño de la máquina con

estos módulos como herramienta de diseño.

7.3. SOLUCIÓN DE MÓDULOS

7.3.1. Módulo estructural.

7.3.1.2. Diseño de la mesa de corte.

Realizando el análisis de cargas presentes en el cilindro neumático y tomando

como estado crítico el proceso de corte se tiene que:

El proceso de corte utiliza la máxima fuerza, por tanto se estima que la fuerza

aplicada en este proceso es de 5110 N.

Por otro aspecto se toma la mesa de corte con el comportamiento de una viga

sobre dos apoyos que soporta una carga puntual como se evidencia en la

figura 14, adicional a esto se estudió las medidas de la mesa de trabajo con el

cliente, por ende se llegó a las siguientes medidas de trabajo como 50 cm de

ancho por 40 cm de alto, en este suceso se va realizar el cálculo del espesor

de la placa de acuerdo a las condiciones de diseño.

Figura 14. Esquema mesa de corte

Fuente. Propia

En la figura 15 se muestra el diagrama con dos apoyos y una carga central de

5120 N, en la viga que se evidencia, siendo la viga que se va a calcular.

37

Figura 15. Viga con carga puntual central

Fuente. Propia

Añádase a esta consideración importante la distancia entre los apoyos para la

viga debe ser elegido un material que cumpla con los requerimientos

propuestos de igual modo se obtiene el espesor necesario de la mesa de corte.

En la figura 16 se muestra las reacciones en los apoyos para hacer uso de las

ecuaciones de equilibrio así mismo realizar una sumatoria de fuerzas que

ayudará a entender los fenómenos físicos que allí se encuentran.

Figura 16. Diagrama de cuerpo libre de la viga

Fuente. Propia

Cómo se logra denotar las reacciones RA y RB se encuentran equidistantes a

la fuerza aplicada en la viga por tanto se considera que por las condiciones de

equilibrio con la fuerza de 5120 N el valor de las reacciones es RA=RB=2560 N

Por consiguiente se debe realizar un corte en la viga debido que es necesario

para obtener los diagramas de momento cortante y momento flector.

38

Al desarrollar el respectivo análisis de resistencia de material se logra obtener

en principio los diagramas de momento cortante en toda la viga y el de

momento flector realizados en software31 por consiguiente se representa,

donde se obtiene muestrear los fenómenos físicos de la viga. Por otro lado la

figura 17 representa las cargas y reacciones a lo largo de la viga, anteriormente

las reacciones fueron calculadas, la carga P1 expone que se dirige hacia abajo

en el centro de la viga y las reacciones Ay y By por análisis estático se dirigen

hacia el sentido contrario.

Figura 17. Esquema de la viga

Fuente: propia

La gráfica 2 expone las cargas cortantes a lo largo de la viga.

Gráfica 2. Diagrama de momento cortante en la viga

Fuente. Propia

31 Thymoty A Philpot,MD Solids, software libre, 1997-2014, [disponible en www.mdsolid.com]

39

Por lo que sigue se obtiene el diagrama de momento flector a lo largo de la

viga en la gráfica 3 esto servirá para realizar un cálculo del espesor de la viga

en la distinción de los factores se requiere que el material sea aluminio

comercial debido a que los elementos de corte que actualmente cuenta la

empresa LARC sufren desgaste por los elementos de presión en la máquina y

que tienen contacto directo o indirecto con los troqueles.

Gráfica 3. Momento flector en la viga

Fuente. Propia

Dado que se tiene los diagramas de flexión y deformación de la viga se

propone hacer uso del aluminio 2014-0, luego se estudiará el esfuerzo máximo

permisible de este material y se procede hacer la comparación del esfuerzo

máximo de corte y la capacidad del material.

Si se desea saber el espesor requerido en la mesa de trabajo, para que sea

capaz de soportar la fuerza generada por el cilindro neumático, es necesario

garantizar que el esfuerzo de compresión que se le aplique a la placa no

supere el esfuerzo admisible de aluminio 2014-0. Para ello se retoma la figura

16, donde se observa este fenómeno como un diagrama de cuerpo libre

sabiendo que el largo máximo de la placa es de 500 mm por 400 mm de ancho.

Esta relación se observa a continuación aplicada en la ecuación

𝑃𝑐 = 5120 𝑁

σc= Esfuerzo de compresión = 4,599 Mpa

AT = Área transversal de la placa en contacto con estructura

F.S. = Factor de seguridad 2.5

Sy= Esfuerzo máximo de fluencia = 97 Mpa

σ= Esfuerzo admisible del material = 38.8 Mpa

40

De la ecuación se obtiene que el área transversal de la mesa de trabajo es de

0.001154𝑚2, con esta informacion se puede calcular el espesor de la placa,

con la ecuación que vemos a continuación:

e= Espesor de la sección

d= distancia asumida de trabajo= 500 mm = 0,5 m

Con lo anterior calculado, se concluye que el espesor necesario en la placa es

de 3,08mm, pero como esta medida no está normalizada en la industria o a

nivel comercial adquirir una placa de aluminio de este espesor elevaría los

costos, ya que requeriría un proceso de desbaste superficial. Es por ello que se

decide utilizar una placa de aluminio 2014-0 de 500mm x 400mm con un

espesor de 1/4 de pulgada.

7.3.1.2. Diseño estructural.

Para soportar el peso de la mesa de trabajo, el sistema electro neumático y la

fuerza producida por el cilindro, se escoge una canal formada con perfil en C

fabricada en acero A36, las cargas analizadas se muestran en la figura 18

donde se muestran en qué puntos de la estructura propuesta estarían las

diferentes fuerzas.

Figura 18. Cargas presentes en la estructura.

Fuente. Propia

41

Al realizar un estudio del sistema estructural se desea encontrar el punto crítico

de la estructura, sin embargo es necesario proponer un sistema equivalente

para que la fuerza 1 y 2 actúan en el mismo eje

Los valores de las fuerzas F1 y F2 equivalen al peso del sistema electro

neumático y el peso de la mesa de corte respectivamente.

Haciendo la correspondiente revisión en el catálogo del peso promedio de los

componentes del sistema electro neumático, tales como, válvulas senoidales,

reguladoras de caudal y reguladora de presión, adicionalmente, se le agrega el

peso del cilindro neumático, los sensores y los componentes eléctricos. El peso

que corresponde a estos elementos anteriormente mencionados es 31.8N ya

que la masa es de 3.25 Kilogramos en total

La mesa de aluminio 2014-0 que va a soportar directamente la fuerza de corte

tiene un volumen 1.27x10−3 𝑚3 , con el cual podemos determinar la masa del

elemento con la siguiente ecuación:

𝜌 =𝑚

𝑣

Por tablas la densidad del aluminio 2014-0 a una temperatura ambiente de 20

ºC es 2700 Kg/m3 por lo tanto al despejar la masa de la mesa de trabajo

obtuvimos que F2 es de 33,55N que actúa sobre dos apoyos de la estructura

en general.

Para poder determinar en qué parte la estructura de la troqueladora se ve más

afectada por la fuerza del cilindro y todos los componentes adicionales, se

trasladó la fuerza 2, como se muestra en la figura 19, para así poder generar

los diagramas de fuerza cortante y momento flector.

Figura 19. Cargas en la sección superior.

Fuente: propia

42

Al generar los diagramas de fuerza cortante y momento flector se puede

observar que el lugar donde se ve más afectado el componente que va a

soportar el cilindro neumático y el circuito eléctrico, es donde está empotrado,

como vemos en la figura 17 y 18 donde se evidencia las magnitudes más

grandes

Gráfica 4. Diagrama de momento cortante en viga superior

Fuente: Propia

Gráfica 5. Diagrama de momento flector viga superior.

Fuente: propia

Al observar el valor que toma el momento flector en la unión de la parte

superior de la estructura, es necesario reforzar esta unión con una cartela, lo

cual nos asegurará que la estructura resista al trabajo continuo al que va estar

sometido.

43

De esta misma manera se observó estáticamente la parte inferior de la

estructura, es decir los apoyos que soportan la mesa de trabajo y la fuerza

generada por el cilindro, como se muestra en la figura 20, donde se evidencia

el diagrama de cuerpo libre con la fuerza 1 trasladada.

Figura 20. Fuerzas presentes en viga inferior.

Fuente. Propia

Al estudiar este área se pudo concluir que la parte que más se ve más afectada

es la unión de la parte inferior, ya que los valores obtenidos al realizar el

estudio de resistencia, en la parte superior e inferior de la estructura y realizar

una comparación entre estos dos datos, la magnitud del momento flector es

superior en la parte baja de la estructura, como se muestra en la gráfica 6 y 7,

correspondientes al diagrama de fuerza cortante y momento flector de la parte

inferior de la troqueladora

Gráfica 6. Diagrama de momento cortante en viga inferior.

Fuente. Propia

44

Gráfica 7. Diagrama de momento flector viga inferior.

Fuente. Propia

Como se mencionó anteriormente en la figura 19 correspondiente al momento

flector el área que más se ve afectada es la unión con el brazo de la

troqueladora y es mucho mayor el riesgo en esta parte que la superior que

tiene que cargar con todo el peso del cilindro neumático y el sistema de

control.

Para establecer el espesor requerido para la fabricación de la troqueladora se

tomó el momento máximo de la parte inferior de la troqueladora, y se itero entre

varios espesores, tales como 2,4 y 6 milímetros, ya que son espesores

estandarizados y comerciales, adicionalmente a esto teniendo en cuenta la

ecuación 3.

𝜎𝑚𝑎𝑥 =𝑀𝑚𝑎𝑥𝐶

𝐼

Donde:

𝜎𝑚𝑎𝑥: es el esfuerzo axial máxima

𝑀𝑚𝑎𝑥: Momento flector máximo = 13.25 N⋅mm

C: centroide

I: Momento de inercia

45

Tomando un espesor de 2mm.(figura 21)

Figura 20. Dimensiones ángulo C.

Fuente. Propia

Teniendo en cuenta que a= 400 mm b=450 mm s= 2 mm como se evidencia

en la figura 19 y estableciendo los componentes geométricos de la canal en c

escogida como se muestra en la figura 22, para así determinar el momento de

inercia y el centroide como se muestra en la tabla 4

Figura 22. Sección Angulo C.

Fuente. Propia

Tabla 4. Cálculo de momento de inercia y centroide

Fuente. Propia

46

Donde el centroide se halla de la ecuación 56 utilizando los datos de la tabla

anterior:

𝐶 =𝑌𝐴

𝐴

𝐶 =402208

2592

𝐶 = 155,17284 𝑚𝑚

Ya con estos datos calculados podemos aplicar la ecuación 3:

𝜎𝑚𝑎𝑥 =(13.25)(155,17284)

(574764908,57)

𝜎𝑚𝑎𝑥 = 293 𝐾𝑃𝑎

Ya con el esfuerzo máximo calculado 293 KPa, se aplica la ecuación 2,

teniendo en cuenta que la fluencia a la tensión del A36= 250 MPa y un factor

de seguridad de 3

𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 =250𝑀𝑃𝑎

3

𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 =83.33MPa

𝜎𝑚𝑎𝑥 ≤ 𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒

293 𝐾𝑃𝑎 ≤ 83.33𝑀𝑃𝑎

Tomando un espesor de 4mm:

Teniendo en cuenta que a=400 mm b=450 mm s=4 mm como se evidencia en

la Gráfica 7 y estableciendo los componentes geométricos de la canal en c, se

vuelve a calcular el centroide y el centro de inercia con este espesor,(tabla 5)

Tabla 5. Cálculo de momento de inercia y centroide

Fuente. Propia

47

𝐶 =806000

5200

𝐶 = 155 𝑚𝑚

𝜎𝑚𝑎𝑥 =(13.25)(155)

(68886928,67)

𝜎𝑚𝑎𝑥 = 2,98 𝐾𝑃𝑎

2,98 𝐾𝑃𝑎 ≤ 83.33𝑀𝑃𝑎

Tomando un espesor de 6mm:

Teniendo en cuenta que a=400 mm b=450 mm s=6 mm como se evidencia en

la gráfica 7 y estableciendo los componentes geométricos de la canal en c, se

vuelve a calcular el centroide y el centro de inercia con un espesor de 6 mm,

(Tabla 6)

Tabla 6. Cálculo de momento de inercia y centroide

Fuente. Propia

𝐶 =1206000

7800

𝐶 = 154,6153846 𝑚𝑚

𝜎𝑚𝑎𝑥 =(13.25)(154,61538465)

(94277162,49)

𝜎𝑚𝑎𝑥 = 2,17 𝐾𝑃𝑎

2,17 𝐾𝑃𝑎 ≤ 83.33𝑀𝑃𝑎

Con todos los datos recolectados, se llega a la conclusión de asumir un

espesor de 4mm, ya que cumple que 𝜎𝑚𝑎𝑥 ≤ 𝜎𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒,no obstante cabe

resaltar que el de 2mm y 6mm cumplen con esta misma condición, pero al

escoger un espesor de 2mm se considera que es bastante delgado y la

máquina puede estar sometida amas cargas de las calculadas, y al escoger un

48

calibre de 6 mm aumentaría considerablemente el peso de la máquina y por

requerimiento del cliente esta debe ser liviana y fácil de transportar.

7.3.2. Módulo de control.

Para elaborar el diseño del sistema electro neumático es necesario tomar las

consideraciones anteriormente comentadas por ende, se implementó una serie

de factores para hacer la implementación electro neumática.

Se determinó una relación pertinente para efectuar la finalidad del proyecto

neumático igualmente se agregaron unos requerimientos de seguridad por

consiguiente se determinó que:

I. El diseño debe tener dos operaciones, corte en primera modalidad y

repujado en segunda.

II. El cilindro neumático debe usar la fuerza máxima calculada en el

proceso de corte, análogamente la fase de repujado debe usar la tercera

parte de la misma fuerza.

III. El esquema por consideración propia debe tener un parado de

emergencia (STOP).

IV. El sistema debe ser accionado por dos botones para garantizar que el

operario no comprometa ninguna de sus manos.

Para realizar un correcto diseño fue necesario hacer uso de un software con

las funciones para elaborar un plano o esquema del sistema.

FluidSim32 es un programa líder en el mundo para realizar simulaciones de

sistemas hidráulicos neumáticos y electrónicos, de ahí que se fundamente el

uso de este software.

En la figura 22 a se consigue mostrar la realización del sistema neumático que

cumple con el movimiento del cilindro neumático por otro ámbito, se logra

concluir los elementos necesarios para el desarrollo de la operación.

A su vez se proyecta realizar un diseño óptimo que cumpla con los

requerimientos en síntesis se adiciona la parte electrónica que dirija el sistema

neumático.

En la figura 22 b se demuestra el sistema electrónico que realizará el control en

todo el proceso de la máquina, haciendo uso de los requerimientos

anteriormente expuestos se da cumplimiento a todos los factores y

operaciones.

32Festo,Learning systems,[en linea],<http://www.festo-didactic.com/int-es/learning-systems/software-e-learning/fluidsim/fluidsim-5.htm?fbid=aW50LmVzLjU1Ny4xNC4xOC41OTEuNzk3NQ>,[citado el 14 de octubre de 2017]

49

En consideración los esquemas presentados son la representación formal para

elaborar el debido montaje en la máquina. Continuamente se realizó la

simulación del proceso para verificar virtualmente el funcionamiento del diseño

propuesto.

Figura 22. a) Esquema sistema neumático

Fuente. Propia

Figura 22.b) esquema electrónico mando neumático

Fuente. Propia

50

A continuación se inicia el debido cálculo del cilindro neumático dado que es un

elemento muy importante en la máquina troqueladora.

Para realizar la selección apropiada del cilindro es necesario tomar las

siguientes consideraciones

- Diámetro del émbolo

- Fuerza de avance

- Fuerza de retroceso

- Carrera del émbolo

-

En consideración de la fuerza requerida para el corte es necesario un valor de

4560 N por este valor se inicia una estimación del valor requerido en la fuerza

de avance del cilindro, como lo requiere los catálogos de diferentes empresas,

sin embargo se toma un factor de seguridad para no tener bajas de presión o

algún valor que pueda causar un problema en el funcionamiento de la máquina

por ello se toma la decisión de tomar 15% valor añadido a esta fuerza

requerida.

Se evidencia en la figura 23 las cargas presentes en el proceso de corte; se

analizó en primera instancia el corte del cuero debido que es la fuerza máxima

requerida, además de ser el proceso crítico de la máquina troqueladora.

Figura 23 .Diagrama de fuerza en el cilindro

Fuente. Propia

Haciendo uso de la ecuación

𝐹𝐴 = 𝑃 ∗ 𝐴𝛩 ∗ 𝜂ℎ𝑚

51

Donde:

FA= fuerza de avance

P= presión del compresor normalizado (6 bar)

A𝛩=área del émbolo

𝜂ℎ𝑚=eficiencia hidro mecánica33

Despejando A𝛩 se obtiene que:

𝐴𝛩 =(4560 𝑁 − 118𝑁) ∗ 1.15

600000 𝑃𝐴 ∗ 0.9

𝐴𝛩 = 9.5 ∗ 10−3𝑚 2

Ahora con el área se despeja el valor del diámetro del émbolo

𝛩𝐸 = √𝐴𝛩∗4

𝜋

Reemplazando.

𝛩𝐸 = √9.5 ∗ 10−3𝑚 2 ∗ 4

𝜋

𝛩𝐸⋍0.110m=110 mm

Debido a que la masa en el final del cilindro es de 12 kg que evidencia en la

imagen se puede determinar la fuerza necesaria para el retroceso del actuador

neumático, haciendo uso de la segunda ley de Newton se obtiene que la fuerza

mínima requerida para hacer el retroceso del cilindro, además cabe aclarar que

se debe agregar el 10% como factor de seguridad del sistema esto es porque

en el retroceso no se involucran más cargas externas en consecuencia:

𝐹𝑅𝑚𝑖𝑛 = (12𝑘𝑔 ∗ 9.8𝑚/𝑠2) ∗ 1.10

FRmin⋍130 N

De acuerdo a diferentes empresas en sus catálogos se tiene los parámetros

necesarios del actuador

:

33 festo,cilindros normalizados iso 15552,catálogo actuadores, [en línea],,<https://www.festo.com/cat/es-co_co/data/doc_es/PDF/ES/DSBC_ES.PDF>.Pg. 15,[tomado el 12 de octubre de 2017]

52

- Diámetro del émbolo =110 mm

- Fuerza de avance = 5110N

- Fuerza de retroceso = 130 N

- Carrera del émbolo =150 mm

Es considerable tener en cuenta la información requerida se sugiere utilizar

cilindros normalizados en la norma ISO 15552 para disminuir costos. (Ver

anexo 2), las válvulas correspondientes a este sistema electro neumático se

encuentran en los anexos 4 y 5 a su vez los reguladores de caudal en el anexo

3 y finalmente los sensores magnéticos correspondientes al anexo 6.

8. MODELACIÓN

Para hacer un resumen de los anteriores elementos se ha realizado una modelación

de todo el sistema en conjunto, cómo se demuestra en la figura 24 por otro lado

anexo a este proyecto se realizan los planos requeridos para la fabricación de las

piezas (ver anexo 1) que lo requieren para la fabricación sin embargo, los elementos

normalizados como tornillos pernos entre otros se encuentran en catálogos

dependiendo de los fabricantes.

Figura 24.a) modelación vista isométrica

Fuente. Propia

53

b) modelación vista frontal

Fuente. Propia

Así se da cumplimiento a dejar que la propuesta sea previamente observada por el

comprador, de este modo a su vez se garantiza la seguridad del operario ya que debe

usar las dos manos para accionar el cilindro neumático.(ver figura 25). Del mismo

modo el cilindro no llega al final de la mesa de corte debido a que se pone unos

moldes que ocupan el espacio restante entre el cilindro y la mesa, cabe mencionar

que la altura total de la máquina corresponde a 60 cm de alto por 50 cm de ancho y

una masa aproximada de 45 Kilogramos debido que dependiendo el material de los

elementos no definidos puede hacer variar el peso total.

Figura 25. Control de la máquina

Fuente. Propia

54

En consideración se anexará a este documento una simulación del proceso de la

máquina que ilustrara el movimiento de la misma.

9. ANÁLISIS DE COSTOS

Para poder efectuar y tener una idea clara del presupuesto necesario para construir la

troqueladora para cuero vacuno que se propone en este proyecto es necesario

clasificar los gastos en directos e indirectos

9.1 ANÁLISIS DE COSTOS DIRECTOS

Para justificar cada uno de los procesos y elementos que componen la troqueladora

aca propuesta se sugiere remitirse a los planos generales que se encuentran en el

anexo 1

9.1.1 Materia prima.

Estos elementos son aquellos que son indispensables para la fabricación de la

troqueladora y se genera a partir de los resultados de prioridades de la casa de

calidad, estos elementos serían los que se exponen en la tabla 7.

Tabla 7.Costo de elementos básicos de la máquina.

Fuente. Propia

9.1.2. Costo de fabricación

Son todos aquellos procesos involucrados en la fabricación de la troqueladora

de cuero, que se exponen en la tabla 8 que se muestra a continuación.

55

Tabla 8. Costo de fabricación.

Fuente. Propia

9.1.3. Sistema electro neumático

Se realizó la correspondiente valoración de los objetos más costosos para

realizar una comparación entre dos empresas consultadas, esto para hacer la

selección del sistema más económico y confiable. Por consiguiente en la tabla

9 se dan los valores en pesos colombianos de los precios de los elementos del

sistema neumático,

Tabla 9.valoración elementos neumáticos Micro

Fuente. Micro automación

Como se desea escoger los precios más económicos, se realizó una segunda

cotización en una empresa diferente de los elementos más costosos, la cual

muestra el valor total de los elementos con IVA incluido (tabla 10).

56

Tabla 10.Valoración elementos neumáticos La Bodega Industrial SAS

Fuente. Propia

De lo anterior mencionado se condensa esta información en la tabla 11, donde

se relaciona los valores más económicos para la fabricación del sistema

neumático.

Tabla 11. Análisis de costos.

Fuente. Propia

Con todos los costos directos evaluados se realiza un valor total para estos,

que se evidencia en la tabla 12.

Tabla 12. Valoración del costo total.

Fuente. Propia

57

9.2 ANÁLISIS DE COSTOS INDIRECTOS

Son aquellos servicios que no se evidencian en el producto final pero que son

indispensables para el desarrollo del producto y la construcción de la troqueladora,

estos costos se detallan en la tabla 13.

Tabla 13. Valoración de costos indirectos.

Fuente. Propia

9.3 COSTO TOTAL DE LA TROQUELADORA PARA CORTE Y GRABADO DE

CUERO VACUNO

En la tabla 14 se muestra la suma de los costos directos, indirectos y un 5% que

corresponden a imprevistos que ocurran en la fabricación de la máquina

Tabla 14. Valoración de costos totales

Fuente. Propia

59

11. BIBLIOGRAFÍA

1. Amah Khand, Irranan Ekmvazutht, Susana Kamaruddm, Mohd Sham Azm and

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Edicions de la Universitat Politècnica de Catalunya. SL. 2002

10. Robert L Mott, Diseño de elementos de Maquinas.

60

ANEXO 1. Planos de fabricacion

61

ANEXO 2. CATALOGO CILINDRO NEUMÁTICO

62

ANEXO 3. CATALOGO REGULADORES DE CAUDAL

63

ANEXO 4. CATALOGO VÁLVULAS DIRECCIONALES 5/2

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ANEXO 5. CATALOGO VÁLVULAS DIRECCIONALES 5/3

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67

ANEXO 6. CATALOGO INTERRUPTORES MAGNÉTICOS