i

DIRIGIDA POR:

Ing. Felipe de Jesús García Monroy

M. en C. Ricardo Cortez Olivera

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

MÉXICO, D.F ENERO 2015

P R E S E N T A :

Suárez Romero José David

INGENIERO EN ROBÓTICA INDUSTRIAL

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

Proyecto de máquina extrusora,

para creación de hilos de Poli

Etilén Tereftalato.

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD AZCAPOTZALCO

ii

ÍNDICE

Índice ii

Resumen xi

Título xii

Objetivo General xii

Objetivos Específicos xii

Objetivos Particulares xii

Productos Esperados xiii

Justificación xiii

Agradecimientos xiv

I. ESTADO DEL ARTE 1

1.1 Contexto Histórico 2

1.1.1 Historia del plástico 2

1.1.2 El apogeo del plástico 3

1.1.3 La expansión del plástico 3

1.1.4 Historia de la extrusión 4

II. ANÁLISIS DEL SISTEMA 8

2.1 Contexto Tecnológico 9

2.1.1 Marco Teórico del PET 9

2.1.1.1 Características Particulares 10

2.1.1.2 Propiedades físicas, mecánicas, térmicas y químicas del PET 11

2.1.1.2.1 Propiedades del Plásticos PET Virgen 11

2.1.1.2.2 Propiedades Eléctricas 11

2.1.1.2.3 Propiedades Físicas 12

2.1.1.2.4 Propiedades Mecánicas 13

2.1.1.2.5 Propiedades Térmicas 13

2.1.1.2.6 Propiedades Químicas 14

2.1.1.3 Tipos de Plásticos PET 14

2.1.1.4 Propiedades del Plástico PET Reciclado (RPET) 15

2.1.1.5 Peso molecular y viscosidad del PET 16

2.1.1.6 Retención de Viscosidad Intrínseca 16

2.1.1.7 Generación Mínima de Acetaldehído 17

2.1.1.8 Transparencia Máxima de la Preforma 18

2.1.1.9 Reometría y Reología 20

2.1.2 Marco Teórico del Proceso de Extrusión 21

2.1.2.1 Moldeo por extrusión en húmedo 22

2.1.2.2 Moldeo por extrusión en seco, continuo o caliente 22

2.1.2.3 Defectos generados en el proceso de extrusión 22

iii

2.1.2.4 Tipos de extrusoras 24

2.1.2.4.1 Extrusoras de desplazamiento positivo 24

2.1.2.4.2 Extrusoras de pistón 24

2.1.2.4.3 Bombas de extrusión 25

2.1.2.4.4 Extrusoras de fricción viscosa 25

2.1.2.4.5 Extrusora de tornillo 25

2.1.2.4.6 Extrusoras de tambor rotatorio 26

2.1.2.4.7 Extrusora de rodillos 26

2.1.2.5 Descripción del funcionamiento de una extrusora 27

2.1.2.5.1 Transporte de sólidos (zona de alimentación) 27

2.1.2.5.1.1 Transporte de sólidos en la tolva 27

2.1.2.5.1.2 Transporte de sólidos en el cilindro 28

2.1.2.5.2 Fusión (zona de transición) 28

2.1.2.5.3 Transporte del fundido (zona de dosificado) 31

2.1.2.5.4 Mezclado 36

2.1.2.5.5 Desgasificado 36

2.1.2.5.6 Conformado 37

2.1.2.5.7 Tensionado 37

2.1.2.5.8 Relajación 38

2.1.2.5.9 Enfriamiento 38

2.2 Cimientos del Proyecto 39

2.2.1 Fundamento 39

2.2.1.1 Análisis FORD 39

2.2.1.1.1 Fortalezas 40

2.2.1.1.2 Oportunidades 40

2.2.1.1.3 Restricciones 40

2.2.1.1.4 Debilidades 40

2.2.2 Conocimiento de Soporte del Proyecto 41

2.2.2.1 Conocimientos previamente adquiridos para el diseño mecánico 41

2.2.2.2 Conocimientos previamente adquiridos para el diseño eléctrico 41

2.2.2.3 Conocimientos previamente adquiridos para el diseño control-electrónico

41

2.2.3 Argumentos 42

2.2.3.1 Argumentos importantes a considerar para el diseño de la máquina extrusora

42

2.2.3.2 Descripción de Argumentos 42

2.2.4 Requisitos (Q.F.D) 44

2.2.4.1 Ponderación de criterios en base a problemáticas 44

2.2.4.2 Ponderación de criterios en base a propiedades del PET 45

2.2.4.3 Ponderación de criterios en base a soluciones del diseño de la máquina extrusora

46

iv

2.3 Diseño del Nuevo Sistema 47

2.3.1 Ingeniería General del Proceso de Extrusión 47

2.3.1.1 Capacidad del extrusor 47

2.3.2.2 Diagrama de proceso 48

2.3.2.3 Ciclo de Trabajo 48

2.3.2 Diseño del Sistema Mecánico 49

2.3.2.1 Propuesta de análisis de partes mecánico 49

2.3.2.2 Husillo 49

2.3.2.2.1 El tornillo a diseñar tiene tres zonas 51

2.3.2.2.1.1 Sección de alimentación 51

2.3.2.2.1.2 Sección de transición 51

2.3.2.2.1.3 Sección de dosificación 51

2.3.2.3 Barril 52

2.3.2.4 Cabezal 53

2.3.2.4.1 Filtros de extrusión 54

2.3.2.4.2 Dados 56

2.3.2.5 Cilindro ranurado para encarretado del hilo obtenido. 57

2.3.2.5.1 Rodillos guía para el hilo 58

2.3.2.6 Tolva 58

2.3.2.7 Rodamientos para Husillo 59

2.3.2.7.1 Rodamientos cilíndricos 59

2.3.2.7.2 Rodamientos cónicos 60

2.3.2.7 Motoreductor 60

2.3.2.8 Camisa 61

2.3.3 Diseño del Sistema Eléctrico 62

2.3.3.1 Motor-reductor 62

2.3.3.2 Motor Eléctrico 63

2.3.3.3 Resistencias eléctricas 64

2.3.3.4 Termopares 67

2.3.4 Diseño del Sistema Electrónico – Control 68

2.3.4.1 Pirómetro 68

2.3.4.2 PLC 68

2.4 Contexto Normativo 70

2.4.1 Instalaciones Eléctricas 70

2.4.2 Seguridad de máquinas en centros de trabajo 71

2.4.3 Diseño de máquinas seguras con normativa europea 71

2.4.4 Normativa europea de seguridad de máquina 72

v

2.5 Concepto Ganador 73

2.5.1 Extrusora 74

2.5.2 Sistema de embobinado/hilado 75

III. INGENIERÍA DE DISEÑO Y CÁLCULOS 76

3.1 Ingeniería de Diseño Mecánico y Eléctrico 77

3.1.1 Husillo 77

3.1.1.1 Parámetros tecnológicos 77

3.1.1.2 Relación de longitud del husillo 79

3.1.1.3 Holgura y Tolerancias del tornillo/cilindro 79

3.1.1.4 Zonas del husillo y sus longitudes 80

3.1.1.5 Cálculo del número de filetes del husillo 81

3.1.1.6 Intervalos de velocidad de cortadura 81

3.1.1.7 Viscosidad efectiva 81

3.1.1.8 Producción del Tornillo 84

3.1.1.8.1 Volumen unitario del flujo de arrastre o de fricción (QD ó ) 85

3.1.1.8.2 Volumen unitario del flujo de presión (QP ó ) 85

3.1.1.8.3 Volumen unitario del flujo de filtración (QL ó ) 86

3.1.1.8.4 Constante total de la cabeza K 86

3.1.1.9 Relación de compresión 90

3.1.1.10 Cálculo de la potencia requerida 91

3.1.1.11 Presiones en la máquina extrusora 93

3.1.1.12 Selección de material para el husillo 98

3.1.1.13 Peso del husillo 98

3.1.1.13 .1 Volumen del alma del husillo en cada sección 99

3.1.1.13.2 Volumen de los filetes en cada zona 100

3.1.1.14 Cálculo de fuerzas del husillo 104

3.1.1.15 Diseño del muñón 115

3.1.1.16 Diseño de la chaveta 120

3.1.2 Diseño/Selección de Cañón 122

3.1.2.1 Calculo del espesor mínimo del Cañón 123

3.1.2.2 Especificaciones del diseño del Cañón 124

3.1.3 Diseño de Tolva 125

3.1.3.1 Calculo del peso de la hojuela de PET 125

3.1.3.2 Dimensiones de la Tolva 126

3.1.3.3 Calculo de volúmenes y volumen total de la Tolva 126

3.1.3.4 Calculo de la cantidad de hojuelas dentro de la tolva 127

3.1.3.5 Calculo de kilogramos en la tolva 128

3.1.4 Selección de Motor-reductor para máquina 128

3.1.5 Selección de Coples 130

3.1.6 Selección de rodamientos 131

3.1.7 Selección de chumacera 131

vi

3.1.8 Selección de plato rompedor 132

3.1.9 Selección de malla 132

3.1.10 Selección de Bridas para Cañón 134

3.1.10.1 Selección de Brida delantera 134

3.1.10.2 Selección de Brida trasera 135

3.1.10.3 Selección de Tornillos 135

3.1.11 Selección de Resistencias 136

3.1.12 Diseño de cabezal 137

3.1.13 Diseño de boquilla 138

3.1.14 Diseño de camisa 140

3.1.15 Selección de ventiladores 140

3.1.16 Diseño del sistema de calandria 141

3.1.16.1 Calculo de velocidad de salida del material 141

3.1.16.2 Calculo del carrete embobinador de hilo al final de la calandria 141

3.1.16.3 Selección de rodillos 142

3.1.16.4 Selección del Tambor guiador de hilo 143

3.1.16.5 Velocidad angular del tambor acomodador 144

3.1.16.6 Selección de motor de tambor acomodador 144

3.1.16.7 Selección del Rodillo perforado 145

3.1.17 Diseño de base 145

3.2 Ingeniería de Electrónica y Control 146

3.2.1 Diseño del Sistema de Control de Temperatura 146

3.2.2 Selección de PLC 149

3.2.3 Selección de Pirómetro 150

3.2.4 Selección de Termopares 150

IV COSTOS 151

4 Costos del Proyecto 152

V Concusiones 158

Planos 159

Anexos 190

Bibliografías y Referencias Electrónicas 226

vii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Máquina manual para hacer pasta. 4 Figura 2 Máquina productora de cereales. 5

Figura 3 Máquina extrusora antigua de doble husillo. 5

Figura 4 Máquina extrusora husillo simple. 6

Figura 5 Máquina extrusora de nueva generación. 7 Figura 6 Máquina extrusora de doble husillo. 7 Figura 7 Esterificación del PET. 9

Figura 8 Policondensación del PET. 9

Figura 9 Reacción Química de polietilentereftalato. 10

Figura 10 Efecto del acetaldehído (ppm) vs el tiempo de residencia (hrs). 17

Figura 11 Acetaldehído residual (ppm) vs temperatura (C°). 18

Figura 12 Efecto de la velocidad del husillo (rpm) vs acetaldehído residual (ppm). 18

Figura 13 Comportamiento del PET en las diferentes zonas térmicas. 19

Figura 14 Máquina extrusora de plásticos JYM. 21

Figura 15 Fractura de la fusión, causada por flujo turbulento en la fusión a través de una aguda

reducción a la entrada del dado. 23

Figura 16 Perfil de velocidades de la fusión al fluir a través de la abertura del dado, el cual

puede conducir el defecto llamado piel de tiburón. 23

Figura 17 Formación del tallo de bambú. 24

Figura 18 Esquema de una extrusora de un tornillo. 25

Figura 19 Flujo del material en una tolva de alimentación. 27

Figura 20 Corte transversal de la extrusora en la zona de transición 28

Figura 21 Ancho del pozo de fundido a lo largo de la zona de transición. 29

Figura 22 Relación entre la longitud de fusión y la temperatura del cilindro para una velocidad

del tornillo constante. 30

Figura 23 Efecto del ángulo de hélice y del número de filetes sobre la longitud de fusión. 31

Figura 24 Perfil de velocidades originado por el flujo de arrastre. 32

Figura 25 Perfil de velocidades debido al flujo de presión. 33

Figura 26 Perfil de velocidades debido al flujo total 33

Figura 27 Canal del tornillo en descarga abierta. 34

Figura 28 Limitación del flujo en la boquilla. 35

Figura 29 Canal con flujo transversal. 35

Figura 30 Flujo de recirculación en el canal del tornillo. 35

Figura 31 Extrusora con sección de desgasificación. 37

Figura 32 Hinchamiento debido a la relajación de un material de sección cuadrada. 38

Figura 33 Contracción debida al enfriamiento de un material de sección cuadrada. 38

Figura 34 Dimensiones del laboratorio a escala. (CIIEMAD). 42

Figura 35 Ponderación de criterios en base a problemática. 44

Figura 36 Ponderación de criterios en base a propiedades del PET. 45

Figura 37 Ponderación de criterios en base a soluciones del diseño de la máquina extrusora. 46

Figura 38 Proceso de extrusión. 48

Figura 39 Husillo para extrusión, punta plana. 49

Figura 40 Relación L/D, husillo de extrusión. 50

Figura 41 Husillo con aleación y te2rminado. 50

Figura 42 Pendiente de la sección de transición. 51

Figura 43 Diseño del Tornillo. 51

viii

Figura 44 Ejemplo de Barril. 53

Figura 45 Cabezal del extrusor 53

Figura 46 Plato Rompedora, ¨Breaker Plate¨ 54

Figura 47 Mallas, ¨Screen-Pack¨ 55

Figura 48 Plato rompedor con mallas. 55

Figura 49 Dado de forma tronco-cónico. 56

Figura 50 Cilindro ranurado. 57

Figura 51 Rodillos guía. 58

Figura 52 Vistas de Tolvas. 59

Figura 53 Gorro chino. 59

Figura 54 Rodamientos cilíndricos. 60

Figura 55 Rodamientos cónico. 60

Figura 56 Camisa. 61

Figura 57 Engranaje de Motoreductor, (Catalogo RAISA). 62

Figura 58 Partes de Motoreductor, (Catalogo RAISA). 63

Figura 59 Motor Eléctrico 64

Figura 60 Flujo en una resistencia 65

Figura 61 Resistencias tipo abrazadera 65

Figura 62 Resistencias eléctricas, (Fotografía propia). 66

Figura 63 Termopares 67

Figura 64 Pirómetros 68

Figura 65 PLC 69

Figura 66. Sección de un cilindro con husillo de un canal. Vista general. 78

Figura 67. Zonas del husillo. 80

Figura 68. Intervalos de velocidad de cortadura 82

Figura 69. Intervalos de viscosidad efectiva con respecto a temperatura y velocidad de cortadura. 83

Figura 70. Diagrama de velocidad de flujo. 84

Figura 71. Triángulo rectángulo para hallar la longitud del filete. 100

Figura 72. Sección rectangular del filete 101

Figura 73. Sección del filete en la zona cónica. 102

Figura 74. Diagrama de fuerzas de un husillo. 105

Figura 75. Diseño de Muñón. 115

Figura 76. Medida nominal de la chaveta en mm. 121

Figura 77. Calculo de cañón (espesor).MdSolids. 123

Figura 78. Tolva, (Diseño propio). 126

Figura 79. Motorreductor, Modelo SK 1SM 63 – 90S/4. (Catalogo NORD). 129

Figura 80. Coples (Catalogo Tsubaki). 126

Figura 81. Áreas abiertas. (Catalogo en línea SFR Tooling). 132

Figura 82. Malla seleccionada (Catalogo en línea AMBICA). 133

Figura 83. Tipos de Brida, (Manual Tulsa Oklahoma). 134

Figura 84. Brida Socket Weld, (Manual Valtech). 135

Figura 85. Resistencias elegidas, (Empresa K-LOR ). 136

Figura 86. Ventilador, (Catalogo Soler-Palau). 140

Figura 87. Rodillos, (Catalogo Rulmeca) 142

Figura 88. Acoplamiento, (Catalogo Rulmeca) 142

Figura 89. Dimensiones de rodillos, (Catalogo Rulmeca) 143

ix

Figura 90. Tambor guiador, (Foto propia) 143

Figura 91. Motor de tambor guiador, (Manual ABB Rulmeca) 144

Figura 92. Rodillo perforado, (Manual ABB Rulmeca) 145

Figura 93. Control de lazo cerrado con partes críticas del control. 146

Figura 94. Gráfica de la dinámica del termopar. 147

Figura 95. Gráfica de la dinámica de las resistencias. 147

Figura 96. Controlador de Temperatura TLK9, con pirómetro. 148

Figura 97. Control de lazo cerrado con la parte adquirida del controlador TLK9. 148

Figura 98. Control de lazo abierto para swichage de ventiladores. 149

Figura 99. PLC Omron 10 puntos. 149

Figura 100. Termopar tipo J seleccionado. 150

x

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1 Tabla de Propiedades Eléctricas. 11

Tabla 2 Tabla de Propiedades Físicas. 11

Tabla 3 Tabla de Propiedades Mecánicas. 12

Tabla 4 Tabla de Propiedades Térmicas. 12

Tabla 5 Tabla de Propiedades Químicas. 13

Tabla 6 Valores de Viscosidad Intrínseca típicos para diferentes aplicaciones. 15

Tabla 7 Tabla explicativa del procedimiento de extrusión. 26

Tabla 8 Estudio FORD 39

Tabla 9 Problemáticas y su clasificación 42

Tabla 10 Tamaño de extrusora por el diámetro del husillo 47

Tabla 11 Descripción del proceso de extrusión 48

Tabla 12 Espacios típicos entre el tornillo y el barril en función del tamaño del tornillo 52

Tabla 13 Revoluciones y Potencias requeridas para el diseño de la máquina extrusora. 115

Tabla 14. Especificaciones Estándar de Patrón de Agujeros(Catalogo en línea SFR Tooling). 132

Tabla 15. Especificaciones estándares de Malla para Extrusora Agujeros (Catalogo en línea

AMBICA). 133

Tabla 16. Tabla de selección de tipo de termopar. 150

ÍNDICE DE GRÁFICAS

Gráfica 1. Gráfica de Variación de Caudal de la Máquina Extrusora con respecto a las rpm del husillo.

90

Grafica 2. Gráfica de Variación de la Potencia Requerida del husillo en HP. 93

Grafica 3. Gráfica de Variación de la Presión máxima en la extrusora. 95

Grafica 4. Gráfica de Variación de la Presión de operación en la extrusora. 97

Grafica 5. Gráfica de Variación de la Fuerza axial en el husillo. 109

Grafica 6. Gráfica de Variación de la Tensión normal del husillo. 112

Grafica 7. Gráfica de Variación en la Solidez del husillo. 114

xi

Resumen.

– La forma más común de fundir el PET1, es por medio de máquinas extrusoras enormes que generan metros y metros de hilos de este material, que son usados para la creación de diferentes utensilios, la mayor parte de uso doméstico. Hoy en día el uso de extrusoras industriales ha incrementado, por la eficiencia de reutilizar PET

1, pero también ha crecido

en las pequeñas empresas que generan menores volúmenes de material extruido, lo que ha generado en la construcción de máquinas extrusoras de menor tamaño de lo comercial, las llamadas extrusoras de laboratorio, las cuales también son de uso didáctico. Muchas de las máquinas extrusoras de laboratorio, no solo son usadas para el reciclaje y uso de los hilos de PET1, sino también en obtención de muestras para la realización de pruebas en combinación con diferentes materiales en centros de investigación para la obtención de nuevos materiales. Muchas de las empresas más importantes en esta índole se encuentran en Italia, Estados Unidos, Taiwán; en México existen algunas empresas que también diseñan y construyen las extrusoras de laboratorio. Haciendo una pequeña investigación encontramos que el costo de una máquina extrusora en el mercado mandada a hacer con las especificaciones requeridas es muy alto, para su adquisición en un laboratorio de investigación por lo tanto no es costeable. El presente trabajo pretende diseñar una máquina extrusora de nivel laboratorio con lo que que a largo plazo se logre construir dicha máquina a un menor costo. El propósito de la maquina fundidora de plástico es ser capaz de suministrar la materia prima requerida por el usuario el cual debe de tener un sistema apropiado para que el producto se encuentre en buen estado y no pierda sus propiedades y especificaciones indicadas.

1Poli Etilén Tereftalato ó Tereftalato de polietileno

Título

Proyecto de máquina extrusora, para creación de hilos de Poli Etilén Tereftalato.

Objetivo General Diseñar una máquina extrusora generadora de hilos de PET1, para su implementación dentro de un laboratorio de investigación en el CIIEMAD2, del IPN3.

Objetivo Específicos Se diseñara una máquina extrusora para el cumplimiento de las dimensiones requeridas para de un laboratorio de investigación, dentro del CIIEMAD2 del IPN3, cumpliendo con las especificaciones de la extrusión que se requiere para el desarrollo de un nuevo material.

Objetivos Particulares

Diseño mecánico, eléctrico, electrónico y de control, para el funcionamiento de la máquina.

Seleccionar o diseñar el husillo de acuerdo a las necesidades del tipo de sistema de

extrusión que se llevará a cabo

Diseñar la parte mecánica del sistema extrusor.

Seleccionar el sistema de enfriamiento y control de temperatura.

Diseñar la etapa de control y potencia para el sistema.

Diseñar un control proporcional integral o proporcional derivativo con el fin de

mantener una temperatura constante en el proceso de fundido.

Ofrecer un sistema muy versátil capas de adecuarse a las necesidades del

cliente.

Productos esperados 1. Memoria de cálculo en la parte mecánica y eléctrica. 2. Código de programación de la parte electrónica. 3. Planos 2D 4. Modelo en 3D. 5. Realización del trabajo escrito.

Justificación

La incorporación del plástico a la vida cotidiana crea un fenómeno nuevo: la presencia indefinida, siempre creciente, de basura. La mezcla de plásticos y desechos orgánicos es un derroche que grava al planeta de un modo tal que cada vez más científicos y otras personalidades consideran suicida. El plástico no es biodegradable y tampoco desaparece fácilmente por erosión; es así que el reciclaje se ha convertido en pilar del proceso de creación de nuevos materiales. La investigación sobre la generación de nuevos materiales contiene muchas etapas, una de ellas es el desarrollo de pruebas con diferentes materiales en combinación con PET1, para ello es necesario transformar este material, evitando la compra del mismo para dichas pruebas. Encaminados a resolver ésta problemática, que genera altos costos a largo plazo, se solucionará realizando el diseño de una máquina extrusora con las dimensiones requeridas para su implementación en un laboratorio, con la que se obtendrá el material deseado. De este modo se tendrá el diseño de la parte mecánica, para su próxima construcción, al igual que el diseño de la parte electrónica, eléctrica y del control para su funcionamiento; así se tendrá la información más importante para implementar la máquina en el laboratorio de investigación, y en su momento generar el material deseado. Normalmente las extrusoras usadas en la industria son utilizadas para generar hilos de PET1, de alrededor de 25 metros de largo lo hace que el diseño de máquinas extrusoras sea de dimensiones industriales, la falta de espacio en los centros de investigación, hace por si solo innovador el desarrollo de una máquina extrusora que genere hilos de PET1, de menor tamaño, logrando su manipulación para pruebas de laboratorio.

Agradecimientos

A mis padres: Con todo mi cariño y mi amor para las personas que hicieron todo en la vida para que yo pudiera lograr mis sueños, por motivarme y darme la mano cuando sentía que el camino se terminaba, a ustedes por siempre mi corazón y mi agradecimiento. También agradezco a esas personas importantes de mi vida, que siempre estuvieron listas para brindarme toda su ayuda, a quienes con su paciencia y comprensión me inspiraron a siempre ser mejor. Ahora me toca regresar un poquito de todo lo inmenso que me han otorgado. A ustedes:

Gabriela López

Ali Suárez

Isa Suárez

Sofía Romero

Laura Álvarez

Jaime Kushelevich Gracias.

ESTADO DEL ARTE

Introducción al capítulo.

En este capítulo se presenta una breve

reseña histórica sobre los plásticos

reciclados de (PET).

En este capítulo se presenta una breve

reseña histórica sobre las extrusoras con

diversas imágenes.

Capítulo

I

2

I Estado del Arte 1.1 Contexto Histórico La recapitulación de circunstancias que acompañan a los sucesos trascendentales e históricos, deben ser tomados en cuenta, ya que permitirá en el futuro que el lector los vea con la perspectiva adecuada, y logre emitir un juicio amplio y verídico. 1.1.1 Historia del plástico

“Los materiales plásticos tienen más un siglo de existencia, aunque las investigaciones que permitieron su producción datan de mucho tiempo atrás.

Al igual que en otros procesos productivos, los plásticos reconocen dos momentos diferenciados: la elaboración de productos plásticos a partir de fibras existentes en la naturaleza y la elaboración de productos sintéticos propiamente dichos, es decir no existentes en la naturaleza.

En 1000 a. C., los olmecas encontraron diferentes aplicaciones del hule, que se extraía de árboles, se utilizaba para impermeabilizar telas y canoas; también se empleaban como adhesivo, para preservar objetos, en emplastos para curaciones, como combustible para antorchas, y en la elaboración de pelotas. Los aztecas lo conocían como ulli, que significa movimiento. Los conquistadores de este pueblo, los españoles, lo llevaron a Europa, en donde no pasó de ser visto como mera curiosidad; y no fue sino hasta que llega a los ingleses cuando se dio un uso práctico.

En 1839, Charles Goodyear, de Estados Unidos, Macintosh y Hancock, de Inglaterra, obtuvieron la vulcanización de hule. En 1859, el inglés Joule demostró los principios termodinámicos de la elasticidad del hule.

En 1907, Leo H.Baekerland perfeccionó el proceso de producción de la resina de fenol-formaldehído, desarrollada años antes por Adolf von Baeyer (Premio Nobel de Química en 1905), y creó la baquelita, el primer plástico clasificado como termofijo o termosestable. El ruso I. Ostromislenksky patentó la polimerización del cloruro de vinilo para obtener PVC; ya en 1913 Fritz Klatte descubrió el acetato de polivinilo.

En la Primera Guerra Mundial (1914-1918), se intensificó el uso del celuloide y sus derivados, como el acetato de celulosa, que permitió aplicaciones a los vehículos aéreos militares del momento (dirigibles y la incipiente aviación). (Méndez, 2010, p.35-39).

3

1.1.2 El apogeo del plástico

No será sino en la década de los 30, con la creación del nylon que la historia de los plásticos toma otro vuelo. El nylon es un producto sintético en toda su extensión, ya que no proviene de otros cuerpos hallados en la naturaleza sino que está constituido por elementos creados sintéticamente: las amidas.

La lista aumenta con el acrílico y el polivinilcloruro [PVC]. La década de los 40, se abre con el poliéster y el plástico de mayor uso en la actualidad, el polietileno.

Desde el punto de vista de una historia del material plástico, se podría decir que el período que se abre hacia 1930 y va hasta mediados de los 40 constituye "el apogeo del plástico". Es en ese período precisamente donde surge la mayor cantidad de materiales plásticos que se conocen hoy en día.

En 1940 Du Pont presenta el poliacrilonitrilo (PAN), y Whitfield y Dickson sintetizan el poli etilen tereftalato (PET). En 1941 el químico Roy J.Plunkett, descubrió por accidente el poli tetrafluoro etileno (teflón).

En su proceso de elaboración todos los plásticos cuentan con un momento de calentamiento de la materia prima (generalmente a cientos de grados Celsius), a partir del cual los cuerpos, presionados, toman su forma y consistencia. Una vez pasado ese momento y comenzado el enfriamiento, los plásticos se dividen en dos grandes grupos: el de los termoestables y el de los termoplásticos. Los primeros, también llamados termo rígidos, son los que fraguan y todo otro proceso de calentamiento solamente los arruina o destruye; los segundos se caracterizan porque todo nuevo calentamiento los retorna a un estado de plasticidad tal que se los puede reconstruir. En estos últimos, es decisiva la presencia de plastificantes (derivados de un ácido del petróleo), sustancia que se ablandan con suma facilidad.

La clave para la elaboración de materiales plásticos es la polimerización, un proceso mediante el cual se unen moléculas estableciendo larguísimas cadenas intermoleculares que son las que resultan especialmente sensibles al calor para su configuración como objetos diversos (de allí los nombres, como poli-amida, poli-estireno, etcétera).

El proceso más común para la fabricación de productos con el material polimerizado es el de extrusión, que consiste en la inyección de material plástico en estado pastoso, casi líquido, obteniendo hilos del material extruido y usados dentro de moldes que luego se enfrían y retiran y dejan así constituido el objeto. (Méndez, 2010, p. 39 – 42).

1.1.3 La expansión del plástico

A partir del fin de la Segunda Guerra Mundial (1939 - 1945) se produce una expansión formidable de la industria de los plásticos. En el Reino Unido, entre 1950 y 1961 se cuadruplica la producción pasando de 150 mil toneladas anuales a 600 mil de materiales plásticos.

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En los ochenta se dieron los polímeros biodegradables a partir de vegetales y frutos; en la Universidad de Michigan se desarrolló el poli hidroxibutirato (PHB). Por su parte, en el IPN3 de México se obtiene látex del fruto de la papaya.

El volumen de la producción mundial anual de plásticos en los 90 se equiparo al de la producción mundial total de metales.

En 2000, Shirakawa, Heeger y MacDiarmid recibieron el premio Nobel de Química por el descubrimiento y el desarrollo de polímeros conductores. (Brown, 2000, p.30; Méndez, 2010, p.43 - 46).

1.1.4 Historia de la extrusión

“La extrusión se ha empleado industrialmente durante los últimos 50 años. Inicialmente el uso de la extrusión se limitaba a mezclar y dar forma a macarrones y cereal granulado.

En la actualidad, un extrusor se considera un birreactor de alta temperatura y corto tiempo de residencia que transforma una amplia variedad de materias primas en intermedios modificados o productos finales.

Esta nueva percepción y la evolución creciente de la tecnología se debe a:

• Alta capacidad de procesado y eficiencia energética.

• Procesado de materiales relativamente deshidratados y viscosos.

Los procesos de extrusión y los equipos de extrusionado fueron desarrollados simultáneamente en varias industrias y países durante los dos últimos siglos, figura 1

• En 1779 ya se empleaba un sistema manual para el procesado de pasta.

Figura 1 Máquina manual para hacer pasta.

5

• En 1860-1863 aparecen las primeras producciones industriales de cereales en Estados Unidos, figura 2.

Figura 2 Máquina productora de cereales.

(http://www.proyectosalonhogar.com/Enciclopedia_Ilustrada/Edad_Moderna/Revolucion_Industrial.htm)

• En 1869 Fellows y Baste, en Inglaterra desarrollaron el primer extrusor continúo de doble husillo conocido. Este equipo se usó inicialmente para la elaboración de productos del tipo salchicha, figura 3.

Figura 3 Máquina extrusora antigua de doble husillo.

(http://ceramicdictionary.com/es/e/2582/extrusora-b-el%C3%A8ctrica-amasadora)

• En 1894 Will Keith Kellog inventa los primeros “corn flakes” que empezarán a comercializarse de forma generalizada a partir de 1906.

• En 1900-1902 primera prensa-extrusora en continuo para obtención de aceite de linaza.

6

• En 1930 se desarrolló el primer extrusor de husillo único para la producción continúa de pasta.

• En 1939 los primeros rizos de maíz fueron extrusionados.

• A lo largo de 1940 se desarrollaron y refinaron diferentes extrusores de único husillo para la obtención de aceite a partir de semillas oleaginosas, sustituyendo muchas de las menos eficientes prensas hidráulicas obtenidas para este propósito.

• En 1950, la primera máquina de extrusionado de comida para animales fue puesta en marcha por Ralston Purina.

• Entre 1950 y 1960 se desarrollan las primeras instalaciones de comida extrusionada para animales, basada en producto de base almidón gelatinizado.

• En 1951 Anderson Company desarrolla un sistema de pre-prensado de semillas oleaginosas de alto contenido en aceite y diferentes extrusoras de husillo simple, figura 4.

Figura 4 Máquina extrusora husillo simple. (http://www.exapro.com/product/2010/05/PE99982/3aa589d0961fbb55423a7fa4262fd04a/anderson-cooking-

extruder-pe99982_2.jpg)

• Entre 1960 y 1970 aparecen los primeros sistemas de cocción y conformado en continuo para la obtención de cereales RTE, pet foods de humedad intermedia, cereales basados en almidón pre-gelatinizado y TPP (texturized plant proteins).

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• En 1970 nuevas generaciones de extrusores de simple y doble husillo, figura 5.

Figura 5 Máquina extrusora de nueva generación.

(http://www.directindustry.es/prod/erema-engineering-recycling-maschinen-und-anlagen-gmbh/extrusoras-de-un-husillo-para-reciclado-de-materias-plasticas-75802-759199.html)

• A partir de los 80 se interesan las empresas de USA en extrusores de doble husillo, figura 6.

Figura 6 Máquina extrusora de doble husillo.

(http://www.esacademic.com/dic.nsf/eswiki/469114)

• A partir de la década de los ochenta, se da la proliferación del uso de los extrusores. Estudios relacionados con los biopolímeros, nutracéuticos. El extrusor bioreactor en continuo.

ANÁLISIS DEL SISTEMA

Introducción al capítulo.

Se presenta una explicación concisa de la composición del (PET) y

sus características eléctricas, físicas, mecánicas, térmicas y

químicas.

Se presentan algunos procesos de extrusión de plásticos

reciclados y se da una explicación detallada del proceso de

extrusión.

Se hace mención del contexto normativo del trabajo.

Se expresan las ideas de diseño de la máquina extrusora.

La explicación detallada de la parte del sistema que se desea

diseñar.

Se enuncian aspectos importantes dentro del diseño de los

componentes de la máquina.

Capítulo

II

9

II Análisis del Sistema

2.1 Contexto Tecnológico 2.1.1 Marco Teórico del PET El PET se sintetiza en dos etapas. En una primera etapa de esterificación se prepara el monómero bis-(2-hidroxietil)-Tereftalato o di glicol Tereftalato, haciendo reaccionar el ácido tereftálico con etilenglicol bajo unas condiciones de temperatura y presión determinadas. A continuación hay una segunda reacción de poli condensación del monómero bajo elevada temperatura y reducida presión.

Figura 7 Esterificación del PET

(http://www.laseda.es/data/publicaciones/2008/pet_dossier.pdf) Al final de esta reacción se obtiene un polímero que tiene una viscosidad intrínseca de 0,65 dL/g (decilitros entre gramos). Aproximadamente este valor corresponde a 100 unidades repetidas de la molécula. Para asegurar que el equilibrio de la reacción se desplaza hacia la formación del polímero, en esta reacción de poli condensación debe eliminarse de la fase fundida el glicol que se ha generado lo más rápidamente posible.

Figura 8 Policondensación del PET

(http://www.laseda.es/data/publicaciones/2008/pet_dossier.pdf)

10

Para acelerar dicho proceso se adiciona un catalizador base antimonio, germanio o titanio, mientras que para mejorar la estabilidad térmica de la fase fundida se emplean compuestos de fósforo. Paralelamente a la reacción de poli condensación debe evitarse que la molécula de PET pueda descomponerse provocando la rotura de cadenas que generan acetaldehído gaseoso y grupos carboxílicos –COOH.

Figura 9 Reacción Química de polietilentereftalato (GARRITZ A. y Chamizo J.A. “Tú y la Química”, México

2001) El uso más común del polietilentereftalato es la fabricación de fibras textiles y de películas transparentes, empleadas en cintas de grabadora y para empacar alimentos congelados. Es altamente probable que este mismo momento vistas ropa hecha con multitud de las macromoléculas de un poliéster. (GARRITZ A. y Chamizo J.A., 2001, pág. 486-487). 2.1.1.1 Características Particulares Algunas características particulares del PET y algunos de sus usos, son mencionadas en (Morales Méndez, Eduardo J. “Introducción a la ciencia y la tecnología de los plásticos” Ed. Trillas, México 2010, pág. 130) y son las siguientes: Características particulares:

Excelentes propiedad mecánicas

Baja absorción al agua

Buena estabilidad dimensional

Coeficiente de dilatación lineal muy bajo

Óptima resistencia al desgaste

Superficie de las piezas moldeadas muy brillante

Buena resistencia química y térmica

Buenas propiedades antifricción

Algunos usos:

Fabricación de fibras textiles

Envases de alimentos

Aislamientos electricos

Engranes

Casquillos

Piezas de bobinas

Interruptores

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2.1.1.2 Propiedades físicas, mecánicas, térmicas y químicas del PET

El PET, es resistente a las caídas, no se deforma con el contenido y absorbe poca agua (sin embargo, habrá que decir que la cantidad de humedad que absorba afecta sensiblemente propiedades como la viscosidad intrínseca). Tiene buenas propiedades de protección y de resistencia química, excepto a los álcalis (lo hidrolizan). Su cristalinidad varía de amorfo a muy cristalino dependiendo de la temperatura de fundición; puede ser muy transparente e incoloro, aunque algunas secciones gruesas, suelen ser opacadas y blanquecinas. Su principal aplicación es en botellas para bebidas y recipientes para alimentos además, de componentes eléctricos mejor conocido como película orientada biaxialmente y estabilizada térmicamente que se utiliza para capacitores, cintas musicales y de video. Las propiedades del PET se modifican por la presencia de contaminantes en los artículos a reciclar, estos son: etiquetas de PEAD que por no ser compatible con el poliéster origina que el PET presente con cierto grado de turbiedad, adhesivos que en presencia de calor degradan al material, disminuyendo su viscosidad y el acetaldehído, que debido a su volatilidad, fácilmente se desprende del PET propiciando la degradación durante el pelletizado, (M. en T.A. Manuel Galileo Santos Caballero, Tesis Obtención de Laminada de PET Reciclado). 2.1.1.2.1 Propiedades del Plásticos PET Virgen El PET virgen tiene propiedades que determinan sus posibles aplicaciones fundamentalmente como película y fibra picada. A continuación se enuncian algunas propiedades de este material: 2.1.1.2.2 Propiedades Eléctricas Sin pretender establecer el manual de propiedades eléctricas, con la idea de cuantificar la facilidad o dificultad con la que las cargas eléctricas tengan movilidad en este material, en la tabla siguiente, se muestran diversas propiedades de PET. Así, la constante dieléctrica refleja de manera particular, la capacidad del material a ser aislante o poco conductor, esta misma se asocia con la capacidad del material a polarizarse, lo que se traduce en la propiedad del PET ha permitido el paso de luz, hecho sustancial en la aplicación como recipiente para contener sustancias foto sensitivas. El factor de disipación como su nombre lo indica, es su capacidad de poder eliminar cargas eléctricas que pudiesen alterar sus comportamientos. La resistividad superficial es el grado de oposición que tienen los materiales al flujo de electrones, y por ende la resistividad volumétrica, está referida a esta oposición desde un punto de vista volumen. En términos generales las propiedades que se ilustran en la tabla, permiten definir el comportamiento de este material, tabla 1.

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Tabla 1 Tabla de Propiedades Eléctricas. (M. en T.A. Manuel Galileo Santos Caballero, Tesis Obtención de Laminada de PET Reciclado).

2.1.1.2.3 Propiedades Físicas Son aquellas magnitudes que pueden medirse o cuantificarse pudiendo mencionar: masa, peso, densidad volumen, carga eléctrica, intensidad de corriente, intensidad luminosa, calor, etc. En el caso específico del PET, se muestra el tipo de propiedades que permiten al material ser empleado para contener sustancias, tanto liquidas como sólidas, tabla 2.

Tabla 2 Tabla de Propiedades Físicas. (M. en T.A. Manuel Galileo Santos Caballero, Tesis Obtención de Laminada de PET Reciclado).

De las anteriores propiedades merecen especial atención el índice refractivo y la resistencia a los rayos ultravioleta. El primero mide la cantidad de los que puede ser reflejada, pero al mismo tiempo, la cantidad de luz que lo puede atravesar, que asociada con las propiedades anteriores, permitirá su uso para almacenar sustancias foto sensitivas.

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2.1.1.2.4 Propiedades Mecánicas Son aquellas que se determinan mediante diferentes tipos de ensayos, además, el PET es sometido a fuerzas de distinta naturaleza para conocer el efecto de las mismas sobre el material. Por ejemplo, ensayo de tracción1, compresión, impacto, dureza etc. Nuevamente, la tabla 3, muestra solo algunas de las propiedades que se consideran para efectos de uso. Se hace especial referencia de estas propiedades pues como se verá más adelante, servirán para determinar la aplicación del PET en algo distinto a recipientes para contener alimentos. Todos los parámetros enunciados permiten tipificar a este tipo de plástico, por ejemplo, los valores del módulo de Poisson muestran en general la relación entre una deformación longitudinal y transversal, y posteriormente, visualizar el desplazamiento entre planos, hecho fundamental en una posible aplicación del plástico en estudio.

Tabla 3 Tabla de Propiedades Mecánicas. (M. en T.A. Manuel Galileo Santos Caballero, Tesis Obtención de Laminada de PET Reciclado).

2.1.1.2.5 Propiedades Térmicas Se sabe que los materiales cambian sus propiedades con la temperatura. En la mayoría de los casos las propiedades mecánicas y físicas dependen de la temperatura a la cual se emplea el material o se somete durante su procesamiento. La siguiente tabla muestra algunas de las propiedades térmicas del PET. Estas propiedades limitan los usos del plástico, pues como puede observarse no se deberán exceder estos valores pues, de ocurrir, simplemente no podrán ser empleados, tabla 4.

Tabla 4 Tabla de Propiedades Térmicas. (M. en T.A. Manuel Galileo Santos Caballero, Tesis Obtención de Laminada de PET Reciclado).

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2.1.1.2.6 Propiedades Químicas

El efecto de agentes químicos sobre los materiales hace que este cambie sus propiedades, por ello, es que se solicita que posean buena resistencia a productos químicos que lo pudiesen modificar. En la tabla 5 se hace referencia de la resistencia a diferentes sustancias a las que puede ser sujeto de manera accidental o no, y se especifica su capacidad de resistir al efecto de estos sobre el PET.

Tabla 5 Tabla de Propiedades Químicas. (M. en T.A. Manuel Galileo Santos Caballero, Tesis Obtención de Laminada de PET Reciclado).

2.1.1.3 Tipos de Plásticos PET En general esté plástico, dependiendo de las proporciones de los elementos que lo constituyen, da lugar a cuatro diferentes usos, así se tienen los siguientes: Son cuatro los principales tipos de PET:

Poli Etilén Tereftalato amorfo (APET): por su estado amorfo, se emplea

principalmente en la fabricación de botellas para bebidas, embalajes y fibras.

Poli Etilén Tereftalato reciclado (RPET): por la pérdida de propiedades, se emplea

principalmente en la fabricación de escobas y tarimas.

Poli Etilén Tereftalato glicol (PETG): por su apariencia opaca y blanquecida, se

emplea principalmente en la fabricación de blisters para medicinas.

Poli Etilén Tereftalato cristalino (CPET): por su estado cristalino se emplea en la

fabricación de recipientes para microondas.

De manera particular, es difícil distinguir el PET y el APET, la diferencia que existe entre ellos, radica en el estado que se representan, el APET, se encuentra en estado amorfo y el PET es recristalizado por efecto de la temperatura de fundición.

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El PET se clasifica en tres tipos: postindustrial, pos consumo y perdido, y son usados generalmente en los procesos industriales de fabricación y transformación de embalajes, botellas para bebidas y fibras textiles.

PET postindustrial, denominado “recuperado” (constituido por desechos propios de

la transformación)

PET pos consumo. Cuyo principal constituyente son las botellas para bebidas.

PET “perdido”. Del cual no hay evidencia de su procedencia y constituido

principalmente por los dos tipos anteriores.

La principal fuente en el reciclado es el PET pos consumo, está integrado por botellas para bebidas, clasificadas por color, y agrupadas en pacas para su posterior reprocesamiento. Una vez que el PET es reprocesado, se denomina RPET. La “R” indica que el material ha sido “reciclado”. Generalmente el RPET puede obtenerse en pellets no cristalizados y pellets cristalizados (M. en T.A. Manuel Galileo Santos Caballero, Tesis Obtención de Laminada de PET Reciclado). 2.1.1.4 Propiedades del Plástico PET Reciclado (RPET) Además de las tablas de propiedades mencionadas en las tablas anteriores, se cuenta con información adicional, específicamente para que el RPET sea empleado. Como referencia, las propiedades del PET se ven afectadas, como se ha mencionado en repetidas ocasiones, por cada ciclo de reciclado al que es sometido, por lo que se le agregan aditivos para restituir sus propiedades mecánica y alteraciones como, claridad y ductilidad, debido a la disminución de viscosidad intrínseca, y el cambio en su estructura de amorfa a cristalina por efecto de la temperatura. A continuación se muestran algunas características, que definen las posibles aplicaciones de este material, de acuerdo con las propiedades del mismo después de ser reciclado. En el caso particular de esta investigación, la aplicación del PET reciclado es otra, en láminas o placas, para usos distintos que en productos de grado alimenticio, pues se pretende una utilidad en la industria de la construcción como mamparas o separadores, pues no se exige la higiene requerida, salvo la inflamabilidad, que sin duda es un reto bastante fácil.

16

2.1.1.5 Peso molecular y viscosidad del PET El Peso molecular promedio de las diferentes presentaciones del PET oscila entre 15000 (grado de viscosidad bajo) y 30000 (grado de viscosidad alto). El peso molecular del PET es normalmente especificado en términos de un parámetro de viscosidad para la solución, por ejemplo, Viscosidad Intrínseca (V.I.). Algunos valores típicos de la V.I. para los diferentes aplicaciones del PET son mostrados en la siguiente tabla: (Fakyrov, 2002)

Tabla 6 Valores de Viscosidad Intrínseca típicos para diferentes aplicaciones.

(http://bdigital.eafit.edu.co/PROYECTO/P668.42CDR173/capitulo5.pdf)

2.1.1.6 Retención de Viscosidad Intrínseca La Viscosidad Intrínseca (V.I.) es una medida indirecta del peso molecular, o sea, del tamaño promedio de moléculas que definen al polímero. La Viscosidad Intrínseca de uso general es de 0.8 ± 0.02 que corresponde aproximadamente a 125 unidades repetidas por molécula y un peso aproximado de 24,000 g/mol. Cualquier disminución en la viscosidad del polímero en su paso de granulado a preforma, significará una reducción del peso molecular. Bajo condiciones controladas de secado y moldeo, la pérdida de viscosidad no deberá ser mayor de 0.03. Cualquier pérdida superior a este nivel trae como consecuencia un detrimento en la transparencia de la preforma debido a un incremento en la velocidad de cristalización, acarreando la pérdida de las propiedades mecánicas del envase, particularmente la resistencia al impacto y la carga vertical aplicada sobre la tapa.

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La pérdida de la viscosidad se debe básicamente a una degradación hidrológica ocurrida durante el estado de fusión que es donde el agua a niveles superiores de 40 ppm (partes por millón) tiene una acción destructiva del polímero. Una segunda causa de la caída de V.I. es la degradación térmica durante la fusión del polímero para inyectarlo. De ahí que se debe emplear un perfil de temperaturas de modelo y velocidades de corte lo más suave posible que permitan la obtención de preformas claras, transparentes y libres de distorsión. 2.1.1.7 Generación Mínima de Acetaldehído El acetaldehído (CH3CHO) se genera en pequeñas cantidades durante el proceso de fusión de PET; la cantidad de agua presente no influye en la generación de acetaldehído. El acetaldehído es un líquido volátil incoloro (punto de ebullición 20.8ºC) y que se distingue por su olor a frutas. Precisamente por su olor característico, el acetaldehído ha sido empleado con mucha frecuencia en la industria alimenticia como un saborizante. Debido a la facilidad que tiene el acetaldehído de emigrar desde la pared de la botella y difundirse en el contenido de la misma, la generación de este producto debe ser cuidadosamente controlada durante la inyección de la preforma. El agua mineral así como las bebidas de cola son particularmente sensibles al acetaldehído. El acetaldehído se genera por la degradación térmica de las moléculas de PET mientras se encuentra en estado de fusión.

El efecto de la temperatura y el tiempo de residencia del polímero dentro del cañón, en relación a la generación de acetaldehído se ilustran en la figura 10 y 11.

Figura 10 Efecto del acetaldehído (ppm) vs el tiempo de residencia (hrs).

(http://www.st-1.com.ar, Automatismo Industrial, Información del PET).

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Figura 11 Acetaldehído residual (ppm) vs temperatura (C°).

(Http://www.st-1.com.ar, Automatismo Industrial, Información del PET).

Se puede observar el efecto, de la velocidad del husillo (rpm) y la contrapresión en la generación de acetaldehído en la figura 12.

Figura 12 Efecto de la velocidad del husillo (rpm) vs acetaldehído residual (ppm).

(Http://www.st-1.com.ar, Automatismo Industrial, Información del PET).

2.1.1.8 Transparencia Máxima de la Preforma La transparencia de la preforma está relacionada directamente con el grado de cristalinidad del polímero (el PET es transparente cuando tiene una estructura molecular amorfa y será opaco cuando esté cristalizado). Cuando el PET se encuentra a una temperatura entre los 85°C y los 250°C, las moléculas tienden a alinearse para formar una estructura cristalina, como se observa en la figura 13.

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La velocidad de cristalización es muy lenta en ambos extremos de este rango y es más rápida en el centro, o sea entre 140°C y 180°C. En el punto más alto de la curva de cristalización, alrededor de 175°C, el PET alcanza un grado visible de cristalinidad en menos de un minuto, de tal manera que el polímero debe ser enfriado dentro de la cavidad del molde lo más rápido posible. Debido a que la conductividad térmica del PET es relativamente baja, el contenido de calor en el centro de la pared de la preforma es el principal contribuyente para tener una determinada cristalinidad en la pieza. La tecnología actual del moldeo por inyección está limitada a un espesor máximo de 4 mm aproximadamente.

Figura 13 Comportamiento del PET en las diferentes zonas térmicas. (Http://www.st-1.com.ar, Automatismo Industrial, Información del PET).

La temperatura de la masa durante el moldeo por inyección tiene un efecto significativo en la transparencia de la preforma. Mientras más elevada sea la temperatura se tendrá una mayor cantidad de cristalitos fundidos. Sin embargo, no se puede elevar la temperatura en forma indiscriminada ya que se corre el riesgo de generar una cantidad indeseable de acetaldehído. Algo similar ocurre con la viscosidad intrínseca, ya que entre mayor sea el peso molecular del polímero existe una menor tendencia a la cristalización pero debido a que se requiere una mayor temperatura de fusión se ve incrementada la generación de acetaldehído.

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2.1.1.9 Reometría y Reología

La Reología en el proceso de extrusión aporta datos muy importantes para la comprensión y el diseño de esta tecnología. El estudio de un flujo de polímero por medio de Reología comienza con la reometría capilar, estudiando el flujo de polímero a través de un dado capilar utilizando las mismas consideraciones que se utilizan para el flujo a través de un canal simple.

En este modelo de reometría se considera que el esfuerzo cortante tiene relación directa con la diferencia de presión ΔP que se presenta a lo largo del tubo capilar cuya longitud L y radio R se relacionan con el flujo volumétrico Q y el esfuerzo cortante a la salida del dado del reómetro capilar está dado por la ecuación.

Y la velocidad de corte capilar con la ecuación.

Usualmente se aplica una fuerza F y una velocidad conocidas para empujar el pistón que empuja al polímero fundido, teniendo en cuenta la ecuación.

Para ajustar estas relaciones con los esfuerzos cortantes se utiliza la corrección de Bagley, por medio de la cual se corrigen los efectos de la caída de presión del pistón y a través del total de la longitud del tubo capilar, se toman en cuenta la viscosidad y la caída de presión a la entrada del capilar.

Donde

e = Es el valor obtenido de graficar ΔPPistón contra (L/R), en la intersección de la recta obtenida con el eje de las abscisas. η = Viscosidad, obtenida de la pendiente (derivada) de la gráfica de ΔPPistón contra (L/R).

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Otras correcciones incluyen la corrección de Rabinowitsch para utilizar fluidos no newtonianos, como plásticos, con la cual se obtiene la siguiente ecuación para la velocidad de corte.

Donde n: es el índice de la ley de la potencia

El paso de la reometría capilar es un paso inicial muy importante para conocer las características reológicas del material a utilizar, además se obtienen algunos otros datos importantes como hinchamiento, distorsiones del extruido, pérdida de viscosidad con el tiempo. (Procesamiento de plásticos, Morton. Jones, Limusa 1999, ISBN 968-18-4434-3).

2.1.2 Marco Teórico del Proceso de Extrusión

En este apartado de este capítulo se presenta una definición del proceso de extrusión y los procedimientos que este involucra.

Figura 14 Máquina extrusora de plásticos JYM (http://spanish.plastic-extrusionline.com/supplier-plastic_extruder_machine-19412.html).

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El proceso de extrusión consiste en hacer fluir un material plastificado a través de un dado, con en el cual se le da la forma deseada, para este caso se producirán hilos de PET, que a través de investigaciones posteriores de combinaciones o aleaciones de otros materiales con el PET se podrían obtener a futuro nuevos materiales, que podrán ser usados desde la construcción de aulas hasta recubrimiento de aspas generadoras de energía eólica.

Éste es un proceso de conformación de polímeros que se usa ampliamente con termoplásticos y elastómeros, pero rara vez con termofijos, para producir masivamente artículos como tubos, ductos, láminas, películas, recubrimientos de alambres y cables eléctricos, perfiles estructurales como molduras de ventanas y puertas. Para éste tipo de productos, la extrusión se lleva a cabo con un proceso continuo; el producto que se extruye se corta inmediatamente en las longitudes deseadas. Con la extrusión se realiza el mayor volumen de producción de polímeros, ya que no se usa solamente para la producción de barras, tubos, láminas y películas en materiales termoplásticos, sino también para el mezclado minucioso de todas las clases de plásticos y para la producción de gránulos. Dos son los métodos de extrusión utilizados industrialmente: 2.1.2.1 Moldeo por extrusión en húmedo

La extrusión en húmedo la practican solamente un número reducido de firmas, limitado a los compuestos de nitrocelulosa. La nitrocelulosa humedecida con alcohol se coloca en una mezcladora de acero junto con el disolvente y un plastificante; se pueden añadir color y pigmento, mezclando el conjunto hasta obtener una masa homogénea. El material se cuela, se seca al vacío para recuperar una parte del disolvente y, finalmente se amasa en cilindros diferenciales. El material plástico se muele hasta que adquiera una consistencia semejante a la de jalea para ser moldeado por extrusión hidráulicamente, formando varillas y tubos, o también en una forma más dura que se pueda cortar en tiras para la máquina de extrusión del tipo de tornillo.

2.1.2.2 Moldeo por extrusión en seco, continuo o caliente

Este método utiliza polvos de moldeo termoplástico y máquinas de extrusión relativamente pequeñas, de un modelo usado antes para otros materiales, principalmente el caucho. Muchas de las distintas etapas de éste procedimiento están sujetas a regulación, ésta forma de extrusión no está normalizada.

1.2.2.3 Defectos generados en el proceso de extrusión

Los productos de extrusión pueden sufrir numerosos defectos. Uno de los peores es la fractura de fusión, en la cual los esfuerzos que actúan sobre la fusión inmediatamente antes y durante el flujo, a través del dado, son tan altos que causan rupturas que originan una superficie altamente irregular.

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Como en la figura 15, la fractura de fusión puede ser causada por una aguda reducción en la entrada del dado que causan un flujo turbulento y rompe la fusión. Esto contrasta con el flujo laminar uniforme en el dado gradualmente convergente.

Figura 15.- Fractura de la fusión, causada por flujo turbulento en la fusión a través de una aguda reducción a la entrada del dado.

Un defecto muy común en extrusión es la piel de tiburón, en la cual la superficie de producto se arruga al salir del dado. Conforme la fusión atraviesa la abertura del dado, la fricción con la pared produce un perfil diferencial de velocidades atreves de la sección transversal, lo que se puede observar en la figura 16. Esto ocasiona esfuerzos de tensión en la superficie del material que se estira para igualar el movimiento más rápido de núcleo central. Estos esfuerzos cusan rupturas menores que arrugan la superficie.

Figura 16.- Perfil de velocidades de la fusión al fluir a través de la abertura del dado, el cual puede conducir

el defecto llamado piel de tiburón.

Si el gradiente de velocidad se vuelve más grande, se forman marcas prominentes en la superficie que dan la apariencia de un tallo de bambú, que es el nombre como se conoce a este defecto más severo, figura 17.

Dirección de flujo

de la fusión

Extrusión

Dirección de flujo de

la fusión

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Figura 17.- Formación del tallo de bambú.

2.1.2.4 Tipos de extrusoras Las extrusoras más utilizadas, según la presión necesaria para hacer pasar el plástico fundido a través de la boquilla son: a) Extrusoras de desplazamiento positivo: Extrusoras de pistón Bombas de extrusión (bombas de engranaje) b) Extrusoras de fricción viscosa:

Extrusora de tornillo Extrusora de tambor rotatorio Extrusora de rodillos 2.1.2.4.1 Extrusoras de desplazamiento positivo Son aquellas utilizadas para una extrusión directa o en avance, el material se coloca en una cámara y es impulsado a través de la abertura de una matriz mediante un pistón mecánico o ariete de prensa. 2.1.2.4.2 Extrusoras de pistón Estas máquinas constan de un cilindro que posee elementos de calefacción, la materia prima desciende desde una tolva al interior del cilindro donde el material es plastificado. Éste es obligado a pasar a través de una boquilla, empujándolo con un pistón el cual es accionado por presión hidráulica o mecánica. Las máquinas de un pistón producen piezas de longitud limitada, debido a la discontinuidad del proceso. Para fabricar perfiles continuos se utilizan las extrusoras de varios pistones.

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2.1.2.4.3 Bombas de extrusión Son bombas con algunos pares de engranajes que están acoplados y alojados en una carcasa cuando se impulsa un engrane éste mueve el correlativo. El transporte del plástico se debe solo al empuje de los dientes sobre el material por el lado de la carcasa. El acoplamiento entre dientes aísla el lado de descarga a presión, del lado de succión. El flujo de material es proporcional a la frecuencia de rotación de los discos dentados obteniéndose así un flujo de material esencialmente constante. 2.1.2.4.4 Extrusoras de fricción viscosa En este tipo de extrusoras la fricción calienta al material convirtiéndolo en un fluido viscoso. 2.1.2.4.5 Extrusora de tornillo El polímero se alimenta a través de una tolva, hasta un cañón, en el cual un tornillo helicoidal transporta el polímero hacia el extremo con matriz. A continuación se muestra en la figura 18 el esquema de una extrusora de un tornillo y la respectiva tabla explicativa del procedimiento de extrusión.

Figura 18.- Esquema de una extrusora de un tornillo (Méndez, 2010, pág. 224).

26

2.1.2.4.6 Extrusoras de tambor rotatorio En ésta máquina el material desciende por gravedad e ingresa por el émbolo hasta la cámara, la cual está formada por el tambor rotatorio y por el bastidor fijo o cuerpo estático El bastidor puede calentarse o enfriarse para controlar la temperatura. En la cámara el polímero es arrastrado por el cilindro rotor que lo pone en contacto con las paredes calientes del bastidor y con el material previamente fundido, con lo que se efectúa la plastificación. La homogenización tiene lugar en la pequeña holgura radial entre el marco fijo y el cilindro que gira. El plástico así fundido es separado del cilindro rotatorio mediante una pieza en forma de cuchilla; la fundición, bajo acción de las fuerzas tangenciales se mueve hacia la boquilla y la cruza. 2.1.2.4.7 Extrusora de rodillos Es la utilizada para la denominada “extrusión plana” empleada en la fabricación de láminas y películas, su funcionamiento está basado en la utilización de rodillos.

Tabla 7.- Tabla explicativa del procedimiento de extrusión. (http://www.grin.com/en/)

27

2.1.2.5 Descripción del funcionamiento de una extrusora

A continuación, se describen los mecanismos y funciones que puede realizar una extrusora (transporte de sólidos, fusión, transporte del fundido, mezclado, desgasificado y conformado).

2.1.2.5.1 Transporte de sólidos (zona de alimentación)

El material sólido que se alimenta a una extrusora, se transporta en dos regiones: la tolva de alimentación y la propia extrusora.

2.1.2.5.1.1 Transporte de sólidos en la tolva

El transporte de sólidos en la tolva es, en general, un flujo por gravedad de las partículas; el material se mueve hacia la parte inferior de la tolva por acción de su propio peso. Se puede dar un flujo en masa, en el que no hay regiones estancadas y todo el material se mueve hacia la salida, o bien flujo tipo embudo en el que el material más cercano a las paredes de la tolva queda estancado como se representa en la figura 19. Lógicamente el flujo en masa es preferido sobre el flujo tipo embudo. Algunos materiales que tienen un flujo muy deficiente en estado sólido pueden quedar atascados en la garganta de entrada a la extrusora, dando lugar a un problema denominado formación de puente o arco.

Figura 19. Flujo del material en una tolva de alimentación. (Marcilla, 2008, pág. 50)

Para el transporte de los sólidos, se debe tener en cuenta las características del material y el diseño de la tolva.

Lo importante como resultado es que el suministro del material sea mayor al consumo de la máquina.

Flujo en masa Flujo de embudo Flujo de puente

Material estancado

28

2.1.2.5.1.2 Transporte de sólidos en el cilindro

En cuanto al transporte de sólidos dentro de la extrusora, una vez que el material sólido cae al interior del canal de la extrusora, el mecanismo de transporte deja de estar controlado por la gravedad y se transforma en un transporte inducido por arrastre. Este tipo de flujo tiene lugar debajo de la tolva a lo largo del tornillo en una distancia dependiendo de la capacidad de diseño de la máquina.

2.1.2.5.2 Fusión (zona de transición)

La zona de transporte de sólidos finaliza cuando empieza a formarse una fina película de polímero fundido. La fusión se iniciará como consecuencia del calor conducido desde la superficie del cilindro y del generado por la fricción a lo largo de las superficies del cilindro y del tornillo. En general se genera gran cantidad de calor por fricción, de modo que, en ocasiones, es incluso posible iniciar la fusión sin necesidad de aplicar calor externo.

En primer lugar aparecerá una fina capa de material fundido junto al cilindro, que irá creciendo hasta que su espesor se iguale con la tolerancia radial entre el cilindro y el filete del tornillo, mientras que el resto del material se encontrará formando un lecho sólido. Como consecuencia del movimiento del tornillo se creará un gradiente de velocidad en la película fundida situada entre la capa sólida y la superficie del cilindro. El polímero fundido en la película será barrido por el filete que avanza, separándose así del cilindro. El polímero fundido se reunirá en una zona o pozo situado delante del filete que avanza en la parte posterior del canal. En la figura 20 se muestra un corte transversal de la zona de transición.

Figura 20. Corte transversal de la extrusora en la zona de transición. (Marcilla, 2008, pág. 52)

Cilindro

Filete

Pozo de polímero fundido

Película de polímero fundido

Lecho de sólido

Interface sólido

29

A medida que se va acumulando en el pozo de polímero fundido, el tamaño del pozo aumenta, mientras que el ancho de la capa sólida irá disminuyendo. De esta forma se desarrolla una presión que empuja a la capa sólida y la sitúa en la parte anterior del canal. Por eso, a pesar de que casi toda la fusión ocurre en la superficie del cilindro, la altura de la capa sólida no disminuye, sino que disminuye su anchura, como se puede apreciar en la figura 21. En esta también se indica la longitud de fusión que es la longitud de tornillo desde que comienza la fusión hasta que ésta termina.

Figura 21. Ancho del pozo de fundido a lo largo de la zona de transición. (Marcilla, 2008).

En una extrusora funcionando de forma adecuada la transmisión de calor está muy favorecida, debido a que continuamente se tiene una fina capa de material renovado en contacto con el cilindro. En general se puede despreciar la transmisión de calor entre el pozo fundido y la capa sólida. La existencia de la capa sólida explica también la eliminación del aire atrapado entre las partículas sólidas. A medida que la capa sólida es compactada y comprimida por el pozo de fundido, el aire atrapado entre las partículas escapa hacia el exterior vía la tolva de alimentación.

El calor necesario puede ser suministrado bien por conducción desde la superficie caliente del cilindro, a través de la película fundida o bien por disipación viscosa (cizalla) debido a las fuertes cizallas a que está sometida la delgada película de fundido. La relación entre estas dos cantidades de calor depende de las condiciones de operación y del polímero utilizado. El flujo de calor por disipación viscosa está favorecido al aumentar la velocidad del tornillo. Sin embargo, en este caso la contribución de la transmisión de calor por conducción a la fusión se verá reducida puesto que aumentará el caudal, y por tanto disminuirá el tiempo de residencia del material en la extrusora.

Un aumento de la temperatura del cilindro implicará en principio un aumento del flujo de calor por conducción, y por tanto aumento de la velocidad de fusión, pero por otra parte al aumentar la temperatura disminuirá la viscosidad del material y, por tanto, la generación de calor por disipación viscosa, de modo que algunos polímeros cuya viscosidad es muy sensible a la temperatura podrían ver reducida la velocidad de fusión.

Longitud de fusión

30

Una situación general se muestra en la figura 22, donde se representa la longitud de fusión en función de la temperatura del cilindro para una velocidad del tornillo constante.

De acuerdo a lo anterior la longitud de fusión disminuye (por tanto aumenta la velocidad de fusión) al aumentar la temperatura del cilindro hasta un cierto punto en el que la longitud de fusión aumenta al disminuir la cantidad de calor generado por disipación viscosa.

Figura 22. Relación entre la longitud de fusión y la temperatura del cilindro para una velocidad del tornillo constante. (Marcilla, 2008).

Además de las condiciones de operación, la configuración del tornillo afecta en gran medida a la velocidad de fusión y a la longitud de fusión. El ángulo del filete del tornillo puede tener un efecto considerable sobre la eficiencia de la fusión, como se muestra en la figura 23, donde se observa como la longitud de fusión disminuye al aumentar el ángulo del filete, especialmente para ángulos pequeños.

La eficiencia sería máxima con un ángulo de 90º. Por tanto hay que buscar ángulos que den una buena eficiencia para la fusión y un buen transporte del material. Normalmente se utilizan ángulos entre 20 y 30º. El empleo de tornillos con múltiples filetes también puede mejorar el proceso de fusión. Cuando el filete es múltiple la capa de fundido es más delgada que cuando el filete es simple.

Sin embargo el transporte del material sólido empeora con los tornillos de múltiples filetes (como se vio en el apartado anterior sobre el transporte del sólido), por lo que estos tornillos sólo se emplean en el caso de que la velocidad de fusión sea el proceso controlable.

Temperatura del cilindro

Lo

ng

itu

d d

e fu

sió

n

31

Figura 23. Efecto del ángulo de hélice y del número de filetes sobre la longitud de fusión. (Marcilla, 2008).

La holgura entre el filete del tornillo y el cilindro debe ser lo menor posible para que el proceso de fusión tenga lugar de forma adecuada. En cuanto a la profundidad del canal, como se ha visto, en la mayoría de los tornillos se produce una reducción gradual de su profundidad entre la zona de transporte de sólidos y la de dosificado del fundido, que viene fijada por la relación de compresión. En general la velocidad de fusión aumenta al disminuir la profundidad del canal, puesto que se produce una compresión del pozo de sólido hacia la capa de fundido, mejorando la transmisión de calor y aumentando la cizalla. Sin embargo, si la compresión tiene lugar muy rápidamente el pozo de sólido podría provocar un taponamiento de la extrusora.

2.1.2.5.3 Transporte del fundido (zona de dosificado)

La zona de dosificado se inicia en el punto en que finaliza la fusión, es decir, en el punto en que todas las partículas de polímero se han fundido. De hecho, la profundidad del canal es uniforme en la zona de dosificado, por lo que todo el lecho sólido debe haber desaparecido o en caso contrario el aire se eliminaría con mucha dificultad y podría quedar atrapado en el fundido. La zona de dosificado del fundido actúa como una simple bomba en la que el movimiento del material fundido hacia la salida de la extrusora se produce como resultado del giro del tornillo y de la configuración helicoidal del mismo.

El estudio del movimiento de un material viscoso en el tornillo de una máquina de extrusión se simplifica considerando tres tipos distintos de flujo:

El flujo de arrastre o de fricción, QD, que es debido a la fricción del material con el tornillo y con las paredes del cilindro, es el principal responsable del movimiento del material desde la tolva de alimentación hasta la boquilla.

Lo

ng

itu

d d

e fu

sió

n

Angulo del filete

Filete sencillo

Filete doble

Filete triple

32

El flujo de presión o de retroceso, QP, opuesto al anterior y debido a la diferencia de presión entre la tolva y el cabezal de la máquina, presión esta última que es originada por la restricción que impone la boquilla o el plato rompedor.

El flujo de pérdida o de fugas, Qperdidas, que tiene lugar entre el cilindro y el filete del tornillo y es también opuesto al flujo de arrastre y originado por el gradiente de presión a lo largo del tornillo. La tolerancia radial de ajuste entre el tornillo y las paredes internas del cilindro es generalmente muy pequeña (del orden de 0,1 milímetros) y por tanto, el flujo de pérdidas es mucho más pequeño que los dos mencionados anteriormente.

El flujo total a lo largo del tornillo viene dado por la suma de los tres flujos anteriores:

Qtotal = QD + QP + Qperdida [Kg/hora]

Una representación esquemática de la distribución de velocidades para cada tipo de flujo viene dada por las figuras 24, 25 y 26. El flujo de arrastre tiene lugar debido a que el material fundido en el canal del tornillo se adhiere a las paredes internas del cilindro, que se mueven respecto al tornillo.

Si solamente existiera el flujo de arrastre, el perfil de velocidades sería aproximadamente lineal, y si la superficie en movimiento tuviera una velocidad V, la velocidad media de avance el material en el canal sería V/2.

Figura 24. Perfil de velocidades originado por el flujo de arrastre. (Marcilla, 2008).

El flujo de presión se debe, como ya se ha indicado, al gradiente de presión a lo largo del cilindro. La presión es mayor en el lado de la boquilla, y este gradiente de presión tiende a hacer que el material fluya hacia atrás a lo largo del canal del tornillo oponiéndose pues al flujo de arrastre y suponiendo un retroceso del material en el canal del tornillo. El perfil de velocidades debido a la existencia de un gradiente de presión es parabólico y se representa como en la figura 25.

Dirección de

avance

33

Figura 25 Perfil de velocidades debido al flujo de presión. (Marcilla, 2008).

El flujo de pérdidas es mucho menor que los dos anteriores y no es preciso considerarlo. El flujo total a lo largo del canal del tornillo es el resultado del flujo de avance y del de presión y su perfil de velocidades puede determinarse sumando algebraicamente los dos. Representándose de la siguiente manera:

Figura 26 Perfil de velocidades debido al flujo total. (Marcilla, 2008).

Para facilitar la visualización del movimiento del fluido dentro de la extrusora, se supone que se tiene un canal desenrollado (tornillo) sobre el que se encuentra un plano (cilindro).

El canal permanece quieto, mientras el plano se mueve sobre el canal con una velocidad tangencial Vb, cuyo vector no es paralelo a las paredes del canal, sino que se encuentra girado un ángulo, que coincide con el ángulo de los filetes del tornillo. En consecuencia, en una extrusora trabajando en condiciones normales (esto es con una boquilla que provoca una caída de presión a lo largo de la extrusora) existirá un perfil de velocidades tal como lo mostrado en la figura anterior tanto en la dirección axial del tornillo como en la transversal. Esto es, en ambas direcciones existirá flujo de arrastre y flujo de presión, éste último originado por la boquilla en el caso del flujo en la dirección axial del canal, Z, y por las paredes del filete en el caso del movimiento del material que se dirige hacia ellas, (dirección X). El flujo total será la suma del flujo en las direcciones X y Z.

Dirección de

avance

Dirección de

avance

34

En la siguiente figura se muestra la situación global que se presenta en el canal del tornillo. Se representa la dirección y el movimiento relativo del polímero a varias profundidades y en el centro del canal; en el esquema (a) la extrusora funciona a descarga abierta figura 27, es decir, el flujo no tiene ninguna restricción, pues no existe boquilla, válvulas, plato rompedor ni ningún otro elemento limitativo. En este caso el perfil de velocidades en la dirección Z será lineal, Los vectores componentes de la velocidad del polímero en el punto C, son CE en la dirección axial y CF en la dirección transversal, representando el vector resultante CD la velocidad del polímero en dicho punto C. El material situado en la mitad superior (aproximadamente) del canal fluye hacia la derecha mientras que el material situado en el fondo del canal fluye hacia la izquierda. Excepto el pequeño flujo de material que escapa por encima del filete, todo el material avanza hacia la boquilla.

En el esquema (b) figura 28, el flujo total de extrusión está limitado parcialmente por la presencia de una boquilla, que es la situación normal; en este caso el polímero que se encuentra en la parte superior del canal (punto C) se dirige hacia adelante y hacia la derecha, mientras que el que se encuentra en la parte inferior del canal (punto O) lo hace en dirección opuesta. Por otra parte el material que se encuentra en los punto D y E sólo presenta una componente de velocidad en las direcciones axial y longitudinal, respectivamente.

En el esquema (c) figura 29, la producción de la extrusora está totalmente bloqueada y el flujo de polímero en la dirección axial del canal es análogo al flujo transversal excepto que sus velocidades son mayores; el punto B presenta una velocidad cero en dirección axial (Z) y en dirección transversal (X).

Figura 27. Canal del tornillo en descarga abierta. (Marcilla, 2008, pág., 62).

35

Figura 28. Limitación del flujo en la boquilla. (Marcilla, 2008, pág. 62).

Figura 29. Canal con flujo transversal. (Marcilla, 2008, pág. 62).

En la figura 30 se observa un corte transversal del canal, donde la temperatura en las diferentes zonas del material se representa en diferentes colores.

Figura 30. Flujo de recirculación en el canal del tornillo. (Marcilla, 2008, pág. 63).

36

En la figura anterior se puede observar las temperaturas en diferentes zonas. La medición de la temperatura en los canales del tornillo es complicada debido a la rotación del tornillo, si bien se puede predecir usando técnicas numéricas y las diferentes teorías de la extrusión. La temperatura más alta se encontrará en el centro del canal, donde el material está expuesto a mayores cizallas, mientras que en los alrededores se obtendrán temperaturas inferiores si el cilindro está enfriado, lo que suele ocurrir en la zona de dosificación. Las capas internas difícilmente llegan a alcanzar la superficie fría del cilindro y se encuentran aisladas por las capas externas. En consecuencia la diferencia de temperatura entre las diferentes capas puede alcanzar con facilidad los 60ºC. Si esta situación se mantiene hasta el final del tornillo, el fundido que sale por la boquilla no será homogéneo. Además, el grado de mezcla de las capas internas puede ser deficiente, al ser el tiempo de residencia menor que el del resto del material. Esto conlleva problemas no sólo en la boquilla, sino también distorsiones en el producto extruido. La forma más eficaz de evitarlo consiste en incorporar mezcladores en el diseño del tornillo. Además de homogenizar la temperatura del material, los mezcladores también son importantes cuando se pretende mezclar diferentes tipos de plásticos o aditivos.

2.1.2.5.4 Mezclado

Para evitar problemas de falta de homogeneidad del material que llega a la boquilla de la entrada del tornillo se instala un mezclador de material.

El mezclado se consigue haciendo pasar al material por diferentes zonas que lo obliguen a reorientarse. El mezclado se realiza simplemente con el tornillo dentro de la zona de dosificado que tienen una configuración especial para este propósito.

El mezclador debe cumplir con los siguientes requisitos:

Provocar una caída de presión mínima de modo que la presencia de la zona de mezclado afecte lo menos posible al caudal de material extruido.

Evitar zonas muertas donde el material pudiera quedar estancado.

Barrer la superficie del cilindro completamente.

Ser fáciles de instalar, poner en marcha y limpiar.

Tener un precio razonable.

2.1.2.5.5 Desgasificado

El desgasificado se utiliza en plásticos que retienen gran cantidad de componentes volátiles, en los materiales que presentan humedades de equilibrio muy elevadas, es posible secarlos antes de introducirlos en la extrusora, si bien el proceso de secado es lento (puede durar entre 4 y 40 horas), por lo que se suelen desgasificar directamente en la extrusora, de forma mucho más rápida.

37

El desgasificado se produce a través de un orificio de venteo practicado sobre el cilindro. La extrusora por poseer una zona de desgasificado deben tener un diseño especial del tornillo, que asegure que la presión en esta zona coincida con la presión atmosférica, de forma que el material no tienda a escapar por el orificio de venteo. En estas extrusoras los gránulos de sólido atraviesan las zonas de alimentación y transición donde son aglomerados, transportados y fundidos. Luego pasan a una zona de descompresión en la que los productos volátiles son evacuados a través del orificio de venteo. El material fundido y desgasificado se vuelve a comprimir en una nueva zona de transición, como se muestra en la figura siguiente.

La capacidad de bombeo de la segunda sección del tornillo (tras el orificio de venteo) debe ser superior a la de la primera, como en la figura 31.

Figura 31. Extrusora con sección de desgasificación. (Sánchez, 2008, pág. 66).

2.1.2.5.6 Conformado

El material toma la forma de la boquilla conforme sale por ésta. Es primordial que el material salga a velocidad uniforme, se producen cambios de tamaño y forma conforme el material sale por la boquilla.

Las boquillas se fabrican con una forma y tamaño que compensen los cambios que se producen en el material, de modo que al final se obtenga un producto de las dimensiones requeridas. Para conseguirlo es necesario conocer muy bien cómo se comporta el material con el que se está trabajando. Hay tres factores principalmente que provocan cambios en el tamaño y forma del material: tensionado, relajación y enfriamiento.

2.1.2.5.7 Tensionado

Conforme el material sale de la extrusora es recogido por diferentes sistemas, generalmente consisten en rodillos, que mantiene el material tenso. Esto hace que en la mayoría de los casos se reduzca un poco el tamaño del material, a veces de forma considerable. Además de los cambios de tamaño, los productos que no sean circulares pueden sufrir cambios de forma debido al estirado.

Salida de volátiles

Orificio de venteo

38

2.1.2.5.8 Relajación

El material dentro de la extrusora está sometido a grandes deformaciones y tensiones (esfuerzos normales) por lo que, debido a su naturaleza visco elástica, se relaja conforme sale por la boquilla. La relajación provoca el hinchamiento del material, tanto más rápido cuanto mayor sea la temperatura, por lo que el cambio más pronunciado tiene lugar cuando el material sale de la extrusora, pero generalmente continúa durante las horas siguientes al conformado, y a veces dura incluso días. En la figura 32 se muestra el hinchamiento que sufriría un material extruido con sección cuadrada.

Figura 32. Hinchamiento debido a la relajación de un material de sección cuadrada. (Marcilla, 2008).

Con una forma cuadrada de boquilla, la dilatación ocurre más en el centro de las caras que en las esquinas, esto es resultado de que los esfuerzos normales que se producen dentro del material serán mayores en la zona central.

Si el producto extruido sufre tensiones no uniformes, la relajación puede conducir a una torsión o flexión del mismo, especialmente en piezas que contengan partes gruesas y delgadas.

1.2.2.5.9 Enfriamiento

El enfriamiento del material fundido produce su contracción, reduciéndose el tamaño y aumentando su densidad. La contracción que produce el enfriamiento normalmente no es uniforme, puesto que en partes gruesas puede haber una diferencia muy grande entre la velocidad a la que se enfrían las zonas externas y las más internas del material (la cristalinidad del interior de estas piezas será mayor), pudiendo aparecer zonas hundidas (rechupadas) al contraerse el interior de las piezas. En la figura 33 se muestra la contracción que sufriría una pieza de sección cuadrada debido a la diferente velocidad de enfriamiento entre las distintas partes.

Figura 33. Contracción debida al enfriamiento de un material de sección cuadrada. (Marcilla, 2008).

39

2.2 Cimientos del Proyecto 2.2.1 Fundamento Se realizará este proyecto para demostrar los conocimientos adquiridos durante toda la carrera de Ing. Robótica Industrial debido a que este proyecto cuenta con tópicos tales como, maquinas eléctricas, resistencia de materiales, control industrial, propiedades de los materiales, electrónica de potencia, plc’s, micro controladores, trasferencia de calor, diseño de elementos mecánicos, diseño de conjunto, ingeniería asistida por computadora. Y con esto, logrando, así reforzar y demostrar los que conocimientos que se adquirieron durante el desarrollo de la carrera son aplicables directamente a productos reales y tangibles. Se incursionó en el proyecto de una maquina extrusora de hilos de PET (Polietileno Tereftalato), ya que se requería un proyecto ambicioso y ecologista, además de que cumpliera con la demostración de los conocimientos de la carrera de ingeniería en Robótica Industrial, esta oportunidad nos la brindo el CIIEMAD (Centro de Interdisciplinario de Investigación y Estudios del Medioambiente y desarrollo) otorgándonos el proyecto en curso. 2.2.1.1 Análisis FORD

Tabla 8 Estudio FORD

FORTALEZAS OPORTUNIDADES

Cantidad de material extruido de acuerdo al tamaño de la máquina

Confiabilidad

Seguridad en operación

Rapidez de proceso

Fabricación de componentes nacional

Reducción de mano de obra

Durabilidad de componentes mecánicos

Funciones conforme a las especificaciones técnicas de los componentes mecánicos

Mínimo desperdicio de materia prima

Desarrollo tecnológico

Implementación en otros laboratorios

Financiamiento por parte de nuevas empresas

Interés de laboratorios para la adquisición de nuestro producto.

Aprovechar el exceso de producción de plástico PET1

Flexibilidad para cambiar el material a procesar.

RESTRICCIONES DEBILIDADES

Tipo de alimentación de corriente debido a instalaciones del laboratorio

Espacio disponible para la instalación de la máquina

El material procesado requerirá otro(s) proceso(s) para ser utilizado

Requiere de instalaciones especiales

Mantenimiento continuo

Uso de componentes mecánicos especializados

Complejidad del control de temperatura dentro del cañón.

40

2.2.1.1.1 Fortalezas

Cantidad de material extruido de acuerdo al tamaño de la máquina

Confiabilidad

Seguridad en operación

Rapidez de proceso

Fabricación de componentes nacional

Reducción de mano de obra

Durabilidad de componentes mecánicos

Funciones conforme a las especificaciones técnicas de los componentes mecánicos

Mínimo desperdicio de materia prima

Desarrollo tecnológico

2.2.1.1.2 Oportunidades

Implementación en otros laboratorios

Financiamiento por parte de nuevas empresas

Interés de laboratorios para la adquisición de nuestro producto.

Aprovechar el exceso de producción de plástico PET1

Flexibilidad para cambiar el material a procesar

2.2.1.1.3 Restricciones

Tipo de alimentación de corriente debido a instalaciones del laboratorio

Espacio disponible para la instalación de la máquina

El material procesado requerirá otro(s) proceso(s) para ser utilizado

2.2.1.1.4 Debilidades

Requiere de instalaciones especiales

Mantenimiento continuo

Uso de componentes mecánicos especializados

Complejidad del control de temperatura dentro del cañón.

41

2.2.2 Conocimiento de Soporte del Proyecto 2.2.2.1 Conocimientos previamente adquiridos para el diseño mecánico

Física clásica

Calculo diferencial e integral

Calculo vectorial

Dibujo asistido por computadora

Ensayo de materiales

Estática

Metrología dimensional

Dinámica

Resistencia de materiales I

Ingeniería de manufactura aplicada

Mecánica de fluidos

Resistencia de materiales II

Mecanismos

Oleo hidráulica

Introducción al diseño de elementos mecánicos

Vibraciones mecánicas

Diseño de conjuntos 2.2.2.2 Conocimientos previamente adquiridos para el diseño eléctrico

Electricidad y magnetismo

Circuitos eléctricos

Ingeniería eléctrica aplicada 2.2.2.3 Conocimientos previamente adquiridos para el diseño control-electrónico

Fundamentos de programación

Métodos numéricos

Electrónica

Control numérico computarizado

Electrónica industrial

Interfaces, periféricos y programación I

Controladores lógicos programables

Neumática

Interfaces, periférico y programación II

Controladores industriales

Automatización de sistemas industriales

Sistemas de control

42

2.2.3 Argumentos 2.2.3.1 Argumentos importantes a considerar para el diseño de la máquina extrusora

Tabla 9 Problemáticas y su clasificación

Número Problema Clasificación

1 Tamaño de la máquina Costo/Eficiencia

2 Potencia de la extrusora Diseño

3 Material de los componentes de la máquina Costo/Eficiencia

4 Temperatura del proceso Diseño

5 Volumen del proceso Costo/Eficiencia

6 Especificaciones del material final Tecnológico

7 Manejo y control del proceso Diseño

8 Seguridad en operación Diseño

9 Facilidad de limpieza Ergonomía

10 Propiedades del PET Diseño

2.2.3.2 Descripción de Argumentos

1. Tamaño de la máquina

Depende del espacio que nos ofrece el laboratorio, en este caso es de 3.6 m2, como se muestra en la figura 34 y como se presenta el Layout en el Anexo 1.

Figura 34. Dimensiones del laboratorio a escala. (CIIEMAD).

43

2. Potencia de la extrusora

Dependiendo de la capacidad del husillo se determinara la potencia del motor principal, con lo que se calculara el parámetro de presión en el dado de extrusión, sin que muestre algún daño.

3. Material de los componentes de la máquina

El material de cada uno de los componentes después de ser seleccionado deberá ofrecer un cierto tiempo de vida además de confiabilidad para el usuario.

4. Temperatura del proceso

Esta es la variable a controlar en el diseño de la extrusora, ya que si esta es baja, la máquina extrusora se frena y si es alta el material se incinera y se cristaliza dentro del tornillo.

5. Volumen del proceso

El volumen de material que vamos a procesar determinara condiciones de diseño del husillo, el cabezal, entre otros; el volumen de material a procesar por la máquina a diseñar es de máximo 0.5 kg/h

Se sabe que la productividad de las extrusoras depende de muchos factores, entre los que podemos mencionar el tipo de material, la temperatura de proceso, condiciones geométricas del tornillo y cabezal, entre otros; según el diseño del tornillo, se puede determinar la entrega de material extruido en kilogramos/hora.

6. Especificaciones del material final

Obtener los hilos de PET con el menor diámetro posible, los hilos deberán ser acomodados en un carrete de manera semiautomática.

7. Seguridad en operación

La máquina deberá de poseer diferentes sistemas de seguridad que garanticen el bienestar del operario.

8. Manejo y control del proceso

En el diseño hay que tener en cuenta que la máquina tenga un buen control sobre las diferentes variables, señales y alarmas que den confiabilidad al manejo de la misma.

9. Facilidad de limpieza

Tener en cuenta la facilidad del operario para cambiar las partes del proceso y la limpieza.

44

2.2.4 Requisitos (Q.F.D)

2.2.4.1 Ponderación de criterios en base a problemáticas

Figura 35. Ponderación de criterios en base a problemática.

45

2.2.4.2 Ponderación de criterios en base a propiedades del PET

Figura 36. Ponderación de criterios en base a propiedades del PET.

46

2.2.4.3 Ponderación de criterios en base a soluciones del diseño de la máquina extrusora

Figura 37. Ponderación de criterios en base a soluciones del diseño de la máquina extrusora.

47

2.3 Diseño del Nuevo Sistema

2.3.1. Ingeniería General del Proceso de Extrusión En la actualidad existen diferentes tamaños de extrusoras industriales en función de la cantidad de material que se extruye y del diámetro del husillo, en la tabla 10 se enlistan los tamaños más comunes de extrusoras de un solo tornillo.

Tabla 10 Tamaño de extrusora industriales por el diámetro del husillo (Méndez, 2010, pág. 223)

Tamaño en milímetros Tamaño en pulgadas

25 1

30 11/4

50 2

60 21/2

80 11/4

110 11/46

150 6

La capacidad de las máquinas antes mencionadas varían entre 2 kg/h para las máquinas de 25 mm, hasta aproximadamente 450 kg/h para las máquinas de 200mm. (Hanson, 2004), propone siete especificaciones básicas para seleccionar un extrusor:

1. Determinación de las resinas por procesar. 2. Definición del propósito final de la extrusora. 3. Requerimientos de alimentación. 4. Identificación de los elementos complementarios del proceso. 5. Identificación de los equipos auxiliares para el manejo de materiales primas. 6. Especificaciones de las fuentes de alimentación de la potencia. 7. Información de los estándares de la planta o laboratorio donde se implementara.

2.3.1.1 Capacidad del extrusor La capacidad del extrusor (Qc) en libras por hora varía con el diámetro del cilindro (Db), medido en pulgadas, como muestra en la ecuación. Se considera que los sistemas de transferencia de energía mecánica tienen una eficiencia (η) de 75% que se trasmite desde la parte motriz al husillo; de ahí que la capacidad dependa también de la potencia suministrada por el motor en HP, del calor específico del material en Cp (BTU/lb °F) y del gradiente de temperatura ΔT (desde la alimentación hasta la salida del material extruido en °F). Características principales de una extrusora

Producción máxima (kg/hora).

Potencia de la extrusora y presión máxima admisible de salida.

Facilidad de limpieza (cilindro autolimpiable, etc.).

Facilidad de manejo y de control.

Variedad de accesorios.

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Material por tratar.

El proceso de extrusión consiste en hacer fluir un material plastificado a través de un dado, en el cual se le da la forma deseada, para este caso serían hilos de PET. El proceso de extrusión de polímeros sólidos se puede dividir en cuatro etapas principales, como se ve en la figura 38 y se explica en la tabla 11.

2.3.2.2 Diagrama de proceso

Figura 38. Proceso de extrusión (Autores, 2011).

2.3.2.3 Ciclo de Trabajo

Tabla 11. Descripción del proceso de extrusión (Autores, 2011).

Proceso Descripción

Alimentación La materia prima ingresa en forma de gránulos a los silos de almacenamiento.

Dosificado Los insumos son pesados y descargados en la proporción adecuada según la fórmula seleccionada.

Mezclado El material dosificado se mezcla para que ingrese a la tolva

Extrusión Proceso de transformación de la materia prima en forma de gránulos en hilos de PET.

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2.3.2 Diseño del Sistema Mecánico

2.3.2.1 Propuesta de análisis de partes mecánico Para el diseño de la máquina extrusora de PET1, se pondrá énfasis en la selección o diseño de los componentes mecánicos que compone la extrusora, y tener el conocimiento suficiente para lograr el diseño por medio de los cálculos necesarios. Es por ello que se deben de analizar a detalle todas las partes que están involucradas en la máquina extrusora, a continuación se enlistan las partes principales y los criterios importantes que se deben de tomar en cuenta, para el diseño o selección de las partes mencionadas. 2.3.2.2 Husillo

A partir del análisis de diseño, se encuentra que de acuerdo al material plástico utilizado en el proceso de extrusión se puede dimensionar el diámetro del tornillo que ya está estandarizado con la producción en kilogramos/hora que se requiera.

Figura 39. Husillo para extrusión, punta plana (Fotografía propia).

El Diseño del husillo de la extrusora es el elemento de mayor importancia al diseñar una extrusora, esto es debido a que este elemento se comporta como una bomba que dosifica, a presión, plástico fundido a un cabezal. Los tornillos de las extrusoras trabajan por el principio del movimiento rotacional.

La acción de empuje se lleva a cabo gracias a los filetes resaltados en forma de perfil helicoidal. Durante la rotación, los gránulos plásticos que se encuentran en la zona de la tolva fluyen verticalmente a la cavidad existente entre los filetes. Estos gránulos son forzados horizontalmente hacia adelante por los gránulos que vienen fluyendo de la tolva, y se adhieren a las paredes calientes del cilindro mientras se deslizan sobre la superficie más fría y pulida del tornillo rotante.

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De esta manera se asegura la continuidad de flujo y se imparte el cizallamiento necesario para generar calor por fricción. El aire atrapado en este proceso se purga hacia atrás a través de la tolva, pasando por el espaciamiento radial (holgura) existente entre el borde de los filetes y el cilindro; también se purga a través del dado o cabezal.

Durante la extrusión, la densidad a granel del polímero aumenta de 0.5 a 1.0 aproximadamente. Los materiales plásticos son extruidos axialmente y no radialmente manteniendo aguda la cara de empuje de los filetes.

El punto más importante del diseño de una extrusora en referencia con la capacidad de la máquina es la relación L/D, se encuentra estandarizado a nivel mundial. A continuación se presenta la figura 40, del husillo con su relación L/D.

Figura 40. Relación L/D, husillo de extrusión, (Sánchez, 2008).

Con lo anterior se obtienen las dimensiones del husillo a fabricar.

Ya que el husillo está sometido a un abuso considerable, estos son fabricados en aceros tenaces de aleación tipo SAE 4140, con dureza Rockwell C de 35 a 40. Los filetes y los tornillos se endurecen aún más mediante tratamiento de llama a durezas por encima de 50 Rockwell C. Posteriormente el tornillo completo se recubre generalmente con cromo a un espesor final de 5 a 8 micro pulgadas.

Las dimensiones finales se controlan a un punto tal que el espaciamiento entre el cilindro y el filete (holgura) sea de 0.002” a 0.004” por extremo (radialmente). Esto minimiza las dificultades de extraer el tornillo para limpieza y mantiene la fuga de polímero a un nivel bajo. El recubrimiento con níquel-cromo proporciona una superficie suave que es fácil de limpiar y que a su vez es resistente a la corrosión, como se ve en la figura 41.

Figura 41. Husillo con aleación y terminado (Fotografía propia).

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2.3.2.2.1 El tornillo a diseñar tiene tres zonas

2.3.2.2.1.1 Sección de alimentación: De diámetro constante, es el primer elemento del tornillo al que se le introduce polímero.

2.3.2.2.1.2 Sección de transición: También llamada zona de compresión, de profundidad variable, es donde tiene lugar la mayor parte de la fusión del polímero, en esta sección del tornillo la raíz se vuelve gradualmente menos profunda, forzando el material hacia delante de la pared del barril, donde la fusión se lleva a cabo.

Figura 42. Pendiente de la sección de transición, (Sánchez, 2008).

El factor más importante a considerar al diseñar la sección de transición, es que la pendiente de esta zona debe ajustarse tan cercanamente como sea posible a la tasa de fusión del material.

2.3.2.2.1.3 Sección de dosificación: El diámetro incrementa el diámetro raíz, logrando una mayor presión en la parte final del extrusor. En esta sección es donde se genera la presión para superar la restricción impuesta por el cabezal.

Figura 43. Diseño del Tornillo, (Sánchez, 2008).

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2.3.2.3 Barril

Es un cilindro metálico dentro del cual se halla situado el tornillo y constituye el cuerpo principal de una máquina de extrusión. Proporciona una superficie de carga en la cual se imparten esfuerzos cortantes (cizallamiento) a los gránulos plásticos y al polímero fundido.

El barril debe tener una compatibilidad así como una resistencia óptima al material plástico que se está procesando, por lo que está fabricado de un metal con la dureza necesaria para reducir al mínimo cualquier desgaste, comúnmente aceros de diferentes tipos y de ser necesario se aplican métodos de endurecimiento superficial de las paredes internas del barril, que son las que están expuestas a los efectos de la abrasión y corrosión durante la operación de la máquina.

Un factor esencial en la extrusión de plásticos es la interacción entre los álabes giratorios y la pared fija del barril. El espacio entre el tornillo y el barril es a menudo extremadamente pequeño y varía dependiendo del tamaño del tornillo como se describe en la siguiente tabla 12.

Tabla 12. Espacios típicos entre el tornillo y el barril en función del tamaño del tornillo, (Rosato D.V. Extruding Plastics, 2009).

Si el plástico es para ser mezclado y transportado, la fricción debe ser baja en la superficie del tornillo pero alta en la pared del barril. Si éste criterio no es tomado en cuenta, el material podría rotar con el tornillo sin moverse en lo absoluto en la dirección axial y salir a través del dado.

El barril por lo general posee sistemas de transferencia de calor. El calentamiento se puede realizar mediante resistencias eléctricas circulares localizadas en toda su longitud y con un circuito de refrigeración. El barril suele dividirse en zonas de calefacción, con control independiente en cada una de ellas, que permite conseguir un gradiente de temperatura razonable desde la tolva hasta la boquilla.

De acuerdo a lo anterior cada zona se gradúa a la temperatura recomendada para el proceso, la resistencia lo que hace es dispersar calor en el barril para precalentar el sistema hasta la temperatura deseada; y el sistema de enfriamiento se utiliza para mantener la temperatura en la zona, todo el sistema de calentamiento se controla desde un tablero, donde la temperatura de proceso se establece en función del tipo de material y del producto deseado.

Tamaño del torillo mm (pulg.) Espacio mm (pulg.)

64 (2.5) 0.05 (0.002)

76 (3) 0.10 (0.004)

114 (4.5) 0.13 (0.005)

152 (6) 0.18 (0.007)

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Figura 44. Ejemplo de Barril, (Sánchez, 2008).

Criterios importantes a considerar para el diseño del cañón o barril, figura 44.

Dimensiones del husillo.

Colocación de pozos para termopares.

Resistencia al desgaste por efectos de abrasión y corrosión

Interacción entre los alabes giratorios del husillo y la pared del cañón.

Espacio entre al husillo y el cañón.

Diferencia de fricciones del material, con respecto al husillo y al cañón.

2.3.2.4 Cabezal El cabezal de extrusión es el lugar de descarga de la extrusora, su función es la de dar forma al flujo de plástico en la forma deseada del producto extruido. La zona final de un extrusor es la zona del dado, que termina en el propio dado. Este consta, generalmente, de una placa de acero perforada conocida corno placa rompedora y un juego de mallas de dos o tres capas de gasa de alambre situadas en el lado del tornillo.

Figura 45 Cabezal del extrusor (Méndez, 2010, pág. 253)

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Las superficies internas del cabezal deben tener un buen acabado. De lo contrario, el producto plástico obstruido puede resultar áspero, poroso y aún tener una apariencia rayada. El cabezal debe ser fabricado en acero endurecido de alta estabilidad dimensional, y apropiado para trabajar a temperaturas superiores a los 260°C. La exactitud de las dimensiones finales se logra mediante maquinados, rectificados y lapidados secuenciales y/o recubrimientos metálicos. Criterios a considerar para el diseño de un cabezal de extrusión:

Malla

Placa Rompedora

Convergencia de entrada al dado

Dado

Sujeción al cañón de la extrusora

Tamaño de abertura del dado

Anillos de sujeción

2.3.2.4.1 Filtros de extrusión

Este elemento se compone de una placa metálica de acero inoxidable perforada “Breaker-Plate” figura 46, acompañada de una serie de filtros o mallas de material poroso, figura 47, “Screen-Pack”. Este conjunto nos permite filtrar material ajeno al que deseamos tratar, que pueda entrar en la tolva en el momento de ser alimentada. También nos ayuda a aumentar la contrapresión en el barril y de este modo mejorar el mezclado y la homogenización del material fundido.

Figura 46 Plato Rompedora, ¨Breaker Plate¨ (http://www.solostocks.com/img/hileras-para-la-extrusion-de-granza-6893514z0.jpg)

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Figura 47 Mallas, ¨ Screen-Pack¨ ( http://www.corima.info/archivos/productos/120605125641_filtro.jpg)

Funciones del filtro:

Romper el flujo de material fundido, distribuirlos convenientemente y dar un movimiento consistente hacia adelante, con una contrapresión controlada.

Impedir la continuidad de porciones frías de material hasta que tenga la misma plasticidad que el resto del material.

Retener, en general, impurezas y aglomerados que podrían contaminar el producto final deseado.

Regular la presión del extrusor. Para seleccionar un filtro es necesario tomar en cuenta:

Presión interna de la recamara.

Pureza del material tratado.

Calidad del producto final.

Tiempo de uso de la extrusora.

Figura 48 Plato rompedor con mallas.

(http://www.plasticsplanet.com/cgi-bin/g/Máquinaria/Inyectoras/?p=3)

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2.3.2.4.2 Dados

El dado tiene como función el obtener la forma final deseada del material extruido (aunque puede realizarse un conformado posterior). El dado esta calentado externamente y debe asegurar que el flujo de material fundido cambie de forma suavemente desde la configuración proveniente del tornillo hasta la forma deseada del producto final. El diseño óptimo de un dado de extrusión es complicado. Aunque algunos fundamentos están bien definidos y el comportamiento de los materiales fundidos que se desplazan por canales estrechos se estudia y entiende cada vez más, aún hay un factor de diseño y construcción que se basa en la experiencia. Por ejemplo, para la producción de barras se requiere un dado de forma tronco-cónica, figura.

Figura 49 Dado de forma tronco-cónico, (Méndez, 2010).

Diámetro del orificio del dado

Diámetro del barril

Angulo de entrada del dado

Longitud paralela del dado Entre más viscoso sea el plástico fundido menor será el ángulo de entrada del dado necesario para obtener un flujo suave y constante. Criterios a considerar para el correcto diseño

Forma deseada en el material extruido.

Cantidad de material a extruir.

Ángulo y Presión de entrada al dado.

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2.3.2.5 Cilindro ranurado para encarretado del hilo obtenido. Básicamente existen cuatro formas de obtención de bobinas. Si el giro de la misma está producido por:

a) Contacto con un cilindro ranurado.

b) Contacto con un cilindro liso y vaivén por guía-hilos gobernado por el mismo

cilindro.

c) Contacto con un cilindro liso y vaivén por guía-hilos gobernado por la bobina.

d) Movimiento del eje de la bobina y vaivén por guía-hilos gobernado por dicho eje.

Los dos primeros métodos obtienen bobinas de plegado al azar. Se utilizará la primera opción: Contacto con un cilindro ranurado. La bobina gira por contacto con un cilindro. El giro de la bobina provoca el enrollado del hilo. Dicho hilo se desplaza en vaivén lateralmente gracias al ranurado del cilindro. La hélice que forma la ranura en el cilindro puede ser de paso constante (que formará bobinas cilíndricas simétricas o levemente progresivas las de poca conicidad) adecuado para bobinas cilíndricas o cónicas hasta 4º y en especial para tinte. La hélice puede ser de paso progresivo adecuada para bobinas de más conicidad, a las que comunicará un plegado progresivo. El ángulo que forman las espiras de dos capas sucesivas viene determinado por el diámetro del cilindro ranurado, el número de vueltas de la hélice en el mismo, su simetría y la conicidad de la bobina. (Ejemplo: un cilindro de 150 mm, de 90 mm de diámetro y 2 vueltas de hélice simétrica, formará bobinas cilíndricas de 30° de ángulo entre espiras de dos capas consecutivas). Para la formación de la bobina se necesita una adherencia entre el hilo, el cilindro y ello sólo es posible en hilos hilados. Cualquier desplazamiento provocará perturbaciones en la situación de las espiras. La velocidad de formación de la bobina puede ser elevada pues no existen órganos en movimiento de vaivén. (Hasta 1500 m/min).

Figura 50 Cilindro ranurado. (Imagen Propia, México, 2013).

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2.3.2.5.1 Rodillos guía para el hilo El rodillo es un operador formado por un cuerpo redondo que gira respecto de un punto fijo denominado eje de giro. Normalmente la rueda siempre tiene que ir acompañada de un eje cilíndrico (que guía su movimiento giratorio) y de un soporte (que mantiene al eje en su posición). De la rueda se derivan multitud de máquinas de las que cabe destacar: polea simple, rodillo, tren de rodadura, noria, polea móvil, polipasto, rodamiento, engranajes, sistema correa-polea. Utilizaremos este principio para guiar el hilo de PET desde la salida de la boquilla de la extrusora hasta el carrete en donde se embobinará el hilo, como se muestra en las siguientes imágenes.

Figura 51 Rodillos guía.

(http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/maquinas/maq_simple.htm)

2.3.2.6 Tolva

La tolva es el depósito de materia prima en donde se coloca el material plástico para la alimentación continua del extrusor. Debe tener el diseño adecuado para evitar que el material se atasque en la primera fase de alimentación del cañón, figura 52; una de las implementaciones hoy en día es el gorro chino dentro de la tolva que ayuda al material a no estancarse en la tolva, figura 53. Criterios a considerar para en la selección de la tolva

Peso y tamaño del material a trabajar.

Área de entrada y salida de material.

Inclinación de los ángulos de bajada.

Fricción entre el material alimentado y el material de la tolva.

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Figura 52 Vistas de Tolvas, (Méndez, 2010)

Figura 53 Gorro chino.

(http://image.made-in-china.com/2f0j00JsmaDEqchQof/Hopper-Dryer-Screen-Separator.jpg) 2.3.2.7 Rodamientos para Husillo Los baleros son dos anillos concéntricos con esferas o elementos que permitan la rotación entre ellos. La idea es minimizar la fricción en el giro, se ajustan a los ejes de los motores para sujetarlos respecto al cuerpo de los mismos sin limitar el giro del eje. Los baleros permitirán estabilizar el husillo para evitar que se mueva de manera descontrolada evitando que se salga o choque innecesariamente con la camisa del husillo y absorber los esfuerzos producidos en el husillo. 2.3.2.7.1 Rodamientos cilíndricos Los cojinetes de rodillos soportan una carga radial mayor que los de bolas del mismo tamaño debido a su mayor área de contacto. Sin embargo, tienen la desventaja de requerir casi una perfecta configuración geométrica de pistas y rodillos. Un ligero des alineamiento

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originara que los rodillos se desvíen y se salgan de alineación. Por esta razón, el retén debe ser grueso y resistente. Desde luego, los rodillos cilíndricos no soportan cargas de empuje. En este tipo de rodamientos la relación aproximada de la longitud – diámetro debe variar entre 1:1 y 1:3. Son los que permiten más velocidad rotacional de todos los rodamientos de rodillos, figura 54.

Figura 54 Rodamientos cilíndricos.

(http://www.nskamericas.com/cps/nsk/na_es/p/images/content/1011_four-row_CRB_rgb_rdax_95.jpg)

2.3.2.7.2 Rodamientos cónicos El rodamiento de rodillos cónicos, debido a la posición oblicua de los de los rodillos y caminos de rodadura, es especialmente adecuado para resistir cargas radiales y axiales simultáneas. Para casos en que la carga axial es muy importante hay una serie de rodamientos cuyo ángulo es muy abierto. Este rodamiento debe montarse en oposición con otro rodamiento capaz de soportar los esfuerzos axiales en sentido contrario. El rodamiento es desmontable, el aro interior con sus rodillos y el aro exterior se montan cada uno separadamente, figura 55.

Figura 55 Rodamientos cónico. ( http://www.precise-bearing.es/products/2-4-1b.jpg)

Criterios a considerar en la selección de baleros:

Fuerzas axiales y radiales que actúan en el husillo.

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2.3.2.8 Camisa

Figura 56 Camisa, (Fotografía propia).

Este elemento sirve como un recubrimiento del cañón y para mantener el calor en el proceso de extrusión, se diseña en base a las dimensiones obtenidas en los cálculos del cabezal, longitud y diámetro del husillo.

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2.3.3 Diseño del Sistema Eléctrico

2.3.3.1 Motoreductor

La velocidad angular nominal normalmente del motor principal es mayor que la velocidad angular del husillo de la máquina extrusora, por tal motivo se necesita un motoreductor entre el motor y el tornillo.

Los radios de reducción típicos son entre 15:1 o 20:1 pero existen reducciones tan bajas como de 5:1 o tan altas como de 40:1. Las cajas reductoras deben ser fabricadas de una manera que sea fácil el intercambio de engranes, figura 57, esto mejora la flexibilidad y versatilidad de la extrusora.

Figura 57 Engranaje de Motoreductor, (Catalogo RAISA).

Partes de un motoreductor:

1. Base cuerpo 2. Tapa cuerpo 3. Sinfín 4. Tapa de sinfín 5. Balero 6. Sellos 7. Ventilador 8. Guarda de ventilador 9. Tapa ciega de corona 10. Separador 11. Corona 12. Maza de Corona 13. Tapa de Salida 14. Flecha de Salida 15. Tornillo

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Figura 58 Partes de Motoreductor, (Catalogo RAISA).

Criterios a considerar para la selección de un motoreductor:

Relación de velocidad.

Torque requerido por el husillo

Velocidad angular del husillo.

2.3.3.2 Motor Eléctrico Se llama motor eléctrico al dispositivo capaz de transformar la energía eléctrica en energía mecánica, es decir, puede producir movimiento al convertir en trabajo la energía eléctrica proveniente de la red o almacenada en un banco de baterías. Básicamente, un motor está constituido por dos partes, una fija denominada Estator, y otra móvil respecto a esta última denominada Rotor. Ambas están fabricadas en material ferromagnético (chapas magnéticas apiladas), y disponen de una serie de ranuras en las que se alojan los hilos conductores de cobre que forman el devanado eléctrico. En todo motor eléctrico existen dos tipos de devanados: el inductor, que origina el campo magnético para inducir las tensiones correspondientes en el segundo devanado, que se denomina inducido, puesto que en él aparecen las corrientes eléctricas que producen el par de funcionamiento deseado (torque).

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El espacio entre el rotor y el estator es constante y se denomina entrehierro. Por efecto de las intensidades que atraviesan el rotor y el estator; se crean campos magnéticos en el entrehierro. La interacción de estos campos magnéticos con las intensidades que atraviesan los conductores del rotor produce unas fuerzas tangenciales que hacen girar el rotor produciéndose de este modo la energía mecánica. Los factores más importantes a tenerse en cuenta en la elección de un motor

Tensión de alimentación

Condiciones ambientales

Potencia Nominal

Arranque

Tipo de servicio

Velocidad

Tipos

Figura 59 Motor Eléctrico,

(http://controlysolucioneselectricas.com/que-es-un-motor-electrico/).

2.3.3.3 Resistencias eléctricas

La resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica.

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Figura 60 Flujo en una resistencia,

(http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_resistencia/ke_resistencia_1.htm).

A.- Electrones fluyendo por un buen conductor eléctrico, que ofrece baja resistencia.

B.- Electrones fluyendo por un mal conductor eléctrico, que ofrece alta resistencia a su paso. En ese caso los electrones chocan unos contra otros al no poder circular libremente y, como consecuencia, generan

calor.

Normalmente los electrones tratan de circular por el circuito eléctrico de una forma más o menos organizada, de acuerdo con la resistencia que encuentren a su paso. Mientras menor sea esa resistencia, mayor será el orden existente de los electrones; pero cuando la resistencia es elevada, comienzan a chocar unos con otros y a liberar energía en forma de calor. Esa situación hace que siempre se eleve algo la temperatura del conductor y que, además, adquiera valores más altos en el punto donde los electrones encuentren una mayor resistencia a su paso.

Figura 61 Resistencias tipo abrazadera (http://www.resistenciaselectricaspresis.com/portafolio/visor_prod.php?id=3097)

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El cilindro por lo general posee sistemas de transferencia de calor. El calentamiento se puede realizar mediante resistencias eléctricas circulares localizadas en toda su longitud y con un circuito de refrigeración en este caso ventiladores. El cilindro suele dividirse en 5 zonas de calefacción, con control independiente en cada una de ellas, que permite conseguir un gradiente de temperatura razonable desde la tolva hasta la boquilla.

De acuerdo a lo anterior cada zona se gradúa a la temperatura recomendada para el proceso, la resistencia lo que hace es calentar la camisa hasta la temperatura deseada y el sistema de enfriamiento se utiliza para bajar la temperatura de la zona, todo el sistema de calentamiento se controla desde un tablero, donde la temperatura de proceso se establece en función del tipo de material y del producto deseado.

Figura 62 Resistencias eléctricas, (Fotografía propia).

Criterios a considerar para la selección de resistencias eléctricas

Temperatura requerida por el sistema

Propiedades mecánicas del PET

Material del Cañón

Material de abrazaderas.

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2.3.3.4 Termopares Un termopar es un sensor para medir la temperatura que se compone de dos diferentes materiales metálicos unidos en un extremo y separados en el otro. Los extremos que están separados son considerados como la salida, y que generan voltaje (tensión) que es proporcional al calor que va a ser medido o monitoreado. Es decir, mientras más alta es la temperatura, mayor es el voltaje (tensión). Los Termopares vienen en parejas diferentes de materiales metálicos o aleaciones que permiten una muy amplia gama de aplicaciones. Las diferentes composiciones de los materiales utilizados en los termopares se encuentran estandarizadas y clasificadas en toda la industria. Los tipos o calibraciones más comunes son J, K, T y E. A pesar que el tipo o la calibración del termopar define el rango de temperaturas, el alcance máximo también está limitado por el diámetro de los hilos del termopar. Es decir, un termopar con hilos muy delgados puede no llegar a la máxima temperatura del rango.

Figura 63 Termopares, (http://resistencias.mex.tl/30556_Termopares.html).

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2.3.4 Diseño del Sistema Electrónico – Control

2.3.4.1 Pirómetro Dispositivos capaces de medir la temperatura de una sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella. Por lo general estos equipos son capaces de medir temperaturas superiores a los 600ºC. Son aparatos de estado sólido, insensibles a las vibraciones y choques, que pueden funcionar en cualquier posición. La función del indicador es demostrar el desvío de la temperatura ajustada en relación con la temperatura medida por el sensor. El sensor son unos termopares que se seleccionan de acuerdo a la temperatura de trabajo, existiendo un sensor para cada rango. La resistencia de los conductores de entrada no es tan crítica en el caso de los termopares, pudiendo ser prolongados con cables compensados, siempre que la resistencia máxima no exceda de 50 Ohms.

Pirómetro Digital Pirómetro Estándar

Figura 64 Pirómetros, (http://www.inelce.com/index.php?page=shop.browse&category_id=16&option=com_virtuemart&Itemid=63). 2.3.4.2 PLC Un contador lógico programable se define como un dispositivo electrónico digital que una memoria programable para guardar instrucciones y llevar a cabo funciones lógicas de configuración de secuencia, de sincronización, de conteo y aritméticas, para el control de maquinaria y procesos. Los PLC tienen la gran ventaja de que permiten modificar un sistema de control sin tener que volver a alambrar las conexiones de los dispositivos de entrada y salida; basta con que el operador digite en un teclado las instrucciones correspondientes.

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Los PLC cuentan con características específicas que los diferencian de las computadoras y micro controladores:

Son robustos y están diseñados para resistir vibraciones, temperaturas, humedad y ruido.

La interfaz para las entradas y las salidas está dentro del controlador.

Es muy sencilla tanto la programación como el entendimiento del lenguaje de programación que implementa, el cual se basa en operaciones de lógica y conmutación. Los elementos principales que forman parte de la estructura de un PLC son:

CPU (Unidad central de procesamiento): Controla y procesa todas las operaciones realizadas dentro del PLC.

Reloj: Es la fuente de temporización y sincronización de todos los elementos del sistema. Su frecuencia típica ronda entre 1 y 8 MHZ.

Sistema de bus: Lleva información y datos hacia el CPU, la memoria y las unidades de entrada/salida.

Memoria:

ROM: Almacena de forma permanente la información del sistema operativo y datos corregidos.

RAM: Almacena el programa del usuario.

Batería: Se encarga de mantener el contenido de la RAM por un determinado tiempo, en caso de que se corte el suministro de energía eléctrica.

Figura 65 PLC.

(http://www.f-haroldo-pinelli.com.ar/Hitachi%20Web-Controller/aEH-WD1.jpg).

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2.4 Contexto Normativo

2.4.1 Instalaciones Eléctricas Nombre De la Norma: Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2005, Instalaciones Eléctricas (utilización) Objetivo de la Norma: El objetivo de esta NOM es establecer las especificaciones y lineamientos de carácter técnico que deben satisfacer las instalaciones destinadas a la utilización de la energía eléctrica, a fin de que ofrezcan condiciones adecuadas de seguridad para las personas y sus propiedades, en lo referente a la protección contra:

Los choques eléctricos

Los efectos térmicos

Sobre corrientes

Las corrientes de falla

Sobretensiones

Campo de aplicación: Propiedades industriales, comerciales, residenciales y de vivienda, institucionales, cualquiera que sea su uso, públicas y privadas, y en cualquiera de los niveles de tensiones eléctricas de operación, incluyendo las utilizadas para el equipo eléctrico conectado por los usuarios. Esta NOM cubre: Circuitos alimentados con una tensión nominal hasta 600 V de corriente alterna o 1 500 V de corriente continua, y algunas aplicaciones especificadas arriba de 600 V de corriente alterna o 1 500 V de corriente continua. Circuitos, que no sean los circuitos internos de aparatos, operando a una tensión superior a 600 V y que se derivan de una instalación con una tensión que no exceda de 600 V c.a. Puntos Importantes de esta norma para el Proyecto:

Requisitos de las instalaciones eléctricas

Alimentadores

Protección contra sobre corriente

Equipo eléctrico fijo para calentamiento de tuberías para líquidos y recipientes

Motores, circuitos de motores y sus controladores

Convertidores de fase

Resistencias y reactores

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2.4.2 Seguridad de máquinas en centros de trabajo Nombre De la Norma: NORMA Oficial Mexicana NOM-004-STPS-1999, Sistemas de protección y dispositivos de seguridad en la maquinaria y equipo que se utilice en los centros de trabajo. Objetivo de la Norma:

Establecer las condiciones de seguridad, los sistemas de protección, dispositivos para prevenir y proteger a los trabajadores contra los riesgos de trabajo que genere la operación, mantenimiento de la maquinaria y equipo. Campo de aplicación: La presente Norma rige en todo el territorio nacional y aplica en todos los centros trabajo que por la naturaleza de sus procesos empleen maquinaria y equipo. Puntos Importantes de esta norma para el Proyecto:

Punto número 7 “Programa Específico de Seguridad para la Operación y Mantenimiento de la Maquinaria y Equipo”.

Apéndice A referido a: “Tarjetas de aviso”.

2.4.3 Diseño de máquinas seguras con normativa europea Nombre De la Norma: Principios ergonómicos generales para aplicar en el diseño de máquinas seguras, bajo normativa europea. Objetivo de la Norma: En ella vamos a detallar los principios generales, la terminología y metodología aplicables en el diseño ergonómico de máquinas para integrar la seguridad en todas ellas, así mismo detallaremos los aspectos y dimensiones aplicables en el diseño de pantallas de información y las señales que deben de contemplar. Se darán a conocer los requisitos y medidas necesarios para poder detectar, informar e interpretar los dispositivos de información visual y táctil que son obligatorios en todas las máquinas para favorecer la seguridad, fiabilidad y eficacia de las condiciones de trabajo de las personas que las utilizan. Puntos Importantes de esta norma para el Proyecto:

Punto número 2 “Principios generales ergonómicos en el proceso de diseño y proyecto de máquinas”.

Punto número 3 “Diseño de pantallas de información y mandos”.

72

2.4.4 Normativa europea de seguridad de máquina Nombre De la Norma: Normativa Máquinas del Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo Objetivo de la Norma: Requisitos esenciales de seguridad, de salud relativos al diseño, fabricación de las máquinas y de los componentes de seguridad. Puntos Importantes de esta norma para el Proyecto:

Del apartado Requisitos esenciales de seguridad y de salud (punto 1), los puntos 1.3, 1.4 y 1.5

73

2.5 Concepto Ganador

74

2.5.1 Extrusora

75

2.5.2 Sistema de embobinado/hilado

INGENIERÍA DE DISEÑO Y

CÁLCULOS

Introducción al capítulo.

Se enuncian las tentativas de solución.

Se detalla el diseño escogido para el nuevo sistema.

Se da un esclarecimiento del motivo de la selección del diseño escogido.

Se realizan los cálculos necesarios para el diseño de cada uno de los elementos mecánicos, eléctricos, electrónicos y de control o su selección.

Capítulo

III

77

III. INGENIERÍA DE DISEÑO Y CÁLCULOS

3.1 Ingeniería de Diseño Mecánico y Eléctrico En este apartado se diseñan y seleccionan las partes de la máquina extrusora, los dibujos del diseño se presentan enseguida del capítulo en la sección de planos. 3.1.1 Husillo 3.1.1.1 Parámetros tecnológicos Hablando en términos matemáticos el trabajo de una extrusora puede obtenerse aplicando conjuntamente las ecuaciones correspondientes a las leyes de conservación de la masa, energía y número de movimientos, con las cuales se describe el estado físico de un líquido a presión (en nuestro caso, la masa fundida).

En la figura 66 se muestra esquemáticamente un cilindro con husillo de un canal. Por razones de eficiencia la mayoría de las extrusoras se fabrican con el husillo giratorio y el cilindro fijo, pero para mayor compresión podemos suponer que el cilindro es el que gira y el husillo es el que permanece inmóvil.

Angulo de hélice ( )

° De lo anterior podemos concluir que para husillos no muy especializados (en cuanto al

tipo de material a procesar) siempre se utilizará el ángulo ° para cualquier

tipo de diámetro cumpliéndose que t = D.

78

Figura 66. Sección de un cilindro con husillo de un canal. Vista general. (V.K SAVGORODNY,

Transformación de plásticos. 2 ed. Barcelona: GUSTAVO PILI S.A.).

De la figura anterior, donde se muestra el ángulo de inclinación de la hélice se presenta la siguiente notación:

h = Profundidad del canal;

V = Velocidad de cualquier partícula de la masa del canal en el punto X y Y;

W = Anchura del canal;

VZ = Componente de la velocidad tangencial o circunferencial a lo largo del canal;

VC = Velocidad circunferencial del cilindro con relación al husillo VC = π × d × η;

L = Distancia en la dirección del eje en el punto considerado; e = Anchura de la cresta del filete.

Con la finalidad de simplificar los cálculos, se tendrá en cuenta solo el valor mínimo del ángulo de la hélice, que corresponde al diámetro exterior del husillo, ya que en los husillos con poca profundidad del canal este ángulo varía muy poco.

La velocidad circunferencial del cilindro Vc se puede descomponer en dos componentes perpendiculares entre si Vz y Vx, dirigida longitudinal y transversalmente respecto al canal del husillo. La velocidad de la masa fundida en cualquier punto del canal se caracteriza por las componentes análogas Vz y Vx.

La velocidad Vx, conservando el flujo continuo, provoca el movimiento de la masa fundida en la dirección Y a una velocidad Vy. Esta velocidad es mayor en las paredes delanteras y traseras del canal, donde la masa fundida que corre en dirección transversal cambia el sentido de la corriente. Puesto que la componente Vy surge solamente a consecuencia del cambio de la velocidad Vx correspondiente a la corriente transversal, el efecto de Vx en la producción se puede despreciar. Por esta razón en lo sucesivo se considera que Vy = 0.

79

3.1.1.2 Relación de longitud del husillo El husillo es el órgano fundamental de trabajo de una máquina extrusora. Tanto la producción como la aplicación de la extrusora dependen del diámetro del husillo, de la relación de longitud al diámetro (L:D), de la velocidad de giro y de las particularidades geométricas del canal helicoidal, perfil de vértices de los filetes y del cabezal, numero de zonas, etc.

Según el material a transformar y en parte según la forma y finalidad de los artículos a fabricar, en este caso se fabricará una máquina a escala laboratorio, por lo cual se construirá de un solo canal, m=1.

Tomamos como medida para la longitud del extrusor un valor de 600 milímetros con una relación de 25:1. En el Anexo 2 se presentan en forma tabulada los parámetros geométricos del husillo, sin embargo a continuación se comprueban estos valores por medio de las ecuaciones presentadas por Savgorodny (V.K SAVGORODNY, Transformación de plásticos. 2 ed. Barcelona: GUSTAVO PILI S.A.).

Paso de husillo (t)

Ancho de filete (e)

3.1.1.3 Holgura y Tolerancias del tornillo/cilindro Tiene mucha importancia en el trabajo de una extrusora la medida de la holgura entre la cresta del filete del husillo y la superficie interior del cilindro. Cuando la holgura es grande el material se mezcla con mayor efectividad, pero disminuye el avance del mismo por aumentar el flujo inverso del material. Generalmente se suele emplear husillos de diámetro constante, manteniendo una holgura entre el husillo y el cilindro de 0,002D. Lo anterior se demuestra con los planteamientos expuestos en las tablas, ver Anexo 3. Las ecuaciones presentadas por Savgorodny (V.K SAVGORODNY, Transformación de plásticos, Barcelona, Ed. GUSTAVO PILI S.A.), para la determinación de estas tolerancias son:

80

Holgura del radio del filete ( )

Para las holguras del radio de filete se toma, a menos que se especifique, el radio de raíz. La holgura no debe ser menor que ½ de la profundidad del filete hasta 1”. Cuando se especifica, se deben observar las siguientes tolerancias: + 0,030” + 0,75mm. En el caso del paralelismo y perpendicularidad todos los filetes serán perpendiculares al eje del husillo desde el radio de raíz al O.D en ambos lados, a menos que se especifique lo contrario. Otras superficies perpendiculares al eje del husillo pueden chequearse usando una superficie de una placa y un indicador de mesa de altura ajustable o una escuadra de presión. Se deben observar las siguientes tolerancias: todos los tamaños + 0,006 grados 3.1.1.4 Zonas del husillo y sus longitudes La configuración geométrica del husillo depende fundamentalmente del material a transformar, para nuestro caso el PET. En la figura 67 se observa un husillo compuestos por tres zonas exactamente definidas cuyas longitudes corresponden a:

Longitudes de las zonas del husillo

L. Alimentación = L/2 = 60 cm /2 = 25 cm = 300 mm L. Compresión = L/4 = 60 cm /2 = 15.0 cm = 150 mm L. Dosificación = L/4 = 60 cm /2 = 15.0 cm = 150 mm L = Longitud

Figura 67. Zonas del husillo. (V.K SAVGORODNY, Transformación de plásticos. 2 ed. Barcelona: GUSTAVO PILI S.A.).)

81

3.1.1.5 Cálculo del número de filetes del husillo El número de filetes se calcula por medio de la relación de longitud diametral que comprende el diámetro del husillo y el número de filetes, para extrusoras de plásticos. L/D = Relación longitud/diámetro para la determinación de número de filetes.

Número de filetes del husillo

L = 600 mm D = 24 mm 3.1.1.6 Intervalos de velocidad de cortadura

Experimentalmente, se ha encontrado que la mayoría de los plásticos fundidos poseen un comportamiento reológico razonablemente pseudoplástico.

Se dice que el intervalo de la velocidad de cortadura (log ̇) para el cual aplica el proceso de extrusión, se encuentra limitado según lo presentado en la figura 68, ya que cuando este intervalo es mayor, se obtienen curvas con pendientes decrecientes. En dicha figura los intervalos de velocidad de corte accesibles dependen de los diferentes tipos de reómetros. Para el elastómero de extrusión con diferentes tipos de procesamiento, se opera entre 100 y 1000 s-1.

3.1.1.7 Viscosidad efectiva

La viscosidad efectiva (u) se determina en función de la velocidad de cortadura por medio de diagramas, preparados para los diferentes materiales, en función de la temperatura, ya que la viscosidad de los termoplásticos depende este factor y del peso molecular, decreciendo al calentar el material y al disminuir su peso molecular.

De las figuras 68 y 69 se toman los datos correspondientes a una velocidad de cortadura

( ̇) de (100 s-1) y viscosidad efectiva (u) a una temperatura de trabajo aproximada de 180°C 235°C.Con esto se obtiene un valor de viscosidad efectiva de 750 Pa-s, para efecto de cálculos.

82

La velocidad de cortadura que se utiliza para el PET con relación a los parámetros de rpm que se utilizaran de 85 a 165, es un promedio de 131.94 s-1 y usaremos un valor de tabla de 265 s-1.

Figura 68. Intervalos de velocidad de cortadura. (V.K SAVGORODNY, Transformación de plásticos. 2 ed. Barcelona: GUSTAVO PILI S.A.).

83

La viscosidad efectiva en base a la velocidad de cortadura y las temperaturas que se producen dentro del cañón, se seleccionó para efectos de cálculo un valor de 750 Pascales – segundo.

Figura 69. Intervalos de viscosidad efectiva con respecto a temperatura y velocidad de cortadura. (V.K SAVGORODNY, Transformación de plásticos. 2 ed. Barcelona: GUSTAVO PILI S.A.).

84

3.1.1.8 Producción del Tornillo La producción expresada como flujo volumétrico (Q), es el resultado de tres tipos diferentes de flujo. El flujo de arrastre (α), es el componente mayor provocado por el giro del tornillo. El flujo de presión (β), es el componente que se oponen al flujo en el sistema y el flujo de filtración (γ), el cual reduce la producción por pérdidas de material entre las holguras del tornillo-barril. Por lo tanto, la producción en la zona de dosificación es equivalente a la producción total del tornillo. En la figura 70 se muestra un esquema de los perfiles para las distribuciones de velocidad de flujo.

Figura 70. Diagrama de velocidad de flujo. (V.K SAVGORODNY, Transformación de plásticos. 2 ed.

Barcelona: GUSTAVO PILI S.A.).

Según el investigador soviético Savgorodny, el flujo volumétrico unitario se puede

determinar con la siguiente expresión: Q = Flujo volumétrico unitario

Dónde:

: Volumen unitario del flujo de arrastre; β : Volumen unitario del flujo presión;

: Volumen unitario del flujo filtración; k: Constante total de la forma geométrica de la cabeza perfiladora. : rpm del husillo Cada uno de estos flujos está definido por una ecuación, que relaciona las dimensiones del husillo con algunas variables de la máquina. Todas las correlaciones utilizadas para estos cálculos se tomaron a partir del trabajo de Savgorodny. En los siguientes apartados presenta la aplicación de cada una de ellas.

85

3.1.1.8.1 Volumen unitario del flujo de arrastre o de fricción (QD ó )

(

)

Dónde:

D = Diámetro del tornillo

h1 = Profundidad del canal en la zona de bombeo

= Angulo de la hélice

= Función trigonométrica del coseno del ángulo

m = Número de canales del husillo

e = Anchura de la cresta del filete

De esta manera reemplazando los valores de m y e, en la ecuación tenemos:

3.1.1.8.2 Volumen unitario del flujo de presión (QP ó )

(

)

Dónde:

L = Longitud del husillo

(

)

86

3.1.1.8.3 Volumen unitario del flujo de filtración (QL ó )

Dónde:

= Holgura del filete = Función trigonométrica tangente del ángulo

En general la ecuación anterior no se considera en los cálculos pero tiene utilidad para comprobar la importancia del desgaste de los filetes, lo cual es necesario para el control de las pérdidas en la producción.

En la figura 70 se pueden apreciar los diagramas de velocidad de estos flujos. En la figura 70a la velocidad varía en forma lineal con la profundidad del canal helicoidal; en la figura 70b la velocidad varía según una ley parabólica. Sumando ambos diagramas se obtiene la velocidad real en cualquier punto (figura 70b) cuando el material sale libremente a=0; cuando la salida está cerrada a=1. 3.1.1.8.4 Constante total de la cabeza K Según el investigador soviético Savgorodny, para determinar la constante K (coeficiente de la forma geométrica) el cabezal se divide convencionalmente en sucesivas zonas de diferente configuración, estableciendo para cada una de estas zonas la constante K.

• Para un canal cilíndrico cabezal

Dónde: d = Diámetro del canal del dado d = 12mm L = Longitud de canal

87

• Para un canal cónico cabezal

= Diámetro de entrada del material en un canal anular cilíndrico.

= Diámetro de salida del material en un canal anular cilíndrico.

• Para un canal cónico boquilla

88

• Para un canal rectangular

La constante común de la cabeza perfiladora se puede determinar como la suma de las resistencias experimentadas en las diferentes zonas.

∑

∑

∑

Retomando los valores de los flujos y las constantes K, podemos obtener el flujo volumétrico del tornillo. Y tomando en cuenta las rpm con las que se puede trabajar en la extrusora se obtienen los siguientes flujos. Para obtener el flujo en kg/h se hace la conversión y se toma en cuenta la densidad específica del PET. Conversión = 60/1h Densidad del PET = 0.00135 Kg/cm3

(

) (

) (

) [

]

89

(

) (

) (

) (

)

(

)

(

) (

) (

) (

)

(

)

(

) (

) (

) (

)

(

)

(

) (

) (

) (

)

(

)

(

) (

) (

) (

)

(

)

90

En la gráfica 1, se expone el comportamiento de la variación de caudal contra las rpm que podría girar el husillo, indicando que la producción de la máquina de extrusión será de 2.35 a 4.57 kilogramos de material (PET) por hora de operación. Dando un rango de +15g, -15g.

La selección óptima de las rpm del husillo será de 85 rpm, ya que con esta selección se cumplirá uno de los requerimientos de producción y especificaciones dadas para la máquina extrusora.

Grafica 1. Gráfica de Variación de Caudal de la Máquina Extrusora con respecto a las rpm del husillo.

3.1.1.9 Relación de compresión

La relación de compresión es probablemente el término más usado en la terminología de diseño de tornillos, el cual es importante para determinar problemas de degradación asociados a la profundidad del canal o a la alta velocidad de rotación. La relación de compresión está dada por:

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

85 100 130 150 165

Kg/

h

Rpm - Husillo

Variación de Caudal de la Máquina Extrusora

Flujo Volumetrico - Caudal

91

La relación de compresión (β) calculada se encuentra en 2 y coincide con la recomendada por los expertos en el procesamiento de plásticos.

3.1.1.10 Cálculo de la potencia requerida La potencia es la rapidez con que se efectúa un trabajo, es decir, el trabajo por unidad de tiempo (Potencia = Trabajo/Tiempo). Tomando los conceptos básicos de física sabemos que (Trabajo = Fuerza*Distancia), que son precisamente las unidades del torque. Además sabemos que la velocidad rotacional de un motor se mide en rpm (cuyas unidades son 1/min). Entonces si multiplicamos el torque por las rpm del motor tenemos F*D/60seg que es precisamente la potencia. Conociendo el diámetro del husillo, el factor de proporcionalidad (K=66,7) y el número de revoluciones podemos obtener la potencia dada por Savgorodny (V.K SAVGORODNY, Transformación de plásticos. 2 ed. Barcelona: GUSTAVO PILI S.A.):

Se desarrolla esta fórmula, parar cada una de las revoluciones que se podrán usar en el proceso de extrusión y se da un parámetro de la potencia requerida en Kilowatts y en Caballos de fuerza (Hp).

92

Con estos cálculos nos percatamos de la potencia máxima que se requiere en el husillo, habiendo seleccionado las rpm del husillos de 85 rpm, obtenemos un caballaje de 1.11 a 1.12 Hp. En la Gráfica 2 nos percatamos de la variación de los caballos de fuerza necesarios con respecto a las rpm utilizadas en el husillo; con este dato, se selecciona el motoreductor que serán utilizados en la máquina extrusora.

93

Grafica 2. Gráfica de Variación de la Potencia Requerida del husillo en HP.

3.1.1.11 Presiones en la máquina extrusora La presión en las máquinas de extrusión se genera en la parte delantera del husillo cumpliendo un papel importante en el proceso y en el acabado del material, de igual manera es importante porque de ella se derivan diferentes cálculos para el diseño de dicha máquina. Para el cálculo de presiones en la máquina se toman en cuenta las rps (revoluciones por segundo) que actuaran en ella; de este modo se ejercerán diferentes presiones en el cañón con respecto a las rpm a las que gira el husillo; también usamos la viscosidad efectiva antes mencionada de 750 Pas. Así: 85 rpm = 1.4166 rps 100 rpm = 1.666 rps 130 rpm = 2.166 rps 150 rpm = 2.50 rps 165 rpm = 2.75 rps

0

0.5

1

1.5

2

2.5

85 100 130 150 165

HP

Rpm del Husillo

Potencia Requerida del husillo en (HP)

Potencia Requerida enhusillo(HP)

94

• Presión máxima

Para efectos de cálculo se toma Q=0, es decir sin flujo de arrastre.

[

]

95

En la Gráfica 3 se muestra el rango de presión máxima que existe con los parámetros de

rpm utilizados, sabiendo que la selección es de 85 rpm = 1.4167 rps, y que las rps

máximas nos otorgan una presión más alta, se conducirá a realizar los cálculos con la

presión máxima calculada, para tener un rango amplio de seguridad. De este modo se

toma como referencia el último cálculo para la presión máxima.

Grafica 3. Gráfica de Variación de la Presión máxima en la extrusora.

0.0000

50.0000

100.0000

150.0000

200.0000

250.0000

300.0000

350.0000

1.4167 1.6667 2.1667 2.5000 2.7500

MN

/m^2

Rev/s del Hsillo

Presión máxima en la extrusora (MN/m^2)

Presión maxima (MN/m^2)

96

• Presión de operación

h1 = Profundidad de alimentación

(

)

[

]

(

)

(

)

(

)

(

)

97

(

)

En la Gráfica 3 se muestra el rango de presión de operación que existe con los parámetros

de rpm utilizados, sabiendo que la selección es de 85 rpm = 1.4167 rps, y que las rps

máximas nos otorgan una presión más alta, se conducirá a realizar los cálculos con la

presión máxima calculada, para tener un rango amplio de seguridad. De este modo se

toma como referencia el último cálculo para la presión máxima. De este modo se toma

como referencia el último cálculo para la presión operación.

Grafica 4. Gráfica de Variación de la Presión de operación en la extrusora.

0

2

4

6

8

10

12

14

1.4167 1.6667 2.1667 2.5000 2.7500

MN

/m^2

Rev/s del Hsillo

Presión de Operación (MN/m^2)

Presión de operación(MN/m^2)

98

3.1.1.12 Selección de material para el husillo A la hora de seleccionar el material para el husillo se deben tener en cuenta las condiciones de operación del mismo y los factores químicos y mecánicos que afectarían la pieza, ya que ésta estará sometida a un ambiente agresivo dado por elementos corrosivos además de los elevados esfuerzos.

Analizando diferentes opciones se optó por seleccionar un acero 4140, el cual ofrece una serie de ventajas teniendo en cuenta las consideraciones anteriores.

El acero 4140 posee alta templabilidad en aceite. Su alto contenido de Cromo le proporciona buenos valores de dureza además de un excelente comportamiento a la corrosión, el Molibdeno ofrece igualmente valores favorables de resistencia, haciéndolo esencialmente útil en el formado de este tipo de partes. Por sus propias características, responde a todos los tratamientos térmicos y es de muy fácil maquinabilidad aún después de ser tratado. Resiste temperaturas de más de 540ºC (1000ºF) sin perder ninguna de sus cualidades aún después de haber sido sometido a un ritmo de trabajo excesivo y a altas temperaturas. Tomando en cuenta sus características y ventajas es de una resistencia y fuerza admirables que lo hace el de mayor uso entre los grados aleados. Los usos más habituales de este material son la fabricación de perforadoras, cortadoras, tornillos, acoples, mesas rotatorias, juntas, ruedas, válvulas, tornillos para alta temperatura, ruedas dentadas, pistones, eslabones para cadena, etc.

• Maquinabilidad

La maquinabilidad de este acero es de aproximadamente un 65% basándose en el acero AISI 1213 al 100%.

• Soldabilidad

A pesar de las dificultades que presenta ante el proceso de soldadura, es posible realizarla mediante un tipo de soldadura especial, teniendo cuidado de precalentar y post calentar para un eficiente relevo de tensiones. En el Anexo 4 se presentan diferentes materiales como posibles candidatos para la fabricación de husillos. Teniendo en cuenta las características mencionadas anteriormente se optó por el acero 4140 ya que las demás opciones implican mayores costos, principalmente por la necesidad de su importación. 3.1.1.13 Peso del husillo Es importante calcular el peso de este dispositivo ya que de él se derivan los cálculos para hallar las fuerzas que se generan en el husillo.

99

3.1.1.13 .1 Volumen del alma del husillo en cada sección

• Zona de alimentación

Se tienen los siguientes datos:

L = Longitud de la zona de alimentación (0.30 m) r = Radio del alma del husillo (0.0096)

Con los datos anteriores se halla el área:

Con el valor determinado del área y la longitud se halla el volumen:

• Zona de transición

En esta zona se determina el volumen por medio de la siguiente fórmula:

• Zona de dosificación En esta zona se determina el volumen de la misma forma que en la zona de alimentación: L = Longitud de la zona de alimentación (0.150m) r = Radio del alma del husillo (0.0108)

100

Con el resultado del área y la longitud podemos hallar el volumen:

Después de tener los tres valores del volumen del alma del husillo decimos que:

3.1.1.13.2 Volumen de los filetes en cada zona

• Zona de alimentación

Se tienen los siguientes datos:

En la figura se presenta el esquema para determinar la longitud del filete a partir de procedimiento trigonométrico y obtenemos la ecuación siguiente.

Figura 71. Triángulo rectángulo para hallar la longitud del filete.

24m

m

24mm

101

√

√

A partir del valor de longitud determinado se procede a determinar el volumen del filete mostrado esquemáticamente en la figura 72.

Figura 72. Sección rectangular del filete.

De la figura 67 concluimos que el volumen es:

Para hallar el volumen total en la zona de alimentación se multiplica por el número de filetes que hay en dicha franja:

• Zona de transición Para hallar el volumen en la zona de transición debemos dividir el filete en dos partes, una rectangular y una triangular, respectivamente. Esto con el fin de poder determinar su verdadero valor, figura 73.

102

Figura 73. Sección del filete en la zona cónica.

Para la zona rectangular tenemos:

De igual manera se toma el volumen obtenido en esta zona y se multiplica por el número de filetes.

Para la zona triangular tenemos:

103

Con el resultado del área y la longitud podemos hallar el volumen:

De igual manera se toma el volumen obtenido en esta zona y se multiplica por el número de filetes:

Conociendo el volumen total en las dos zonas podemos deducir que:

• Zona de dosificación

Los cálculos de volumen en esta zona son iguales a los de la zona de alimentación pero con una variación en el valor de la profundidad del canal, donde h2 = 0.0012m. De la figura 70, tomamos los valores y las sustituimos:

2

De igual manera para hallar el volumen total en la zona de dosificación se multiplica por el número de filetes que hay en dicha franja:

104

Después de tener los tres valores del volumen de los filetes del husillo decimos que:

De esta manera se suman los valores del volumen del alma del husillo con los valores de filete del husillo y tendremos el volumen total:

Con el volumen total podemos hallar el peso del husillo teniendo en cuenta que el material es un acero 4140 cuya selección se especifica en un capítulo posterior. Así obtenemos la densidad del material a partir del Anexo 4, con un valor de 7700 kg/m3.

3.1.1.14 Cálculo de fuerzas del husillo La misión fundamental de un cálculo de resistencia consiste en comprobar las dimensiones previamente determinadas del husillo y determinar la flecha máxima admisible. Sobre el husillo actúa la fuerza axial P, el momento de giro Mg y la carga uniformemente repartida q, originada por el propio peso del husillo. La fuerza P y q provocan la flecha f del husillo como se presenta en la figura 74.

105

Figura 74. Diagrama de fuerzas de un husillo. (V.K SAVGORODNY, Transformación de plásticos. 2 ed.

Barcelona: GUSTAVO PILI S.A.).

Como paso inicial para calcular las fuerzas en el husillo se calcula el torque que indica la fuerza aplicada en una palanca para lograr la rotación de un elemento sobre un eje determinado. Al aplicar fuerza en el extremo de una llave se aplica un torque que hace girar el husillo. En términos científicos el torque es la fuerza aplicada multiplicada por el largo de la palanca (Torque = F*D) y la medimos en Newton*metro.

Para nuestro caso aplicaremos la fórmula empírica dada por Savgorodny (V.K SAVGORODNY, Transformación de plásticos. 2 ed. Barcelona: GUSTAVO PILI S.A.), que involucra una constante (K), cuyo valor en el sistema internacional es K=9550 Newton-metro, de este modo sustituimos en la ecuación que determina el Momento de giro o Torque.

Dónde:

= 𝑇 𝑞

Por la variabilidad de rpm que pueden ser utilizadas, en la operación de la máquina extrusora y la potencia requerida en cada caso, se tendrá un único torque requerido ya que se relacionan ambos parámetros en la formula anterior, por ello solo se hará el cálculo con los valores máximos de rpm y de potencia.

106

El segundo factor a calcular es que es la relación existente entre los diámetros del husillo.

El siguiente cálculo involucra la determinación de (F) que es la superficie transversal del husillo seccionado por A-A como se presenta en la figura 65:

Enseguida se calcula el momento de inercia ( J ) de la sección transversal A-A figura 70:

107

El siguiente paso es el cálculo del radio de inercia Ri de la sección:

√

√

La determinación de la esbeltez del husillo λ se realiza con la siguiente expresión, donde la constante según parámetros preestablecidos para el manejo de PET.

108

Los valores iniciales para el cálculo de fuerzas en el husillo se determinan fácilmente mediante la siguiente fórmula, estas fuerzas dependen de las rpm que se utilicen en el proceso de extrusión, por ello se hace el cálculo de todas las fuerzas que lleguen a afectar la dinámica del husillo y se toma el valor más grande como parámetro para cálculos posteriores:

𝑞

109

En la Gráfica 5, se observa la variación de la fuerza axial que se ejerce en el husillo, y el incremento que existe al hacer el cálculo con las presiones máximas obtenidas con relación a las rpm que el husillo podría utilizar; como ya se mencionó la selección para el proyecto es de 85 rpm.

Grafica 5. Gráfica de Variación de la Fuerza axial en el husillo.

La tensión tangencial máxima sobre la superficie del husillo está dada por:

[

]

0.0000

20000.0000

40000.0000

60000.0000

80000.0000

100000.0000

120000.0000

140000.0000

160000.0000

157.3021 185.0612 240.5796 277.5919 305.3511

Ne

wto

wn

s

N/m^2

Fuerza axial P en el Husillo (N)

Fuerza axial P en el Husillo (N)

110

Puesto que las tensiones normales son provocadas por la fuerza axial P y la carga repartida q, las tensiones máximas surgirán en el apoyo del árbol:

𝑞

[

]

𝑞

𝑞

La tensión normal σ está dada por la siguiente ecuación:

[

]

Dónde:

𝑞

El momento de residencia respecto al eje neutro W0 se puede determinar utilizando la siguiente correlación:

111

Considerando todas las fuerzas axiales que se presentan en el proceso de extrusión en base a las presiones y las rpm que se usan en una máquina extrusora, y sustituyendo los parámetros anteriores se tiene las siguientes tensiones normales, para efectos de cálculos o selecciones posteriores se toma en consideración las 2 tensiones normales más altas:

[

]

112

En la Gráfica 6, se observa la variación de la tensión normal que se ejerce en el husillo, y el incremento que existe al hacer el cálculo con los valores obtenidos de las fuerzas axiales.

Grafica 6. Gráfica de Variación de la Tensión normal del husillo.

0.0000

50.0000

100.0000

150.0000

200.0000

250.0000

300.0000

350.0000

MN

/m^

2

Newtons

Tensión normal en el husillo (MN/m^2)

Tensión normal al husillo(MN/m^2)

113

La solidez del husillo está dada en relación a la tensión tangencial y la tensión normal, aplicando la tercera teoría de resistencia, la solidez del husillo será de la siguiente forma:

√

√

√

√

√

√

114

√

√

√

√

En la Gráfica 7, se observa la variación de la solidez del husillo que se ejerce en el husillo, y el incremento que existe al hacer el cálculo con las tensiones normales que se producen en la máquina extrusora.

Grafica 7. Gráfica de Variación en la Solidez del husillo.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

158.3353 186.0944 241.6128 278.6251 306.3843

Meg

a P

asca

les

MN/m^2

Solidez del husillo (MN/m^2 = MPas)

Solidez del husillo (MN/m^2)

115

La flecha máxima del husillo al aplicar la carga repartida se determina a partir de:

𝑞

A partir de este valor se puede concluir que el husillo tendrá una deflexión reducida, lo que se traduce en el uso y selección de rodamientos para anular la deflexión calculada.

3.1.1.15 Diseño del muñón

El muñón es la parte trasera del husillo, donde se logrará el acople con el motor para poder dar movimiento y plastificar el material. En la figura 75 se presenta un esquema de esta parte del sistema. A continuación se presentarán los cálculos pertinentes para comprobar la resistencia y los concentradores de esfuerzos del muñón, los cuales tendrán una reducción de un milímetro radial a partir del diámetro inicial del husillo.

Figura 75. Diseño de Muñon. (V.K SAVGORODNY, Transformación de plásticos. 2 ed. Barcelona:

GUSTAVO PILI S.A.).

El eje también es de acero 4140 templado y revestido con níquel cromo. En el Anexo 5 se presentan las principales propiedades mecánicas de este material a diferentes estados de tratamiento térmico. A partir de estos datos tenemos:

116

Resistencia de fluencia en tracción

Esfuerzo último en tracción

Elongación 13% (Dúctil) Dureza Brinell 370 HB De cálculos realizados anteriormente se retoman los siguientes valores para ser aplicados en esta etapa de diseño:

𝑇 𝑞 El diámetro del muñón es determinado desde el diámetro de husillo reduciéndolo en 1.5 por tanto:

Las revoluciones que se usarán en la extrusión, las potencias obtenidas con respecto a las revoluciones usadas, son mostradas en la tabla 13, para los cálculos posteriores:

Tabla 13 Revoluciones y Potencias requeridas para el diseño de la máquina extrusora.

85 rpm 100 rpm 130 rpm 150 rpm 165 rpm

0.8297 Kw 0.9761 Kw 1.2690 Kw 1.4642 Kw 1.6107 Kw.

1.1127 Hp 1.3091 Hp 1.7018 Hp 1.9636 Hp 2.1600 Hp.

A continuación se presentarán las consideraciones de diseño para el concentrador de esfuerzos que aparece debido a la reducción de diámetro del muñón con respecto al husillo. Debido a que el porcentaje de elongación es del 13%, hablamos de un material dúctil, por lo tanto, para hallar el factor de seguridad se utilizarán las ecuaciones de Saderberg para este tipo de materiales.

117

Dónde:

Desglosando los parámetros de la ecuación tenemos:

𝑞

𝑞

118

𝑇

𝑇

𝑇 𝑇 𝑞

119

𝑞

𝑞

Para hallar el factor de seguridad de reducción de diámetro utilizamos la ecuación: Factor de seguridad de reducción de diámetro

Para las consideraciones de diseño para el concentrador de esfuerzos debido a la chaveta, debemos tomar en cuenta que todas las constantes a aplicar en las ecuaciones, la única que cambia es el factor Kt que representa el factor de concentración de esfuerzos.

Se aplica el mismo cálculo anteriormente realizado, con la variante de este valor.

120

Para hallar el factor de seguridad de reducción de diámetro utilizamos la ecuación: Factor de seguridad de chaveta

3.1.1.16 Diseño de la chaveta

Una cuña o chaveta es un elemento de máquina que se ubica en la interface del eje y la masa de una pieza que transmite potencia con el fin de transmitir torque. La cuña es desmontable para facilitar el ensamble y desarmado del sistema de eje. Se instala dentro de una ranura axial que se maquina en el eje, la cual se denomina cuñero o chavetero.

La cuña se usará en el ensamble de partes de la máquina extrusora de plásticos, la cual tiene como función asegurar las mismas contra un movimiento relativo, por lo general rotatorio, como es el caso entre flechas, cigüeñales, volantes, etc. Aun cuando los engranajes, las poleas, etc., están montados con un ajuste de interferencia, es aconsejable usar una cuña diseñada para transmitir el momento torsionante total.

Cuando las fuerzas relativas no son grandes, se emplea una cuña redonda, una cuña de silleta o una cuña plana. Para trabajo pesado, que es nuestro caso, son más adecuadas las cuñas rectangulares o cuadradas.

Para el diseño planteado se utilizará una cuña cuadrada o rectangular. Es el tipo más común de las cuñas para ejes de hasta 6 ½” de diámetro. La cuña rectangular se sugiere para ejes largos y se utiliza en ejes cortos donde puede tolerarse una menor altura. Tanto la cuña cuadrada como la rectangular se denominan cuñas paralelas porque la parte superior, la inferior y los lados de la cuña son todos paralelos. En el gráfico de la figura 76 se presenta el siguiente esquema:

121

Figura 76. Medida nominal de la chaveta en mm.

Las medidas correspondientes a la chaveta base y altura de tablas para diseño de chavetas se toman de la información presentada en el Anexo 10, llegando a los siguientes valores:

Del Anexo 10 obtenemos los siguientes datos de chavetero.

De la siguiente ecuación tomamos la medida para ubicar la chaveta en el husillo.

122

Las normas DIN para chavetas contemplan distintas formas y tamaños para las mismas. Todas ellas pueden ser fabricadas con aceros de: cementación, temple, aceros inoxidables ferríticos, así como aceros resistentes al ácido y al óxido, acero C45K (Ver Anexo11). 3.1.2 Diseño del Cañón Para el diseño del cañón, se comienza el diseño calculado el diámetro interior del cañón que se desea: Diámetro Interior del Cañón

Radio Interior del Cañón

Se retoman la presión máxima calculada que se presenta en la zona de dosificación, calculada anteriormente:

Se seleccionó un material que tuviera una conductividad térmica media y un módulo cortante alto, como es el Acero AISI 1020, sus propiedades se encuentran en el Anexo 12, los datos más relevantes a considerar del material en los cálculos son: Esfuerzo Cortante admisible para el cañón AISI 1020 - 80000 MPa Módulo Elástico AISI 1020 - 207000 MPa Relación de Poisson – 0.29

123

Se hizo la simulación para la selección del espesor mínimo requerido para soportar la presión, se realizó en la plataforma MDSolids y los resultados que nos proporcionó el programa se muestran en la figura 77.

Figura 77. Calculo de cañón (espesor).MdSolids.

Al mismo tiempo se realizaron los cálculos en base a las formulas conocidas que se presentan a continuación: 3.1.2.1 Calculo del espesor mínimo del Cañón

124

Enseguida se hizo la comparación de los datos arrojados por el programa y los cálculos realizados y se determinó que el cañón tendría que tener un espesor mayor, para poder maquinar los pozos en el cañón para acoplar los termopares necesarios para la medición y control de temperaturas, al igual que se toma en cuenta el barrenado necesario para montar la tolva, por ello se determinan las siguientes especificaciones del cañón: 3.1.2.2 Especificaciones del diseño del Cañón

Diámetro Exterior del Cañón

Espesor del Cañón

Espesor a considerar para los pozos del Cañón

Barrenado para montaje de Tolva / Diámetro inferior de la Tolva

Dilatación Térmica del Cañón El coeficiente de dilatación es tomado de las características del material del Anexo 12, y

el incremento de temperatura 𝑇 se obtiene de restar la temperatura ambiente

aproximadamente 20°C a la temperatura crítica de 280°C.

𝑇

125

3.1.3 Diseño de Tolva

La tolva tendrá un diámetro superior de 15 cm y un diámetro inferior de 2.40 cm, las dimensiones se presenta en el esquema de la figura 78, con lo cual realizar el cálculo de su volumen y los kilogramos que esta contendrá como se muestra en las siguientes operaciones. Se toma en cuenta los centímetros cuadrados de las hojuelas de PET de una medida promedio: 3.1.3.1 Calculo del peso de la hojuela de PET Para el cálculo del peso se toma en cuenta los siguientes datos: Centímetros cuadrados de la Hojuela de PET

𝑇 Centímetros cúbicos de la Hojuela de PET

𝑇 Densidad especifica del PET

Peso de la hojuela de PET

𝑇

𝑇

126

3.1.3.2 Dimensiones de la Tolva

Figura 78. Tolva, (Diseño propio).

Se calculan los volúmenes de los 2 cilindros y del cono trunco: 3.1.3.3 Calculo de volúmenes y volumen total de la Tolva Volumen de cilindro pequeño

𝑇

Volumen de cilindro grande

𝑇

15 cm

16 cm

10.90 cm

2.40 cm

6.3 cm

4 cm

127

Volumen de cono trunco

(

) 𝑇 𝑇

𝑇 𝑇

(

)

Volumen total de la Tolva

𝑇

𝑇

3.1.3.4 Calculo de la cantidad de hojuelas dentro de la tolva

Hojuelas dentro del cilindro pequeño

𝑇

Hojuelas dentro del cilindro grande

𝑇

Hojuelas dentro del cono trunco

𝑇

Total de hojuelas en la Tolva

𝑇

𝑇

128

3.1.3.5 Calculo de kilogramos en la tolva

Kilogramos dentro del cilindro pequeño

𝑇

Hojuelas dentro del cilindro grande

𝑇

Hojuelas dentro del cono trunco

𝑇

Kilógramos Totales en la Tolva

𝑇

𝑇

3.1.4 Selección de Motor-reductor para máquina

Para la selección del motor-reductor se utilizó el catalogo NORD de motor-reductores para sistemas de accionamiento, que se encuentra en la página 95 del mismo, tomando en cuenta si solo se trabajara a 86 rpm, logrando una producción máxima de 2.4 Kg. Se hizo la selección con los datos que se proporcionan a continuación:

Potencia nominal del motor P1 = (K.w) 1.1 Velocidad de salida n2 en rpm = (rpm) 86 Par de salida M2 = (N*m) 97 Factor de funcionamiento = (Fb) 1.5

129

Fuerza transversal admisible en el lado de salida con eje macizo FR = (N) 4690 Fuerza transversal admisible en el lado de salida con eje macizo para brida de salida FRF = (N) 5380 Modelo SK 1SM 63 – 90S/4 Peso del motorreductor = Kg 19 Acotaciones en milímetros.

Figura 79. Motor-reductor, Modelo SK 1SM 63 – 90S/4. (Catalogo NORD).

130

3.1.5 Selección de Coples

Para la selección de los coples utilizamos el catálogo de la empresa Tsubaki, la cual se especializa en la elaboración de este tipo de piezas mecánicas. Características que se consideraron para la selección de este componente son:

Torque permisible 130 Nm Diámetro mínimo 20 mm Diámetro máximo 35 mm A 68.2 mm B 31.5 mm E 5.2 mm Ѳk 82 mm

De la página 14 del catálogo Tsubaki, se encuentra el cople seleccionado, sus características se encuentran en el Anexo 13. Este componente nos funcionara de manera de correcta debido a que los diámetros que tenemos que acoplar son 25mm-30mm y en este caso debe soportar un torque de 93.22 Nm, y será utilizado para al acoplamiento de la barra diseñada al tornillo extrusor. De la página 26 del catálogo Tsubaki, se encuentra el cople seleccionado, sus características se encuentran en el Anexo 13. Este componente nos funcionara de manera correcta debido a que los diámetros que tenemos que acoplar son 14 mm- 25 mm y en este caso debe soportar un torque de 93.22 Nm, y será utilizado para al acoplamiento del motorreductor a la barra diseñada. Características que se consideraron para la selección de este componente.

Torque permisible 176 Nm Diámetro mínimo 14 mm Diámetro máximo 35 mm A 78.7 mm B 28.7 mm C 10 mm

131

3.1.6 Selección de rodamientos

Los rodamientos son necesarios para reducir la deflexión en el husillo y eliminar cargas axiales y radiales, generadas por la rotación del husillo y el empuje que produce el material al llegar al cabezal. Para esto seleccionamos dos diferentes rodamientos del catálogo SKF para rodamientos, los cuales se indican a continuación:

Rodamiento de rodillos cilíndricos

El rodamiento de rodillos cilindricos seleccionado posee las siguientes caracteristicas principales, en el Anexo 14 se encuentra el dibujo y sus caracteristicas especiales:

Diámetro interior 25mm

Diámetro exterior 47mm

Ancho rodamiento 12mm

Rodamiento de rodillos cónicos

El rodamiento cónico seleccionado posee las siguientes caracteristicas principales, en el

Anexo 15 se encuentra el dibujo y sus caracteristicas especiales:

Diámetro interior 25mm

Diámetro exterior 47mm

Ancho rodamiento 15mm

3.1.7 Selección de chumacera

La chumacera será necesaria para montar los rodamientos, fue seleccionada del catálogo SKF página 1049 para rodamientos. La chumacera seleccionada posee las siguientes caracteristicas principales, en el Anexo 16 se encuentra el dibujo y sus caracteristicas especiales:

Diámetro interior 25mm

Diámetro exterior 74mm

Asiento para rodamientos 32mm

132

3.1.8 Selección de plato rompedor

Para la selección del plato rompedor se utiliza el catalogo en línea de la empresa SFR Tooling, y se realizó la selección con el dato del diámetro del cañón del extrusor como se muestra en la tabla 14 y la figura 81.

Tabla 14. Especificaciones Estándar de Patrón de Agujeros (Catalogo en línea SFR Tooling).

Diámetro del Cañón del Extrusor

Pulgada

Comparación Métrica

mm

Plato Rompedor

Standard Area Abierta

Pulgada cuadrada

Plato Rompedor Standard

%Area Abierta Pulgada cuadrada

Inversor Rompedor

Standard Area Abierta

Pulgada cuadrada

Inversor Rompedor Standard

%Area Abierta Pulgada cuadrada

3/4" 20 0.13 30% - - 1" 25 0.36 46% 0.13 17%

1-1/2" 40 0.71 40% 0.36 21% 2" 50 1.17 37% 0.71 23%

2-1/2" 60 1.78 36% 1.17 24% 3" 75 2.55 36% 1.78 25%

3-1/2" 90 3.43 36% 2.55 27% 4" 100 4.47 36% 3.43 27%

4-1/2" 115 5.62 35% 4.47 28% 6" 150 9.76 35% 8.26 29% 8" 200 17.16 34% 15.09 30%

Figura 81. Áreas abiertas. (Catalogo en línea SFR Tooling).

En el Anexo 16 se detallan las Configuraciones estándar para las unidades de repuesto.

3.1.9 Selección de malla

La designación de la malla, se tomó de los catálogos de la empresa AMBICA, y se indica en la tabla 15 la selección de malla y la imagen 82. Las mallas circulares vienen con superficie de cribado lisa, sin bordes afilados, rebabas o ángulos agudos, de alta durabilidad, estabilidad en tensión y se cortan de manera uniforme por la prensa de energía específicamente desarrollada para evitar el borde irregular.

133

Figura 82. Malla seleccionada (Catalogo en línea AMBICA)

Tabla 15. Especificaciones estándares de Malla para Extrusora Agujeros (Catalogo en línea AMBICA).

Especificación de Producto

Especificaciones estándares de Malla para Extrusora

Malla Diámetro de Alambre mm Tamaño de Apertura mm Área Abierta

10 X 10 0.711 1.829 MM 51.8

14 X 14 0.457 1.357 MM 55.9

16 X 16 0.457 1.131 MM 50.7

20 X 20 0.559 0.711 MM 31.4

20 X 20 0.457 0.813 MM 41.0

24 X 24 0.376 0.682 MM 41.4

30 X 30 0.376 0.531 MM 34.2

30 X 30 0.310 0.536 MM 40.0

40 X 40 0.274 0.361 MM 32.3

50 X 50 0.193 0.335 MM 43.6

60 X 60 0.193 0.230 MM 29.8

80 X 80 0.122 0.196 MM 37.9

100 X 100 0.102 0.152 MM 36.0

120 X 120 0.091 0.120 MM 31.8

150 X 150 0.071 0.088 MM 29.6

200 X 200 0.050 0.077 MM 36.76

250 X 250 0.040 0.062 MM 36.76

300 X 300 0.040 0.045 MM 27.83

325 X 325 0.035 0.043 MM 30.49

400 X 400 0.028 0.036 MM 31.25

500 X 500 0.025 0.026 MM 25.79

134

3.1.10 Selección de Bridas para Cañón

3.1.10.1 Selección de Brida delantera

Se selecciona una brida de 150lb, ya que no tenemos una fuerza por área muy grande, ya que el cañón diseñado anteriormente ya absorbe gran parte de la fuerza ejercida por la presión de la compresión del material en el área de dosificación, una vez entendido esto, pasamos a la selección de la brida, de acuerdo a el diámetro exterior del cañón y el diámetro interior de la brida, esto nos lleva a la siguiente selección: Utilizando el Manual de Recipientes a Presión Tulsa Oklahoma, se tenían 3 opciones mostradas en la figura 83.

Figura 83. Tipos de Brida, (Manual Tulsa Oklahoma)

Se selección un tipo SLIP-ON tomado de la página 342 del Manual Tulsa Oklahoma para la conexión entre el cañón y el cabezal de 4 barrenos en el plato, ya que se menciona en el manual que es fácilmente soldable y se ajusta fácilmente a nuestro cañón, y ya que ambas cumplen el mismo funcionamiento, será meramente estético; las especificaciones se muestran en el Anexo 18 donde se complementa la información con datos del Manual en línea Vemacero (www.vemacero.com), página1.

135

3.1.10.2 Selección de Brida trasera

Ahora se seleccionara la brida que va en la parte posterior de la máquina extrusora, la que conecta el cañón con la base para lograr sostener el cañón en una posición estática y firme para evitar las vibraciones del movimiento del husillo, en esta parte se selecciona la brida de tipo Soket – Weld del Manual en línea Valtech (www.valtechgingenieering.com) correspondiente a la página 3 como muestra la siguiente figura 84.

Figura 84. Brida Socket Weld, (Manual Valtech, www.valtechgingenieering.com)

Ya que esta permite que se introduzca y soldé el cañón en el diámetro (B) de la brida y el husillo salga por el diámetro (B2), los sujetadores agarran la brida, el cañón y todo a su vez a la base para darle estabilidad al equipo, con 4 barrenos colocados en el plato; las especificaciones de la selección se muestran en el Anexo 19.

3.1.10.3 Selección de Tornillos

La selección de los tornillos se utilizará para ambas bridas ya que las bridas lo permiten, por ello se seleccionará un solo tipo de tornillo, será fabricado en acero de medio carbono templado y revenido, lo cual permite que esté expuesto a altas fuerzas a la tracción y corte. La selección de los tornillos se obtuvo mediante el Manual de Línea Pernería de American Srew, en la sección de Pernos hexagonales estructurales ASTM A-325. Se tendrán tornillos con recubrimiento, galvanizado en caliente y cincado electrolítico, se seleccionaron 4 de los 8 tornillos con un diámetro en D = 5/8” y los otros 4 tornillos de un diámetro de D = 7/8”; las especificaciones de los tornillo se muestran en el Anexo 20.

136

3.1.11 Selección de Resistencias Para la selección de las resistencias que se utilizarán para precalentar el cañón de la máquina extrusora, se realizó el contacto con diversas empresas internacionales y nacionales dentro de la exposición de plásticos más grande del mundo (PLASTI IMAGEN), llevada a cabo en la ciudad de México, donde hicimos contacto con la empresa K-LOR (http://www.k-lor.com.mx), una empresa mexicana. A esta empresa se le comento los requerimientos que deseábamos abarcar con respecto a las resistencias, donde se proporcionaron distintos datos para su selección como fue el diámetro exterior del cañón, la longitud de las resistencias, el voltaje de las mismas y el tipo de terminales de la resistencia. Siendo especialistas en resistencias mini tubulares helicoidales y garantizan la máxima eficiencia en sus procesos, contando con distintos tipos de cierre: Cierre axial, cierre tornillo y una gran variedad de medidas tanto en diámetro como en longitud para las resistencias mini tubulares helicoidales y blindadas. La empresa nos ofreció una solución: Colocar 3 resistencias de banda/abrazadera de 50 mm +0.5 -0.5 por 3 pulgadas de longitud lo que equivale a 76.2 mm, que calentaran el cañón con un wattage máximo de 240V, con una terminal cable/malla de cada lado. En la figura 85 se muestra la resistencia en físico.

Figura 85. Resistencias elegidas, (Empresa K-LOR ).

137

3.1.12 Diseño de cabezal Para el diseño del cabezal se consideran los siguientes cálculos, que se verán reflejados en el dibujo. Primero se obtiene la fuerza que existe en el sistema con la siguiente ecuación: Fuerza existente en el sistema

Esta es la fuerza que se ejercerá en nuestro sistema, ahora se calculó la presión en la salida del cabezal de la siguiente forma: Presión en la salida del cabezal

138

Con la presión calculamos el espesor mínimo que se utilizará en el cabezal: Espesor mínimo del cabezal

Tomando en cuenta que se realizará una cuerda interna o comúnmente llamada hembra al cabezal, el espesor real al cual se maquinara el cabezal es de 6.35 mm, con una cuerda estandarizada de ½” = 12.7 mm, las especificaciones se mostraran en el dibujo del cabezal.

3.1.13 Diseño de boquilla

Para el diseño de la boquilla se consideran los siguientes cálculos, que se verán reflejados en el dibujo. Primero se obtiene la presión en el cuerpo de la boquilla, tomando en cuenta la rosca de ½” que se maquinará a la boquilla, con la siguiente ecuación: Presión en el cuerpo de la boquilla

𝑞

𝑞

𝑞

𝑞

139

Con la presión calculamos el espesor mínimo que se utilizará en el cuerpo de la boquilla: Espesor mínimo del cuerpo de la boquilla

𝑞

𝑞

𝑞

Ahora se calcula la presión y el espesor mínimo en la salida de la boquilla: Presión en la salida de la boquilla

𝑞

𝑞

𝑞

𝑞 Espesor mínimo en la salida de la boquilla

𝑞

𝑞

𝑞

140

3.1.14 Diseño de camisa Para tener un volumen reducido en la camisa y poder reducir rápidamente la temperatura con los ventiladores posteriormente propuestos se diseñó una camisa de una longitud de 600mm de base, una altura de 150mm y una profundidad de 200mm. Obteniendo el volumen tenemos:

La camisa tendrá 18 respiraderos que tendrán una medida de 70mm de largo y un ancho 3.8mm. Las especificaciones de la camisa se determinan en el dibujo de la misma.

3.1.15 Selección de ventiladores

Para la selección del ventilador se tomó en cuenta el volumen de la camisa 18m3 y se seleccionó del catálogo Soler-Palau de ventiladores centrífugos de baja presión, de la página 2. Los 3 ventiladores que se usarán serán del siguiente modelo mostrado en la figura 86. Las especificaciones se muestran en el Anexo 21. Modelo CBM/2-133/046-90W. Potencia de motor (W) 90. Velocidad (r.p.m.) 2100. Condensador 2/400. Intensidad máxima absorbida (A) 0.4. Caudal máxima (m3/h) 260. Temperatura máxima de aire (Cº) -15/+70. Nivel de presión sonora (dB(A)) 58. Peso (Kg) 1.8.

Figura 86. Ventilador, (Catalogo Soler-Palau).

A 61mm B 80mm C 181mm D 175mm E 88mm F 69mm G 100mm H 49mm

141

3.1.16 Diseño del sistema de calandria

3.1.16.1 Calculo de velocidad de salida del material La velocidad de salida del material tratado por una máquina en específico varía apreciablemente con el tamaño de la apertura de la matriz, el diseño del husillo y el tipo de material que se trate. Para calcular la longitud de las formas extruidas es necesario conocer la relación peso/volumen del material en cuestión. Para este cálculo utilizaremos la fórmula que establece Simonds:

L= Centímetros por hora obtenidos. M= cm3/kg del material. Q= kilogramos por hora de producción S= sección de la forma extruida en centímetros cuadrados.

En nuestra máquina extrusora tenemos los siguientes datos:

M= 740.74

⁄

Q= 2.4

⁄

S= Por lo tanto obtenemos que nuestra velocidad de salida:

L= 1810827.76 ⁄

L= 18108.277 ⁄

L= 301.8 ⁄ 3.1.16.2 Calculo del carrete embobinador de hilo al final de la calandria Con este dato calculamos las revoluciones que deberá tener el carrete donde se embobinará el hilo al final de la calandria.

142

Dónde:

= ? v= 301.8 ⁄

r= .20 m

Por lo que las revoluciones necesarias del carrete son:

= 1509 rpm 3.1.16.3 Selección de rodillos

Para la selección de dos rodillos figura (87) guía para la calandria utilizamos el catalogo Rulmeca (págs. 6, 22) para rodillos, en el cual encontramos el rodillo adecuado para la función deseada:

Figura 87. Rodillos, (Catalogo Rulmeca)

El acoplamiento del eje al sistema será con rosca y tuerca como se ve en la figura 88.

Figura 88. Acoplamiento, (Catalogo Rulmeca)

143

Las dimensiones del rodillo guía seleccionado (figura 89) son las siguientes:

d= 15mm

A= 220mm

C= 205mm

B= 200mm

s= 5mm

Ø= 800mm

Figura 89. Dimensiones de rodillos, (Catalogo Rulmeca)

Utilizaremos 2 rodillos de las mismas dimensiones para que el hilo tome su estado termo conformado adecuado.

3.1.16.4 Selección del Tambor guiador de hilo

Seleccionamos un rodillo acomodador de hilo figura 90, el cual se encargará de acomodar adecuadamente el hilo sobre el carrete, las características que posee son las siguientes:

Figura 90. Tambor guiador, (Foto propia)

Longitud: 20cm Diámetro: 20 cm

144

Este rodillo lo seleccionamos realizando una visita a una empresa pequeña que se dedica a la venta de hilos en carrete, para lo que cuenta con maquinaria especial para realizar el proceso de calandria; fue ahí donde obtuvimos las dimensiones y adecuamos su funcionamiento a nuestro diseño. 3.1.16.5 Velocidad angular del tambor acomodador

De acuerdo con la velocidad angular del carrete con D=20 cm, 1509 rpm; la velocidad angular de este rodillo acomodador se calculara de la siguiente forma:

D de carrete= 20cm d de Tambor= 20cm

Rv= 1

Por lo tanto la velocidad angular de este tambor será:

1509 rpm

3.1.16.6 Selección de motor del tambor acomodador

La velocidad angular que requerirá el rodillo acomodador será proporcionada por un motor monofásico de CA figura (91); utilizamos el manual para motores ABB Rulmeca. De la página 25 del manual se obtienen sus características de funcionamiento, y de la página 32 del manual se obtienen sus dimensiones que se muestran en el Anexo (22). Con este motor seleccionado se podrá acoplar directamente el tambor guiador de hilo con cuerda interior de 3/8 in, ya que la rosca también es de 3/8 in.

Figura 91. Motor de tambor guiador, (Manual ABB Rulmeca)

145

3.1.16.7 Selección del Rodillo perforado

Para la selección del tubo figura 92 consideramos los siguientes aspectos:

1. Longitud del rodillo perforado 2. Diámetro mayor del rodillo perforado 3. Diámetro menor del rodillo perforado

De acuerdo con las medidas del tambor guía y la velocidad de salida del material, utilizaremos un tubo de plástico perforado con las siguientes dimensiones:

D= Diámetro mayor del cono

d= diámetro menor del cono

L=Longitud del cono

D= 20 cm.

d= 16.9 cm.

L= 22.5 cm

Figura 92. Rodillo perforado, (Manual ABB Rulmeca)

Para que el carrete gire libremente utilizaremos dos rodamientos de bolas. El diámetro mayor del rodamiento es el que consideraremos importante para la selección. Utilizamos el catalogo SKF de rodamientos y se hizo la selección en la página 306, y las características se muestran en el Anexo 23. Las dimensiones del rodamiento seleccionado son:

D= 17mm

d= 9mm

B= 6mm 3.1.17 Diseño de base El diseño de la base se realizará en forma de mesa, de un material AISI 1020, con dimensiones de 1.75 m, de longitud, un ancho de 0.5 m y una altura de soportes de .80 m. Las especificaciones se mostraran en el dibujo.

146

3.2 Ingeniería de Electrónica y Control 3.2.1 Diseño del Sistema de Control de Temperatura Para el diseño del sistema de control de Temperatura de la máquina extrusora, en primera instancia se deben identificar las entradas y salidas que tendrá el control, si este será multi variable o mono variable. Para nuestro caso podríamos implementar un sistema de entrada mono variable, por las diferentes temperaturas que se deben censar y al mismo tiempo tener varias salidas, siendo estás el accionamiento de ventiladores y resistencias. Lo cual nos obliga a realizar un control en lazo cerrado que comprende el análisis de la dinámica de las resistencias y los termopares (sensores) utilizados, sin olvidar la perturbación que en este caso será la fricción ejercida por el material y el cañón que incrementa la temperatura del mismo, forzando contemplar una retroalimentación donde la corrección será el enfriamiento y disminución de temperatura con el accionamiento de los ventiladores. En la figura 93 se muestra el diagrama en lazo cerrado con las partes críticas del control, a las que se debe describir la dinámica, como es el termopar y la resistencia. Este control es individual para cada par de termopar – resistencia. En el caso del termopar se describe su dinámica gracias a la figura 94 mostrada, donde esta gráfica nos arroga una ganancia lineal y proporcional entre la temperatura y el voltaje.

Figura 93. Control de lazo cerrado con partes críticas del control.

147

Figura 94. Gráfica de la dinámica del termopar.

Al tratar de encontrar la constante de tiempo de las resistencias nos encontramos con una función que describe la dinámica de la resistencia, y nos enfrentamos con un problema ya que esta función descrita en la gráfica mostrada en la figura 95, donde los parámetros de la gráfica son el tiempo y la temperatura en función del voltaje, para obtener la constante de tiempo, es necesario realizar pruebas experimentales con las resistencias que se implementaran en la máquina extrusora.

Figura 95. Gráfica de la dinámica de las resistencias.

T= Constante de Tiempo

63.20%(V(t))

148

Ya que no se tiene el capital para adquirir las resistencias para realizar esas pruebas, se contactó a la empresa K-LOR y se pidió información sobre el control, la respuesta que tuvimos fue la cotización de un sistema de control de temperatura mostrado en la figura 96 relativamente barato, el cual tiene la característica de encender o apagar las resistencias cuando se llegue a la temperatura deseada, esto lo logra midiendo la temperatura en los termopares y la dinámica de las resistencias puesta a prueba a los a los 63.20 % de la capacidad como se muestra en la figura 97, en el Anexo 24 se encuentran diferentes especificaciones de este controlador como sus características eléctricas, su conexión eléctrica y su dibujo. Se tendrá que hacer la compra de 3 controladores, por el hecho que cada controlador está conectado a un termopar y controla solo una resistencia.

Figura 96. Controlador de Temperatura TLK9, con pirómetro.

Figura 97. Control de lazo cerrado con la parte adquirida del controlador TLK9.

Al tomar en cuenta que se optará por esta opción se reduce el control a un control de lazo abierto que solo controla el accionamiento de los ventiladores para reducir la temperatura dentro de la camisa y por ende en el cañón de la máquina extrusora. Este control tendrá el siguiente diagrama de bloques que se muestra en la figura 98 donde se programa un PLC para realizar el juego de swichages necesarios para mantener la temperatura más estable posible en la máquina extrusora.

149

Figura 98. Control de lazo abierto para swichage de ventiladores.

Programa del Control de Temperatura El programa se diseñara en dos tipos de programación, como una función dentro del bloque de función de Simulink de la plataforma de Matlab y en una programación de escalera para el PLC seleccionado.

3.2.2 Selección de PLC El PLC seleccionado fue un PLC Omron (figura 99) diseñado para control flexible, el cual aporta entre otras características su reducido tamaño y la amplia posibilidad de expansión de estos equipos hasta los 100 puntos de entrada y salida, de esta forma se logra cubrir el control de la máquina extrusora ya que está diseñado para pequeñas instalaciones ahorrando espacio y disponiendo de un abanico de posibilidades con varios tipos de PC´s y CPU´s, salida a relevador o transistor, expansores digitales o analógicos.

Figura 99. PLC Omron 10 puntos.

Para nuestra máquina extrusora optaremos por las salidas con relevador para el accionamiento de los ventiladores. Todas las características del PLC se encuentran descritas en el Anexo 25, desde la configuración del sistema, especificaciones, circuito de entrada/salida y periféricos.

150

3.2.3 Selección de Pirómetro La selección de un pirómetro no será necesario realizarla, ya que dentro del controlador TKL9, se encuentra un pirómetro el cual modifica el valor en mili volts que arroja el termopar y lo convierte a valores digitales. 3.2.4 Selección de Termopares Para la selección de los 5 termopares que utilizará la máquina extrusora, se tomara en cuenta las recomendaciones hechas por la empresa K-LOR, donde se nos hizo mención del uso de termopares tipo J con un diámetro de 3/16” y un 1 ¼” de longitud como se muestra en la figura 100 con terminales con forro de malla de 3 metros de extensión.

Figura 100. Termopar tipo J seleccionado. Este termopar nos es útil ya que respeta y está en el margen de las condiciones a las que se verán expuestos en la máquina extrusora, tomando como referencia la temperatura vista en la tabla 16. Los termopares de la máquina extrusora estarán acoplados en unos pozos hechos en el cañón, y serán sostenidos por unas agarraderas en C diseñadas específicamente para el diseño de la máquina extrusora. Estas agarraderas nos podrán ayudar también para sostener la tolva de la extrusora.

Tabla 16. Tabla de selección de tipo de termopar.

1 ¼”

3/16”

COSTOS

Introducción al capítulo.

Se mencionan las cotizaciones hechas a empresas que están inmersas en este ramo de la industria.

Se detalla el costo en el cual se desarrollaría la máquina extrusora.

Y se hace una comparación de ambos costos.

IV

152

4 Costos del Proyecto

A continuación haremos una lista detallada de cada uno de los componentes de la máquina extrusora diseñada para obtener costos reales y determinar si nuestro proyecto de ingeniería es rentable, en base a la comparación con otras máquinas de características similares. Por cada componente enlistaremos los precios obtenidos marcando el que utilizaremos; fueron obtenidos tomando en cuenta nuestras necesidades específicas. En cada lista de componentes encontraremos tres columnas que nos indicaran lo siguiente.

NOMBRE DE EMPRESA PRECIO USD PRECIO MXN

Precios del husillo:

NUODA $ 900.00 $ 10,929.42

LIBRE $ 452.90 $ 9,500.00

LUIGI BANDERA $ 2,304.70 $ 28,000.00

PYDE $ 1,319.56 $ 16,000.00

Seleccionamos el de la empresa “LIBRE” debido a que nos ofrecieron maquinar el husillo con las características especificadas en el plano, garantizando la calidad del trabajo, obteniendo el costo más accesible y siendo una empresa mexicana.

Precios de la tolva:

EUNASA $ 30.00 $ 363.75

JINHU $ 25.00 $ 303.13

Para la tolva solo nos basamos en el mejor precio obtenido ya que es un componente no tan especializado como el husillo.

Precios de motoreductor:

ABB $ 247.41 $ 3,000.00

DAYTON $ 214.42 $ 2,600.00

NORD $ 329.89 $ 4,000.00 La empresa que cumplió mejor con nuestras necesidades fue ABB.

153

Precios de cañón:

ARCELORMITTAL $ 31.50 $ 8023.53

H $ 21.70 $ 6345.52

WUYI $ 42.00 $ 9510.04

El mejor componente encontrado fue en la empresa ARCELORMITTAL, ya que nos ofreció la mejor garantía en el producto solicitado.

Precio de coples:

MUELLER $ 1.48 $ 18.00

TSUBAKI $ 2.47 $ 20.00

La empresa tsubaki fue la elegida debido a que dentro de nuestro proyecto utilizamos su catálogo de coples, en el cual encontramos los componentes con las características que requerimos para el diseño de la máquina extrusora.

Precio de rodamientos:

SKF $ 4.00 $ 48.50

IMKEN $ 3.00 $ 36.37

La empresa SKF fue la elegida debido a que dentro de nuestro proyecto utilizamos su catálogo de rodamientos, en el cual encontramos los componentes con las características que requerimos para el diseño de la máquina extrusora.

Precio de tornillos:

JINJIA 1/4 $ 0.15 $ 1.81

SUDELAN 1/2 $ 0.10 $ 1.21

Para el costo de estos componente no hay mayor problema ya que en el diseño de nuestra máquina los tornillos a utilizar con estandarizados por lo que el costo de estos no es muy elevado.

154

Precio de chumacera:

SKF $ 35.01 $ 424.50

TCT $ 25.00 $ 303.13 La empresa SKF fue la elegida debido a que dentro de nuestro proyecto utilizamos su catálogo de chumaceras, en el cual encontramos los componentes con las características que requerimos para el diseño de la máquina extrusora.

Precio de bridas:

XIN GANG $ 90.00 $ 1,090.12

VALTECH $ 80.00 $ 970.00 La empresa VALTECH nos ofreció el mejor precio garantizando la calidad del producto.

Precio de malla:

XUAN CHENG $ 1.00 $ 12.12 Esta empresa ofrece el tipo de malla que utilizaremos en la máquina extrusora.

Precio de ventiladores:

ROLTEC $ 50.00 $ 606.26

SOLER PALAU $ 48.00 $ 582.01

La empresa Soler Palau nos ofrece los ventiladores seleccionados en el proyecto.

155

A continuación enlistamos los precios de componentes únicos dentro de nuestro proyecto, es decir que fueron seleccionados de una manera en que no podemos realizar una comparación:

Precio de PLC:

OMRON $ 164.94 $ 2,000.00

Precio de controlador electrónico:

TECNOLOGIC $ 81.64 $ 990.00

Precio de termopares tipo J:

K-LOR $ 16.04 $ 195.00

Precio de tambor guía:

XINDA $ 15.00 $ 181.67

Precio de rodillos de caucho:

HONGTAISHENG $ 10.00 $ 121.12

Precio de rodillo perforado para embobinado:

GRUPO ES $ 2.00 $ 24.22

156

Por último realizamos una cotización real de nuestra máquina enlistando cada uno de los gastos que tendríamos que hacer durante el desarrollo del proyecto.

COSTOS DE EXTRUSORA REALES

HUSILLO $9500.00 CAÑON $8023.53 CAMISA $1000.00 TOLVA $303.00 PLATO ROMPEDOR $350.00 CABEZAL $13000.00 BOQUILLA $15000.00 RESISTENCIAS $1645.00 TERMOPARES $975.00 MALLA $12.12 BRIDAS $1940.00 COPLES $40.00 BARRA DE TRANSMISION $50.00 MOTOREDUCTOR $3000.00 CONTROL TLK9 $990.00 PLC $2000.00 CHUMAZERA $424.50 RODAMIENTOS $198.00 RODILLOS DE CAUCHO $242.24 TAMBOR GUIA $1500.00 RODILLO PERDORADO $70.00 MOTOR $1250 RODAMIENTOS PARA CARRETE $195.00 BASE PARA TODA LA MÁQUINA $3000.00 TRANSPORTE $6000.00 LUZ $1500.00 AGUA $2400.00 TELEFONO+INTERNET $4950.00 TELEFONIA CELULAR $2500.00 SOFTWARE $18500.00 TOTAL $100858.39

157

Calcularemos los honorarios tomando como base un 10% de los costos de inversión de la máquina extrusora y considerando el tiempo que se invirtió para lograr el desarrollo del mismo. Inversión total: $ 100,858.30 MXN 10% de inversión total: $ 10,085.80 MXN Con lo cual podemos calcular honorarios mensuales. Ya que el desarrollo del proyecto duró 4 meses, por lo que el costo total de los honorarios será de: Honorarios= $ 10,085.80 MXN X 6 Honorarios = $ 60, 514.8 MXN Después de este cálculo de honorarios, definimos el costo total del proyecto de ingeniería. Costo de Inversión + Honorarios COSTO FINAL DEL PROYECTO DE INGENIERÍA

$ 221,887.99 MXN

158

CONCLUSIONES

Al terminar el desarrollo del proyecto se ha determinado que los objetivos han sido en su mayoría cumplidos; ya que logramos desarrollar una máquina extrusora con la que podremos obtener hilos de PET de un diámetro de 0.5mm, tal como lo planteamos en nuestro objetivo general. También cumplimos con las características máximas que el laboratorio del CIIEMAD requiere de una máquina extrusora, tales como son:

Dimensiones de la máquina 3m X 1m

Volumen de producción 3kg/h

Diámetro de hilo extruido 1mm

Al terminar el diseño de nuestra máquina podemos decir que hemos superado las expectativas del laboratorio, ya que nuestra máquina posee las siguientes características:

Dimensiones de la máquina 1.7 m X .25 m

Volumen de producción 2.4 kg/h

Diámetro de hilo extruido 0.5 mm

Además de añadir un sistema de calandria para acomodar el hilo en un rodillo especial. Se implementó un sistema de control más económico que el solicitado por el laboratorio ofreciendo un mejor rendimiento; ya que este controla por separado la temperatura en las resistencias y el sistema de enfriamiento en base a los ventiladores propuestos. Se diseñó un husillo que cumpliera con las necesidades en base del tipo de sistema de extrusión requerido.

Planos

Anexos

Anexo 1 Dibujo Layout

Anexo 2

Parámetros geométricos del husillo en mm

Diámetro D (mm)

Paso t

Profundidad del canal en la zona de

alimentación, h1 MM

Profundidad del canal en la zona de

extrusión, h2

Anchura de la cresta, e

25 24 2.4 1.2 2.8

32 32 6 1,9 3,8 45 45 8 2,1 5 63 63 9,6 2,4 6,3 90 90 11,2 2,8 9

125 125 13,5 3,2 12 160 160 15 3,7 15

Anexo 3

Tolerancias y

Parámetros geométricos del husillo/cilindro.

Diámetro nominal (mm)

Diámetro del cilindro L/D

Diámetro del husillo

Tolerancia diametral cilindro/husillo

25 25.00+.02/-.00 24.93/24.90 0.06/0.10

30 30.00+.02/-.00 29.93/29.92 0.06/0.10 35 35.00+.02/-.00 34.93/34.91 0.08/0.11 38 38.00+.02/-.00 37.92/37.90 0.08/0.13 40 40.01+.02/-.00 39.93/39.90 0.08/0.13 50 50.01+.02/-.00 49.91/49.89 0.10/0.13 60 59.99+.02/-.00 59.87/59.84 0.13/0.18 65 65.00+.02/-.00 64.87/64.85 0.13/0.18 70 70.00+.02/-.00 69.88/69.85 0.13/0.18 75 75.01+.02/-.00 74.85/74.83 0.15/0.20 80 80.01+.02/-.00 79.84/79.82 0.17/0.20 90 89.99+.05/-.00 89.81/89.79 0.18/0.25

100 100.00+.05/-.00 99.80/99.77 0.20/0.28 105 105.00+.05/-.00 104.80/104.78 0.20/0.28 115 115.01+.05/-.00 114.78/114.76 0.23/0.30 120 119.99+.05/-.00 119.76/11974 0.23/0.30 135 135.00+.05/-.00 134.75/13470 0.25/0.36 150 150.01+.05/-.00 149.71/149.66 0.30/0.41

Tolerancias del husillo

DESCRIPCION DE LA DIMENSION

UNIDADES METRICAS RANGO TOLERANCIAS (mm)

RANGO TOLERANCIA

Principales dimensiones lineales

Hasta 300 +0,25 300-1500 +0,75 1500-3000 +1,00 3000-5000 +1,50 Sobre 5000 +2,25

Ancho del filete

Hasta 12 +0,38 12,25 +0,50 Sobre 25 +0,75

Profundidad del canal

Hasta 2,5 +0,08 2,5-13,0 +0,18 Sobre 13,0 +0,30

Chavetero

Profundidad +0,13

Agujeros

Longitud +0,76

Macho centrador roscado

Longitud +0,4

Tolerancias del cilindro.

DESCRIPCION DE LA DIMENSION

UNIDADES METRICAS RANGO TOLERANCIAS (mm)

RANGO TOLERANCIA

La mayoría de las dimensiones lineales

Hasta 300 +0,25 300-1500 +0,75 1500-3000 +1,00 3000-5000 +1,50 Sobre 5000 +2,25

Longitud del macho centrador

Todos los tamaños

+0,125

Agujeros

0 - 38 +0,025 - 0,000 3 - 75 +0,050 - 0,000 25 - 75 +0,038 - 0,000 75 - 140 +0,051 - 0,000 75 - 140 +0,063 - 0,000 140 -200 +0,076 - 0,000 200 - 315 +0,076 - 0,000 200 - 315 +0,102 - 0,000

Diámetros exteriores

Todos los tamaños y longitudes

+0,102

Diámetros de anchos centradores

todos los tamaños

+0,038

Anexo 4

Materiales para husillo y características y propiedades

MATERIALES BASE PARA EL HUSILLO

ACEPTABILIDAD A CONDICIONES DE DESGASTE DE LA

RESINA

DESIGNACION DEL MATERIAL

TRATAMIENTO

(1)

Rc (2)

FH (3)

ABRASIVO

CORROSIVO (7)

NORMAL

(4)

PROMEDIO

(5)

SEVERA

(6)

MODERADA

SEVERA

Aceros aleados 4140

Endurecido con llama

48 55

no

Aceptable

Mala No

aceptable No

aceptable No

aceptable

4140

Cromado 60

65

si

Buena

Aceptable No aceptable

Buena

No

aceptable

Nitralloy 135-M

Nitrurado 63

70

si

Buena

Aceptable

No aceptable

Mala

No

aceptable

Micromelt 9 (b)

Tratado con calor 54 56

no

Excelente

Excelente

Buena

Aceptable

No

aceptable

CPMM4(a)

Tratado con calor 62 64

no

Excelente

Buena

Aceptable

Mala

No

aceptable CPM 420 (a) Tratado con calor 52

56

no Aceptable Buena No aceptable Buena Mala

Elmax (c) Tratado con calor 57 59

no Buena Aceptable No

aceptable Buena Mala

Custom 450 (b) Endurecido por tiempo

41 42

si

Aceptable

No aceptable

No

aceptable

Buena No

aceptable Aleaciones

especiales Monel K-500 (d)

Endurecido por tiempo

37 39

opt`l

Aceptable

No aceptable No

aceptable

Excelente

Buena

(1) Incluye cromado a 0.003” – 0.005” y nitruración con gas o ion por ciclo de 24 horas.

(2) Dureza rockwell C.

(3) Se requiere endurecimiento de la superficie el filete.

(4) termoplásticos sin refuerzos.

(5) Termoplásticos hasta con 30% de refuerzos.

(6) Termoplásticos con más de 30% de refuerzos.

(7) Moderado incluye celulósicos, acetales y otros que contienen adictivos corrosivos.

(a) Producto de CRUCIBLE MATERIAL CORPORATION.

(b) Producto de UDDEHOLM CORPORATION.

(c) Producto de CARPENTER TECHNOLOGY. (d) Producto de HUNTINGTON ALLOY.

Análisis Químico (Típico) %

C Mn Si Cr Mo P S

0.38 / 0.43

0.75 / 1.00

0.15 / 0.35

0.80 / 1.10

0.15/ 0.25

0.035 máx.

0.040 máx.

Propiedades Mecánicas

(Los valores representados son teóricos más representativos de este grado)

Resistencia a la tensión

(psi)

Límite elástico

(psi)

Elongación en 2"%

Reducción de área %

Dureza Brinell*

Tratado 140,000 90,000 17.8 48.2 302

Recocido 95,000 60,000 25.7 56.9 197

Propiedades físicas

Densidad 0.00135 Kg/cm^3

Tratamiento Térmico

Enfriar al aceite un buen rango de sus propiedades mecánicas se pueden obtener entre los 205ºC (400ºF) y los 705ºC (1300ºF)

PARA ºC ºF

Forjar 980-1205 1800-2200

Recocer: 815-870 1500-1600

Templar: 800-850 1472-1563

Color de identificación:

Aleación: C% 0.4 - Si% 0.3 - Mn% 0.70 - Cr.% 1.1 - Mo% 0.20

Denominación según: AISI 4140 DIN: 41CrMo4 - 42CrMo4 W Böhler 320 No 1.7223–1.7225

Anexo 5

Características del material del husillo y eje (AISI 4140)

1. Descripción: Es un acero medio carbono aleado con cromo y molibdeno de alta templabilidad y buena resistencia a la fatiga, abrasión e impacto. Este acero puede ser nitratado para darle mayor resistencia a la abrasión. Es susceptible al endurecimiento por tratamiento térmico . 2. Normas involucradas: ASTM 322 3. Propiedades mecánicas: Dureza 275 - 320 HB (29 – 34 HRc) Esfuerzo a la fluencia: 690 MPa (100 KSI) Esfuerzo máximo: 900 - 1050 MPa (130 - 152 KSI) Elongación mínima 12% Reducción de área mínima 50% 4. Propiedades físicas: Densidad 7.85 g/cm3 (0.284 lb/in3) 5. Propiedades químicas: 0.38 - 0.43% C 0.75 – 1.00 % Mn 0.80 – 1.10 % Cr 0.15 – 0.25 % Mo 0.15 – 0.35 % Si 0.04 % P máx 0.05 % S máx 6. Usos: Se usa para piñones pequeños, tijeras, tornillo de alta resistencia, espárragos, guías, seguidores de leva, ejes reductores, cinceles. 7. Tratamientos térmicos: Se trata a temperatura entre 830 - 850 °C y se da temple en aceite. El revenido se da por dos horas a 200°C para obtener dureza de 57 HRc y si se da a 315°C la dureza será de 50 HRc. Para recocido se calienta entre 680 – 720°C con dos horas de mantenimiento, luego se enfría a 15°C por hora hasta 600°C y se termina enfriando al aire tranquilo. Para el alivio de tensiones se calienta entre 450 – 650°C y se mantiene entre ½ y 2 horas. Se enfría en el horno hasta 450°C y luego se deja enfriar al aire tranquilo.

Anexo 6

Tabla de Dureza Brinell para hallar el factor superficial

Anexo 7

Factor de sensibilidad a las muescas para los aceros

Anexo 8

Factor de concentración de esfuerzos para un eje con un filete en torsión

Anexo 9

Valores de Kf de chaveteros

Anexo 10

Uniones con chavetas

Diámetro del árbol d, mm

Medida nominal de la chaveta, mm

Medida nominal del chavetero, mm

b × h Chaflán & Profundidad Radio r

máx

min En el

árbol

En el

cubo

máx

min

6 a 8 8 a10

10 a 12

2 × 2

3 × 3 4 × 4

0.25

0.16

1.2 1.8 2.5

1.0 1.4 1.8

0.16

0.08

12 a 17 17 a 22 22 a 30 22 a 30

5 × 5

6 × 6 7 × 7 8 × 7

0.40

0.25

3.0 3.5 4.0 4.0

2.3 2.6 3.3 3.3

0.25

0.15

30 a 38 38 a 44 44 a 50 50 a 58 58 a 65

10 × 8

12 × 8 14 × 9

16 × 10 18 × 11

0.60

0.40

5.0 5.0 5.5 6.0 7.0

3.3 3.3 3.8 4.3 4.4

0.40

0.25

65 a 75 75 a 85 85 a 95

95 a 110 110 a 130

20 × 12

22 × 14 25 × 14 28 × 16 32 × 18

0.80

0.60

7.5 9.0 9.0

10.0 11.0

4.9 5.4 5.4 6.4 7.4

0.60

0.40

130 a 150 150 a 170 170 a 200 200 a 230

36 × 20

40 × 22 45 × 25 50 × 26

1.2

1.00

13.0 13.0 15.0 17.0

8.4 9.4

10.4 11.4

1.0

0.7

Anexo 11

Material de la chaveta

Medidas en mm 1. Campo de aplicación Esta norma sirve para aceros para chavetas brillantes en barra con sección cuadrada, rectangular o rectangular rebajado con las medidas en la tabla de las calidades de acero citadas en la tabla anterior.

Esta norma nos sirve para aceros plano brillante (DIM 174) y aceros cuadrados brillantes (DIM 178). 2. concepto Aceros para chavetas brillantes es un acero transformado en frió, sin arranque de viruta y descascarillado, con superficie relativamente lisa, brillante y exactitud de medidas correspondientemente altas. Está destinada a la fabricación de chavetas y lengüetas de ajuste.

3. Designación Designación de un acero para chavetas con aristas matadas por todos los lados.

Anexo 12

Propiedades del Acero AISI 1020

Anexo 13

Características de los coples

Anexo 14

Rodamiento de rodillos cilíndricos

Anexo 15

Rodamiento de rodillos cónicos

Anexo 16

Chumacera

Anexo 17

Configuraciones estándar para las unidades de repuesto de plato rompedor

Anexo 18

Especificaciones de Brida delantera

Anexo 19

Especificaciones de Brida trasera

Anexo 20

Especificaciones de Tornillos

Anexo 21

Especificaciones de Ventilador

Anexo 22

Especificaciones de Motor

Anexo 23

Selección de rodamientos para rodillo perforado

Anexo 24

Especificaciones del Control TLK9

Características Eléctricas

Anexo 25

Especificaciones del PLC Omron

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