DISEO Y CONSTRUCCIN DE UN PROTOTIPO EXPERIMENTAL DE UNA MQUINA PER

Diseo y Construccin de un Prototipo Experimental de una Mquina Perforadora de Botellas de PET para la Empresa NEUMAC S.A.Elaborado por:Carla Nathaly Villacs

Noviembre de 2014

INTRODUCCIN

Problemas en las prensas de NEUMAC S.A.Importancia para la industria ecuatoriana y empresas recicladoras.Impulso del reciclaje.

Insuficiente potencia de la prensa.Sobre-esfuerzo en el sistema hidrulico.Fardos de menor peso.Mayor tiempo utilizado en la compactacin.

2OBJETIVOSObjetivo General: Disear y construir un prototipo experimental de una mquina perforadora de botellas de PET para la empresa NEUMAC S.A.

Objetivos Especficos:Establecer parmetros de diseo.Plantear alternativas y escoger la que cumpla con ms requerimientos.Seleccionar materiales y simularlos en 3D.Validar el prototipo.MTODOS DE RECICLAJE DE PETReciclado mecnico: Cambio fsicoReciclado mecnico convencionalProcesos de descontaminacin o sper-limpieza: Tratamiento trmico, tratamiento qumico/fsico, extraccin con disolventes.Reciclado qumico: Cambio qumico.Reciclado energtico

Etapas de la metanlisis

Reciclado energticoCOMPACTACIN DE BOTELLAS DE PETCompactado manual.Mquina de compactado individual.Utilizar elementos pesados para compactar.Prensa para producir fardos.

Prensa verticalPrensa horizontalMencionar los problemas asociados a la compactacin: Sobre esfuerzo del sistema hidrulico.Residuos internos en las botellas.Compresin repetitiva.Aplanamiento parcial de botellas.Rompimiento de seguros de fardos.

5PERFORACIN DE BOTELLAS DE PET: MQUINAS PERFORADORASECUACIONES DE DISEO DE RODILLOSClculo de momento con fuerzas tangencial y normal:

Teora de laminado plano:

ECUACIONES DE DISEO DE CUCHILLAS Y PUNTASFractura rpida:

Fuerza especfica de corte:

Troquelado o matricera:

Condicin para no resbalamiento:

ESTRUCTURA FUNCIONAL Y MDULOS

El prototipo tendr una tolva de alimentacin, por la cual ingresarn las botellas de PET; no se contar con ningn mecanismo de arrastre para las mismas hacia el mecanismo de perforado, ya que se utilizar la gravedad como ventaja. Para la perforacin se utilizarn rodillos con dispositivos de corte y motores que los impulsen. Para la descarga del producto final tampoco ser necesaria la incorporacin de algn dispositivo extra, y las botellas caern a una banda transportadora que las movilizar hasta su destino. Todo el sistema de perforado estar soportado en una estructura robusta.Para iniciar el proceso, el operador deber aplastar el botn de encendido, y de la misma manera, si quiere que la mquina se detenga, aplastar el botn de apagado. Durante el perforado se liberar energa en forma de sonido, vibraciones, calor, u otros; lo cual se debe considerar en el diseo. El mdulo de transporte no forma parte del prototipo, sin embargo fue incluido en la estructura funcional para recalcar que las botellas no deben acumularse al salir del perforado, y as evitar problemas de atascamiento o accidentes. Lo nico que se considerar en este mdulo es el ancho de la parte inferior de la estructura, que debe permitir el paso de una banda transportadora.

Mencionar la capacidad del prototipo: 28800 botellas/hora y en qu se bas: 2 fardos de PET de 250 kg cada uno cada hora.Seguridad del operador: botn de emergencia. Las botellas ingresarn con tapa y etiqueta, pero por la separacin entre rodillos no se van a perforar.Costo menor a 20000.9ESQUEMA DEL PROTOTIPO

FUERZA DE PERFORADOTeoraEcuacin/ValorFractura rpidaPunzonado/MatriceraVelocidad especfica de corteDatos insuficientesProyectos anterioresFperf = 229 NExperimental: Punzn de 30 Fperf = 72 N

Punzn de prueba

Prueba de perforado

FUERZA DE COMPACTADOTeoraEspesor finalEcuacin/ValorLaminado plano40 mmProyectos anteriores (Sandoval y Ushia, 2011)DesconocidoFrod = 1521 NProyectos anteriores (Medina, 2012)10 mmFrod = 5000 N (tapa)Experimental40 mmFrod = 100N

DISEO DEL RODILLODescripcinEcuacin/ValorPunto de anlisisGMomentos generadosFactores de concentracinde esfuerzo (8 agujeros)Resistencia a la fatigaEsfuerzos medios yalternantesEsfuerzos de Von MisesFactor de seguridad a fatiga

La velocidad mnima de giro es de 140 rpm, basada en el ingreso de una botella en sentido horizontal. El radio mnimo de rodillo con la condicin de no resbalamiento es de 16 mm.13DISEO DE PUNTAS PERFORADORAS

DescripcinValorSoldaduraMaterial basePunto de anlisisUninEmpotramientoMomentos generadosM = 1584 N.mFactores de concentracinde esfuerzo (soldadura)Kfs = 2Kf = 1Kfs = 1Resistencia a la fatigaEsfuerzos medios y alternantesCortantes primarios

Cortantes secundarios

Esfuerzos de Von MisesFactor de seguridad a fatiga

POTENCIA DEL MOTORDescripcin / EcuacinValor, W140 rpm120 rpmPotencia nominal1009,54865,32Potencia necesaria

1201,831030,14Potencia del sistema

2403,672060,29

Mencionar proceso de seleccin de sprockets y engranes15ELEMENTOS RESTANTESElementoCriterio utilizadoFactor de seguridada fatigaSoldadura del conjunto tapa soporteGerber24,04Soporte de tapaSoderberg34,14Pernos de tapasSoderberg1,78Soldadura de placas para remocin de botellas atascadasGerber30,2Placas para remocin de botellas atascadasSoderberg30,05Pernos de placas baseSoderberg1,96

Fuerzas en conjunto tapa-soporteFuerzas en topes lateralesFACTORES DE SEGURIDAD OBTENIDOS EN SIMULACINElementoFactor de seguridadmnimo obtenido en simulacinObservacionesRodillo15Diseo satisfactorioPunta perforadora4,55Diseo satisfactorioEje a de rodillo conductor2,42Diseo satisfactorioEje d de rodillo conductor (asiento de rodamiento)15Diseo satisfactorioSoporte de tapa15Diseo satisfactorioTapa15Diseo satisfactorioPernos de tapas1,39Diseo satisfactorioPlacas para remocin de botellas atascadas10,68Diseo satisfactorioPernos de placas base1,62Diseo satisfactorioCaja de perforado4,76Diseo satisfactorioEstructura13,05Diseo satisfactorioIMGENES DE LAS SIMULACIONES

Factor de seguridad de EstructuraFactor de seguridad de caja perforadoraVentana de resultados de engranesVentana de resultados de sprocketsNo olvidar mencionar los componentes elctricos: Contactor que soporte 18 A en corriente alterna y 32 A en corriente continua.Pulsador verde para encender la mquina.Pulsador rojo para apagar la mquina.Botn de emergencia tipo hongo.Luces indicadoras verde y roja.Cables elctricos de 40 A para los circuitos de potencia, y de 20 A para los circuitos de control.

18SIMULACIN CONJUNTO COMPLETO

CONSTRUCCIN DEL PROTOTIPO

Tolva de alimentacinEjes de rodillosTopes lateralesConjunto tapa-soportePunta perforadoraRodillos con puntas y cubos de soporte de tapasPlacas de caja de perforadoEstructura soldadaElementos de transmisin de potenciaMONTAJE Y PINTADO DEL PROTOTIPO

Rodillos con ejes y tapasPrototipo pintado

Elementos de transmisin de potenciaCaja perforadoraCaja de control elctricoVALIDACIN DE RESULTADOSDescripcinUnidadValorrequeridoValorrealError%Velocidad angular del motorrpm49,5513Velocidad angular de los rodillosrpm1211231,7Potencia a plena cargakW2,202,114,1Potencia mximakW2,202,200Par de torsin a plena cargaN.m176,31163,767,1Capacidadbotellas/hora2880061204112,5Porcentaje de botellas perforadas%1001000No olvidar mencionar el nmero de agujeros mnimo por botella, que es de 2, y el promedio, que es de 5.22PRESUPUESTO DE INVERSINOrdDescripcinValor Total[USD]1Materiales directos$ 2,637.832Materiales indirectos$ 266.153Maquinados externos a la empresa$ 847.614Mano de obra directa$ 1,673.975Mano de obra indirecta$ 1,437.736Mantenimiento de maquinaria y equipo$ 680.007Sueldos y salarios$ 2,960.008Insumos de oficina$ 15.009Insumos de limpieza$ 15.9910Servicios bsicos$ 1174.9011Montaje y puesta a punto$ 346.1012Combustible$ 240.0013Mantenimiento de vehculo$ 63.0014Imprevistos$ 100.00Total presupuesto de inversin (USD)$ 12,458.28ANLISIS ECONMICO Y FINANCIEROOrdDescripcinValor mensual[USD]1Costos directos$ 10,378.272Costos indirectos$ 1,377.553Imprevistos$ 500.00Total costo mensual de operacin$ 12,255.82OrdDescripcinUnidadCantValorUnitario[USD]ValorDiario[USD]ValorMensual[USD]1Botellascompactadasfardo4 $ 225.00 $ 900.00 $ 18,000.00 Total ingresos generados al producir 4 pacas adicionales $ 18,000.00 DescripcinValor aceptableValor obtenidoTIR> 15 %371 %VAN>0$ 160,605.72Perodo de recuperacin de la inversin---3 meses 5 dasRelacin beneficio/costo>11,44CONCLUSIONESPrototipo funcional y cumple la mayora de parmetros de diseo.Alternativa seleccionada no fue la ptima, pero cumpli todos los requerimientos planteados por el cliente.Elementos con materiales asequibles en el mercado y con factores de seguridad superiores a 2.Capacidad del prototipo: 61204 botellas/hora. Aproximadamente el doble de la capacidad requerida. Permite tiempos de descanso para el operador.CONCLUSIONESConsumo de potencia: 2,1 kW. Par de torsin: 163,76 N.m.Inversin total: $12,500. Menor a $20,000.Configuracin propuesta de puntas es favorable.Incorporar puntas a una superficie lisa permite que el material sea atrapado.Los elementos son capaces de soportar una sobrecarga inicial cuando el prototipo arranca con la tolva llena. La potencia mxima es de 2.2 kW.26RECOMENDACIONESIncorporar elementos perforadores reemplazables.Analizar ventajas econmicas al poner puntas reemplazables. Buscar materiales que no sean reciclados.Utilizar materiales para troquelera para los elementos sometidos a impacto. Fabricar los ejes en una sola pieza.Disminuir velocidad de rotacin de rodillos para reducir rebote de botellas.RECOMENDACIONESReducir costo al adquirir motor de 3 HP a 120 rpm y hacer uso de un acople directo flexible.Mantener configuracin de puntas alrededor del rodillo y aumentar longitud de los cilindros para conservar capacidad.Tomar capacidad terica como 100% de capacidad real.No arrancar mquina con carga.Implementar ms seguridades para el operador.GRACIAS