INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD AZCAPOTZALCO
Proyecto de máquina extrusora, para creación de hilos de Poli Etilén Tereftalato.
TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN ROBÓTICA INDUSTRIAL PRESENTA:
Suárez Romero José David
DIRIGIDA POR:
Ing. Felipe de Jesús García Monroy M. en C. Ricardo Cortez Olivera
MÉXICO, D.F ENERO 2015
i
ÍNDICE Índice Resumen Título Objetivo General Objetivos Específicos Objetivos Particulares Productos Esperados Justificación Agradecimientos
ii xi xii xii xii xii xiii xiii xiv
I. ESTADO DEL ARTE 1.1 Contexto Histórico 1.1.1 Historia del plástico 1.1.2 El apogeo del plástico 1.1.3 La expansión del plástico 1.1.4 Historia de la extrusión
1 2 2 3 3 4
II. ANÁLISIS DEL SISTEMA 2.1 Contexto Tecnológico 2.1.1 Marco Teórico del PET 2.1.1.1 Características Particulares 2.1.1.2 Propiedades físicas, mecánicas, térmicas y químicas del PET 2.1.1.2.1 Propiedades del Plásticos PET Virgen 2.1.1.2.2 Propiedades Eléctricas 2.1.1.2.3 Propiedades Físicas 2.1.1.2.4 Propiedades Mecánicas 2.1.1.2.5 Propiedades Térmicas 2.1.1.2.6 Propiedades Químicas 2.1.1.3 Tipos de Plásticos PET 2.1.1.4 Propiedades del Plástico PET Reciclado (RPET) 2.1.1.5 Peso molecular y viscosidad del PET 2.1.1.6 Retención de Viscosidad Intrínseca 2.1.1.7 Generación Mínima de Acetaldehído 2.1.1.8 Transparencia Máxima de la Preforma 2.1.1.9 Reometría y Reología
8 9 9 10 11 11 11 12 13 13 14 14 15 16 16 17 18 20
2.1.2 Marco Teórico del Proceso de Extrusión 2.1.2.1 Moldeo por extrusión en húmedo 2.1.2.2 Moldeo por extrusión en seco, continuo o caliente 2.1.2.3 Defectos generados en el proceso de extrusión
21 22 22 22 ii
2.1.2.4 Tipos de extrusoras 2.1.2.4.1 Extrusoras de desplazamiento positivo 2.1.2.4.2 Extrusoras de pistón 2.1.2.4.3 Bombas de extrusión 2.1.2.4.4 Extrusoras de fricción viscosa 2.1.2.4.5 Extrusora de tornillo 2.1.2.4.6 Extrusoras de tambor rotatorio 2.1.2.4.7 Extrusora de rodillos 2.1.2.5 Descripción del funcionamiento de una extrusora 2.1.2.5.1 Transporte de sólidos (zona de alimentación)
24 24 24 25 25 25 26 26 27 27
2.1.2.5.1.1 Transporte de sólidos en la tolva 2.1.2.5.1.2 Transporte de sólidos en el cilindro 2.1.2.5.2 Fusión (zona de transición) 2.1.2.5.3 Transporte del fundido (zona de dosificado) 2.1.2.5.4 Mezclado 2.1.2.5.5 Desgasificado 2.1.2.5.6 Conformado 2.1.2.5.7 Tensionado 2.1.2.5.8 Relajación 2.1.2.5.9 Enfriamiento
27 28 28 31 36 36 37 37 38 38
2.2 Cimientos del Proyecto 2.2.1 Fundamento 2.2.1.1 Análisis FORD
39 39 39
2.2.1.1.1 Fortalezas 2.2.1.1.2 Oportunidades 2.2.1.1.3 Restricciones 2.2.1.1.4 Debilidades 2.2.2 Conocimiento de Soporte del Proyecto 2.2.2.1 Conocimientos previamente adquiridos para el diseño mecánico 2.2.2.2 Conocimientos previamente adquiridos para el diseño eléctrico 2.2.2.3 Conocimientos previamente adquiridos para el diseño controlelectrónico 2.2.3 Argumentos 2.2.3.1 Argumentos importantes a considerar para el diseño de la máquina extrusora 2.2.3.2 Descripción de Argumentos 2.2.4 Requisitos (Q.F.D)
40 40 40 40 41 41 41
2.2.4.1 2.2.4.2 Ponderación Ponderación de de criterios criterios en en base base aa problemáticas propiedades del PET 2.2.4.3 Ponderación de criterios en base a soluciones del diseño de la máquina extrusora
41 42 42 42 44 44 45 46
iii
2.3 Diseño del Nuevo Sistema 2.3.1 Ingeniería General del Proceso de Extrusión 2.3.1.1 Capacidad del extrusor 2.3.2.2 Diagrama de proceso 2.3.2.3 Ciclo de Trabajo
47 47 47 48 48
2.3.2 Diseño del Sistema Mecánico 2.3.2.1 Propuesta de análisis de partes mecánico 2.3.2.2 Husillo 2.3.2.2.1 El tornillo a diseñar tiene tres zonas
49 49 49 51
2.3.2.2.1.1 Sección de alimentación 2.3.2.2.1.2 Sección de transición 2.3.2.2.1.3 Sección de dosificación 2.3.2.3 Barril 2.3.2.4 Cabezal 2.3.2.4.1 Filtros de extrusión 2.3.2.4.2 Dados 2.3.2.5 Cilindro ranurado para encarretado del hilo obtenido. 2.3.2.5.1 Rodillos guía para el hilo 2.3.2.6 Tolva 2.3.2.7 Rodamientos para Husillo 2.3.2.7.1 Rodamientos cilíndricos 2.3.2.7.2 Rodamientos cónicos 2.3.2.7 Motoreductor
51 51 51 52 53 54 56 57 58 58 59 59 60 60
2.3.2.8 Camisa
61
2.3.3 Diseño del Sistema Eléctrico 2.3.3.1 Motor-reductor 2.3.3.2 Motor Eléctrico 2.3.3.3 Resistencias eléctricas 2.3.3.4 Termopares
62 62 63 64 67
2.3.4 Diseño del Sistema Electrónico – Control 2.3.4.1 Pirómetro 2.3.4.2 PLC
68 68 68
2.4 Contexto Normativo 2.4.1 Instalaciones Eléctricas
70 70
2.4.2 Seguridad de máquinas en centros de trabajo 2.4.3 Diseño de máquinas seguras con normativa europea 2.4.4 Normativa europea de seguridad de máquina
71 71 72
iv
2.5 Concepto Ganador 2.5.1 Extrusora 2.5.2 Sistema de embobinado/hilado
73 74 75
III. INGENIERÍA DE DISEÑO Y CÁLCULOS 3.1 Ingeniería de Diseño Mecánico y Eléctrico 3.1.1 Husillo 3.1.1.1 Parámetros tecnológicos 3.1.1.2 Relación de longitud del husillo 3.1.1.3 Holgura y Tolerancias del tornillo/cilindro
76 77 77 77 79 79
3.1.1.4 Zonas del husillo y sus longitudes 3.1.1.5 Cálculo del número de filetes del husillo 3.1.1.6 Intervalos de velocidad de cortadura 3.1.1.7 Viscosidad efectiva 3.1.1.8 Producción del Tornillo 3.1.1.8.1 Volumen unitario del flujo de arrastre o de fricción (QD ó ) 3.1.1.8.2 Volumen unitario del flujo de presión (QP ó ) 3.1.1.8.3 Volumen unitario del flujo de filtración (QL ó ) 3.1.1.8.4 Constante total de la cabeza K 3.1.1.9 Relación de compresión 3.1.1.10 Cálculo de la potencia requerida 3.1.1.11 Presiones en la máquina extrusora 3.1.1.12 Selección de material para el husillo 3.1.1.13 Peso del husillo 3.1.1.13 .1 Volumen del alma del husillo en cada sección 3.1.1.13.2 Volumen de los filetes en cada zona 3.1.1.14 Cálculo de fuerzas del husillo 3.1.1.15 Diseño del muñón 3.1.1.16 Diseño de la chaveta 3.1.2 Diseño/Selección de Cañón 3.1.2.1 Calculo del espesor mínimo del Cañón 3.1.2.2 Especificaciones del diseño del Cañón 3.1.3 Diseño de Tolva 3.1.3.1 Calculo del peso de la hojuela de PET 3.1.3.2 Dimensiones de la Tolva 3.1.3.3 Calculo de volúmenes y volumen total de la Tolva 3.1.3.4 Calculo de la cantidad de hojuelas dentro de la tolva 3.1.3.5 Calculo de kilogramos en la tolva 3.1.4 Selección de Motor-reductor para máquina 3.1.5 Selección de Coples 3.1.6 Selección de rodamientos 3.1.7 Selección de chumacera
80 81 81 81 84 85 85 86 86 90 91 93 98 98 99 100 104 115 120 122 123 124 125 125 126 126 127 128 128 130 131 131
v
3.1.8 Selección de plato rompedor 3.1.9 Selección de malla 3.1.10 Selección de Bridas para Cañón 3.1.10.1 Selección de Brida delantera 3.1.10.2 Selección de Brida trasera 3.1.10.3 Selección de Tornillos 3.1.11 Selección de Resistencias 3.1.12 Diseño de cabezal 3.1.13 Diseño de boquilla 3.1.14 Diseño de camisa
132 132 134 134 135 135 136 137 138 140
3.1.15 Selección de ventiladores 3.1.16 Diseño del sistema de calandria 3.1.16.1 Calculo de velocidad de salida del material 3.1.16.2 Calculo del carrete embobinador de hilo al final de la calandria 3.1.16.3 Selección de rodillos 3.1.16.4 Selección del Tambor guiador de hilo 3.1.16.5 Velocidad angular del tambor acomodador 3.1.16.6 Selección de motor de tambor acomodador 3.1.16.7 Selección del Rodillo perforado 3.1.17 Diseño de base
140 141 141 141 142 143 144 144 145 145
3.2 Ingeniería de Electrónica y Control 3.2.1 Diseño del Sistema de Control de Temperatura 3.2.2 Selección de PLC
146 146 149
3.2.3 Selección de Pirómetro 3.2.4 Selección de Termopares
150 150
IV COSTOS 4 Costos del Proyecto
151 152
V Concu siones
158
Planos Anexos Bib liog rafías y Referenc ias Electr ónicas
159 190 226
vi
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Máquina manual para hacer pasta. Figura 2 Máquina productora de cereales. Figura 3 Máquina extrusora antigua de doble husillo. Figura 4 Máquina extrusora husillo simple. Figura 5 Máquina extrusora de nueva generación. Figura 6 Máquina extrusora de doble husillo. Figura 7 Esterificación del PET. Figura 8 Policondensación del PET. Figura 9 Reacción Química de polietilentereftalato. Figura 10 Efecto del acetaldehído (ppm) vs el tiempo de residencia (hrs).
4
Figura 11 Acetaldehído residual (ppm) vs temperatura (C°). Figura 12 Efecto de la velocidad del husillo (rpm) vs acetaldehído residual (ppm). Figura 13 Comportamiento del PET en las diferentes zonas térmicas. Figura 14 Máquina extrusora de plásticos JYM. Figura 15 Fractura de la fusión, causada por flujo turbulento en la fusión a través de una aguda reducción a la entrada del dado. 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. Figura 17 Formación del tallo de bambú. Figura 18 Esquema de una extrusora de un tornillo. Figura 19 Flujo del material en una tolva de alimentación. Figura 20 Corte transversal de la extrusora en la zona de transición Figura 21 Ancho del pozo de fundido a lo largo de la zona de transición. Figura 22 Relación entre la longitud de fusión y la temperatura del cilindro para una velocidad del tornillo constante. Figura 23 Efecto del ángulo de hélice y del número de filetes sobre la longitud de fusión.
18 18 19 21
Figura 24 Perfil de velocidades srcinado por el flujo de arrastre. Figura 25 Perfil de velocidades debido al flujo de presión. Figura 26 Perfil de velocidades debido al flujo total Figura 27 Canal del tornillo en descarga abierta. Figura 28 Limitación del flujo en la boquilla. Figura 29 Canal con flujo transversal. Figura 30 Flujo de recirculación en el canal del tornillo. Figura 31 Extrusora con sección de desgasificación. Figura 32 Hinchamiento debido a la relajación de un material de sección cuadrada. Figura 33 Contracción debida al enfriamiento de un material de sección cuadrada. Figura 34 Dimensiones del laboratorio a escala. (CIIEMAD). Figura 35 Ponderación de criterios en base a problemática. Figura 36 Ponderación de criterios en base a propiedades del PET. Figura 37 Ponderación de criterios en base a soluciones del diseño de la máquina extrusora. Figura 38 Proceso de extrusión.
32 33 33 34 35 35 35 37 38 38 42 44 45 46 48
Figura 39 Husillo para extrusión, punta plana. Figura 40 Relación L/D, husillo de extrusión. Figura 41 Husillo con aleación y te2rminado. Figura 42 Pendiente de la sección de transición. Figura 43 Diseño del Tornillo.
49 50 50 51 51
5 5 6
7 7 9 9 10 17
23 23 24 25 27 28 29 30 31
vii
Figura 44 Ejemplo de Barril. Figura 45 Cabezal del extrusor Figura 46 Plato Rompedora, ¨Breaker Plate¨ Figura 47 Mallas, ¨Screen-Pack¨ Figura 48 Plato rompedor con mallas. Figura 49 Dado de forma tronco-cónico. Figura 50 Cilindro ranurado. Figura 51 Rodillos guía. Figura 52 Vistas de Tolvas. Figura 53 Gorro chino. Figura 54 Rodamientos cilíndricos.
53 53 54 55 55 56 57 58 59 59 60
Figura 55 Rodamientos cónico. Figura 56 Camisa. Figura 57 Engranaje de Motoreductor, (Catalogo RAISA). Figura 58 Partes de Motoreductor, (Catalogo RAISA). Figura 59 Motor Eléctrico Figura 60 Flujo en una resistencia Figura 61 Resistencias tipo abrazadera Figura 62 Resistencias eléctricas, (Fotografía propia). Figura 63 Termopares Figura 64 Pirómetros Figura 65 PLC Figura 66. Sección de un cilindro con husillo de un canal. Vista general. Figura 67. Zonas del husillo. Figura 68. Intervalos de velocidad de cortadura Figura 69. Intervalos de viscosidad efectiva con respecto a temperatura y velocidad de cortadura.
60 61 62 63 64 65 65 66 67 68 69 78 80 82 83
Figura 70. Diagrama de velocidad de flujo. Figura 71. Triángulo rectángulo para hallar la longitud del filete. Figura 72. Sección rectangular del filete Figura 73. Sección del filete en la zona cónica. Figura 74. Diagrama de fuerzas de un husillo. Figura 75. Diseño de Muñón. Figura 76. Medida nominal de la chaveta en mm. Figura 77. Calculo de cañón (espesor).MdSolids. Figura 78. Tolva, (Diseño propio). Figura 79. Motorreductor, Modelo SK 1SM 63 – 90S/4. (Catalogo NORD). Figura 80. Coples (Catalogo Tsubaki). Figura 81. Áreas abiertas. (Catalogo en línea SFR Tooling). Figura 82. Malla seleccionada (Catalogo en línea AMBICA). Figura 83. Tipos de Brida, (Manual Tulsa Oklahoma). Figura 84. Brida Socket Weld, (Manual Valtech).
84 100 101 102 105 115 121 123 126 129 126 132 133 134 135
Figura 85. Resistencias elegidas, (Empresa K-LOR ). Figura 86. Ventilador, (Catalogo Soler-Palau). Figura 87. Rodillos, (Catalogo Rulmeca) Figura 88. Acoplamiento, (Catalogo Rulmeca) Figura 89. Dimensiones de rodillos, (Catalogo Rulmeca)
136 140 142 142 143
viii
Figura 90. Tambor guiador, (Foto propia) Figura 91. Motor de tambor guiador, (Manual ABB Rulmeca) Figura 92. Rodillo perforado, (Manual ABB Rulmeca) Figura 93. Control de lazo cerrado con partes críticas del control. Figura 94. Gráfica de la dinámica del termopar. Figura 95. Gráfica de la dinámica de las resistencias. Figura 96. Controlador de Temperatura TLK9, con pirómetro. Figura 97. Control de lazo cerrado con la parte adquirida del controlador TLK9. Figura 98. Control de lazo abierto para swichage de ventiladores. Figura 99. PLC Omron 10 puntos. Figura 100. Termopar tipo J seleccionado.
143 144 145 146 147 147 148 148 149 149 150
ix
ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Tabla de Propiedades Eléctricas. Tabla 2 Tabla de Propiedades Físicas. Tabla 3 Tabla de Propiedades Mecánicas. Tabla 4 Tabla de Propiedades Térmicas. Tabla 5 Tabla de Propiedades Químicas. Tabla 6 Valores de Viscosidad Intrínseca típicos para diferentes aplicaciones. Tabla 7 Tabla explicativa del procedimiento de extrusión. Tabla 8 Estudio FORD Tabla 9 Problemáticas y su clasificación Tabla 10 Tamaño de extrusora por el diámetro del husillo
11 11 12 12 13 15 26 39 42 47
Tabla 11 Descripción del proceso de extrusión Tabla 12 Espacios típicos entre el tornillo y el barril en función del tamaño del tornillo Tabla 13 Revoluciones y Potencias requeridas para el diseño de la máquina extrusora. Tabla 14. Especificaciones Estándar de Patrón de Agujeros(Catalogo en línea SFR Tooling). Tabla 15. Especificaciones estándares de Malla para Extrusora Agujeros (Catalogo en línea AMBICA). Tabla 16. Tabla de selección de tipo de termopar.
48 52 115 132 133 150
ÍNDICE DE GRÁFICAS Gráfica 1. Gráfica de Variación de Caudal de la Máquina Extrusora con respecto a las rpm del husillo. Grafica 2. Gráfica de Variación de la Potencia Requerida del husillo en HP. Grafica 3. Gráfica de Variación de la Presión máxima en la extrusora. Grafica 4. Gráfica de Variación de la Presión de operación en la extrusora. Grafica 5. Gráfica de Variación de la Fuerza axial en el husillo. Grafica 7. 6. Gráfica Gráfica de de Variación Variación en de la la Solidez Tensióndel normal del husillo. Grafica husillo.
90 93 95 97 109 112 114
x
Resumen. – La forma más común de fundir el PET 1, 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 PET 1, 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.
1
Poli Etilén Tereftalato ó Tereftalato de polietileno
xi
Título Proyecto de máquina extrusora, para creación de hilos de Poli Etilén Tereftalato. Objetivo General Diseñar una máquina extrusora generadora de hilos de PET 1, 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 2
3
para de un laboratorio de investigación, dentro del CIIEMAD del IPN , 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 PET 1, 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 PET 1, 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.
Capítulo
I 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.
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 Histo ria d el p lást ic o “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 fenolformaldehído, 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).
2
1.1.2 El ap o geo del p lást ic o
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 queen se ese abreperíodo hacia 1930 y va hastadonde mediados delalosmayor 40 constituye del plástico". Es precisamente surge cantidad "el deapogeo materiales plásticos que se conocen hoy en día. En 1940 Du Pont presenta el poliacrilonitrilo (PAN), y Wh itfie ld y Dickson sintetiz an el po li etilen t erefta lato (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 con de suma plastificantes ablandan facilidad. (derivados de un ácido del petróleo), sustancia que se 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 ex pan sión del plástic o
A partir del fin de la Segunda Guerra Mundial (1939 - 1945) se produce una expansión formidable de la industriapasando de los plásticos. el Reinoanuales Unido, aentre 1950 1961 se cuadruplica la producción de 150 milEn toneladas 600 mil de ymateriales plásticos.
3
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 Histor ia de la extru sión
icialmente el “La extrusión se ha empleado industrialmente durante los últimos 50 años. In 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.
4
• 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.
5
úa de • En 1930 se desarrolló el primer extrusor de husillo único para la producción contin 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. da para • Entre 1950 y 1960 se desarrollan las primeras instalaciones de comida extrusiona animales, basada en producto de base almidón gelatinizado. -prensado de semillas • En 1951 Anderson Company desarrolla un sistema de pre 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-cookingextruder-pe99982_2.jpg)
• Entre 1960 y 1970 aparecen los primeros sistemas de cocción y conformado en continuo
para la obtención de cereales RTE,(texturized pet foodsplant de humedad en almidón pre-gelatinizado y TPP proteins).intermedia, cereales basados
6
, figura 5. • En 1970 nuevas generaciones de extrusores de simple y doble husillo
5 Máquina extrusora de nueva generación.
Figura
(http://www.directindustry.es/prod/erema-engineering-recycling-maschinen-und-anlagen-gmbh/extrusoras-deun-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. 7
Capítulo
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.
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 )
9
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 Ch amizo 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 Caract eríst ic as Part ic u lares
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 10
2.1.1.2 Pr o p ied ad es físi cas , m ec án ic as, t é rm ic as y q u ím ic as d el P ET
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 conocido como película estabilizada térmicamente quemejor se utiliza para capacitores, cintas orientada musicales biaxialmente y de video. y 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 srcina 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 Prop iedad es d el Plástic os PET Virg en
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 Pro p ied ad es El é ct ri ca s
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.
11
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 Pr o p ied ad es Físi cas
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.
12
2.1.1. 2.4 Pro p ied ades Mec án icas
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 tracción 1, 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, posteriormente, visualizar el desplazamiento entre planos, hecho fundamental en una yposible 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 Pro p ied ad es T é rm ic as
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).
13
2.1.1. 2.6 Pro p ied ades Qu ím ic as
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 Tip o s d e Plást ico s PET
En general da esté plástico, dependiendo de las de los elementos que lo constituyen, lugar a cuatro diferentes usos, así proporciones 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.
14
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 elmaterial 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 Pro pi edad es d el Plástic o PET Recicl ado (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.
15
2.1.1.5 Pe so m olecu lar y visco sidad 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 Reten ción de Visc os idad Intríns eca
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.
16
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 Gen era ci ón M ín im a de A cet ald eh ído
El acetaldehído genera en pequeñas cantidades durante el proceso de fusión de PET; la(CH3CHO) cantidad dese 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.
Efecto del acetaldehído (ppm) vs el tiempo de residencia (hrs). (http://www.st-1.com.ar, Automatismo Industrial, Información del PET).
Figura 10
17
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.
Efecto de la velocidad del husillo (rpm) vs acetaldehído residual (ppm). (Http://www.st-1.com.ar, Automatismo Industrial, Información del PET).
Figura 12
2.1 .1. 8 Trans paren cia Máxim a d e la Prefo rm a
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.
18
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.
19
2.1.1.9 Reo m et ría y Reo lo g ía
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 v alor 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 ΔP Pistón contra (L/R).
20
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 Pro
ceso d e 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/supplierplastic_extruder_machine-19412.html).
21
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 volumen se corta inmediatamente longitudesyadeseadas. la extrusión se realiza el mayor de producción en de las polímeros, que no Con 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 po r extru sión en h úmed o
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 po r extrusión en seco
, con tinuo 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 De fectos g enerados en el pr
oceso de extrus ión
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 srcinan una superficie altamente irregular.
22
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.
Extrusión Dirección de flujo de la fusión
Figu ra 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.
Dirección de flujo de la fusión
Figu ra 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.
23
Figu ra 17. - Formación del tallo de bambú.
2.1.2.4 Tipos d e extruso ras
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 Extruso ras de d esplazamiento p
ositivo
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 Extru so ras d e pis tón
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.
24
2.1.2.4.3 B om bas de extr usión
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 Extrus oras de fricc ión visco sa
En este tipo de extrusoras la fricción calienta al material convirtiéndolo en un fluido viscoso. 2.1.2.4.5 Extru sor a de to rnillo
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.
Figu ra 18. - Esquema de una extrusora de un tornillo (Méndez, 2010, pág. 224).
25
2.1.2.4.6 Extruso ras de tambo r rotator io
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 cruza. la fundición, bajo acción de las fuerzas tangenciales se mueve hacia la boquilla y 2.1.2.4.7 Extrus ora d e rod illos 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/)
26
2.1.2.5 Descripción d
el funcion amiento de un a 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 Transp orte d e sólidos (zona de alim entación)
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 Transp orte d e sólidos en la to lva
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. Material estancado
Flujo en masa Figura 19.
Flujo de embudo
Flujo de puente
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.
27
2.1.2.5.1.2 Transp orte d e sólidos en el cilin dro
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 Fus ión (zona de tran
sic ión)
La zona de transporte de sólidos finaliza cuando empieza a formarse una fina película de polímero fundido. La yfusión se iniciará consecuencia calor conducidodeldesde la superficie del cilindro del generado porcomo la fricción a lo largo del de las superficies 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. Película de polímero fundido Cilindro
Interface sólido Filete Pozo de polímero fundido
Figura 20.
Lecho de sólido
Corte transversal de la extrusora en la zona de transición. (Marcilla, 2008, pág. 52)
28
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.
Longitud de fusión
Figu ra 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 ely cilindro. generalLaseexistencia puede despreciar la transmisión de calor entre el pozo fundido la capaEnsólida. 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 pordisminuirá tanto aumento de la velocidad de fusión, porlaotra parte al aumentar la temperatura la viscosidad del material y, porpero tanto, 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. 29
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.
n ió s u f e d d u t i g n o L
Temperatura del cilindro 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,especialmente donde se observa la pequeños. longitud de fusión disminuye al aumentar el ángulo del filete, para como ángulos 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.
30
n ó i s u f e d d u it g n o L
Filete sencillo Filete doble Filete triple
Angulo del filete Figu ra 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 Transpo rte del fun dido (z ona d e dos ificado )
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.
31
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 srcinada 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 srcinado 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.
Dirección de avance
Figu ra 24 . Perfil de velocidades srcinado 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.
32
Dirección de avance
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:
Dirección de avance
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 srcinado 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.
33
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 en el por fondo del canal fluye hacia izquierda. Excepto el pequeño flujo eldematerial materialsituado que escapa encima del filete, todo ellamaterial 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).
Canal del tornillo en descarga abierta. (Marcilla, 2008, pág., 62). Figura 27.
34
Figu ra 28 . Limitación del flujo en la boquilla. (Marcilla, 2008, pág. 62).
Figu ra 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.
Figu ra 30 . Flujo de recirculación en el canal del tornillo. (Marcilla, 2008, pág. 63).
35
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 sólo el tiempo residencia que el del restoendelelmaterial. conlleva problemas no en la de boquilla, sino menor también distorsiones productoEsto 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 Mezclad o
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 Desg asifi cad o
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.
36
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. Salida de volátiles
Orificio de venteo
Figu ra 31 . Extrusora con sección de desgasificación. (Sánchez, 2008, pág. 66).
2.1.2.5.6 Co nfo rm ado
El material toma la formauniforme, de la boquilla conforme sale por ésta. Es primordial que el material salga a velocidad se producen cambios de tamaño y forma conforme 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 T ens ion ado
Conforme el material sale de la extrusora es recogido por diferentes generalmente consisten en rodillos, que mantiene el material tenso. Esto hace mayoría de los casos se reduzca un poco el tamaño del material, a veces considerable. Además de los cambios de tamaño, los productos que no sean
sistemas, que en la de forma circulares
pueden sufrir cambios de forma debido al estirado.
37
2.1.2. 5.8 Relajac ión
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 Enf riam ient o
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).
38
2.2 Cimientos del Proyecto 2.2.1 Fundam ento
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 Se desarrollo de en la carrera son aplicables directamente a productos tangibles. incursionó el proyecto de una maquina extrusora de hilos reales de PETy (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 An áli si s FO RD Tabla 8
Estudio FORD
FORTALEZAS Cantidad de material extruido de acuerdo al tamaño de la máquina Confiabilidad Seguridad en operación
OPORTUNIDADES Implementación en otros laboratorios Financiamiento por parte de nuevas empresas
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 RESTRICCIONES Tipo de alimentación de corriente debido a instalaciones del laboratorio
Interés de laboratorios adquisición de nuestro para la producto. Aprovechar el exceso de producción de plástico PET 1 Flexibilidad para cambiar el material a procesar.
Espacio disponible para la instalación de la máquina El material procesado requerirá otro(s) proceso(s) para ser utilizado
DEBILIDADES Requiere de instalaciones especiales Mantenimiento continuo Uso de componentes mecánicos especializados Complejidad del control de temperatura dentro del cañón.
39
2.2.1. 1.1 Fo rtal ezas
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 Opo rtun idades
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 PET 1 Flexibilidad para cambiar el material a procesar
2.2 .1. 1.3 Restr icc ion es
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 Debilid ades
Requiere de instalaciones especiales Mantenimiento continuo Uso de componentes mecánicos especializados Complejidad del control de temperatura dentro del cañón.
40
2.2.2 Cono cimiento de Soporte
del P royecto
2.2 .2. 1 Con oc im ient os pr eviam ente adq ui rid os para el di seño m ecánic o
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 Co no cim ient os pr eviam ente adq ui rid os para el d iseño elé ctr ico
Electricidad y magnetismo Circuitos eléctricos Ingeniería eléctrica aplicada
2.2.2.3 Con ocim ientos previam ente adq uirid os para el d iseño c on trol -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
41
2.2.3 Arg um entos 2.2 .3. 1 Arg um ento s im po rtan tes a co ns ider ar para el diseñ o d e la m áqu ina extr us or a
Número 1 2 3 4 65 7 8 9 10
Tabla 9 Problemáticas y su clasificación
Problema Tamaño de la máquina Potencia de la extrusora Material de los componentes de la máquina Temperatura del proceso
Clasificación Costo/Eficiencia Diseño Costo/Eficiencia Diseño
Volumen del proceso Especificaciones del material final Manejo y control del proceso Seguridad en operación Facilidad de limpieza Propiedades del PET
Costo/Eficiencia Tecnológico Diseño Diseño Ergonomía Diseño
2.2.3.2 Descrip ción de Argu men tos
1. Tamaño de la máquina Depende del espacio que nos ofrece el laboratorio, en este caso es de 3.6 m 2, 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).
42
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. 43
2.2 .4 Requis itos (Q.F. D) 2.2 .4. 1 Pon deración d e criterio s en b ase a pro blem áticas
Figura 35.
Ponderación de criterios en base a problemática.
44
2.2 .4. 2 Pond eración de criterio
s en base a prop
Figura 36.
iedades del PET
Ponderación de criterios en base a propiedades del PET.
45
2.2 .4. 3 Pond eración d e criterio s en b ase a solu cion es del d iseño d e la máqu ina extru sor a
Figura 37.
Ponderación de criterios en base a soluciones del diseño de la máquina extrusora .
46
2.3 Diseño del Nuevo Sistema 2.3 .1. I ng eniería Gener al del Pro ceso de Ex tru sión
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 25 30 50 60 80 110 150
Tamaño en pulgadas 1 12 2 11 11 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. 2. 3. 4. 5.
Determinación de las resinas por procesar. Definición del propósito final de la extrusora. Requerimientos de alimentación. Identificación de los elementos complementarios del proceso. Identificación de los equipos auxiliares para el manejo de materiales primas.
6. las fuentesde delaalimentación de la potencia. 7. Especificaciones Información de losdeestándares planta o laboratorio donde se implementara. 2.3.1.1 Capacidad d
el extruso r
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. 47
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 Diagram a de p roc eso
Proceso de extrusión (Autores, 2011). Figura 38.
2.3 .2. 3 Ciclo d e Trabajo Tabla 11. Descripción del proceso de extrusión (Autores, 2011).
Proceso Alimentación Dosificado Mezclado Extrusión
Descripción La materia prima ingresa en forma de gránulos a los silos de almacenamiento. Los insumos son pesados y descargados en la proporción adecuada según la fórmula seleccionada. El material dosificado se mezcla para que ingrese a la tolva Proceso de transformación de la materia prima en forma de gránulos en hilos de PET.
48
2.3.2 D is eñ o d el Sis tem a M ec án ic o 2.3.2. 1 Pro pu esta d e anális is d e part es m ecán ico
Para el diseño de la máquina extrusora de PET 1, 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 Husi llo
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.
49
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).
50
2.3.2. 2.1 El to rn illo a dis eñ ar ti ene tr es zo n as 2.3 .2. 2.1 .1 Sección d e alimen tación:
De diámetro constante, es el primer elemento del
tornillo al que se le introduce polímero. 2.3 .2. 2.1 .2 Sección d e trans ición : 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 do sifi cación : 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).
51
2.3 .2. 3 B arril
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).
Tamaño del torillo mm (pulg.) 64 (2.5) 76 (3) 114 (4.5) 152 (6)
Espacio mm (pulg.) 0.05 (0.002) 0.10 (0.004) 0.13 (0.005) 0.18 (0.007)
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.
52
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 Cab ezal
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)
53
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 Filtro s de extru sión
Este elemento se compone de una placa metálica de ace ro inoxidable perforada “BreakerPlate” 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)
54
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)
55
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.
56
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 posible formación la hilados. bobina se necesitadesplazamiento una adherenciaprovocará entre el hilo, el cilindro yen ello sólo es en de hilos Cualquier perturbaciones 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).
57
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 esteelprincipio guiar elsehilo de PET desde la salida boquillaen de las la extrusora hasta carrete para en donde embobinará el hilo, como de se lamuestra siguientes imágenes.
Figura 51 Rodillos guía. (http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/maquinas/maq_simple.htm)
2.3.2. 6 Tolv a
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.
58
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 Rodam ientos 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 Ro dam iento s cilínd rico s
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 59
srcinara 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 Rod ami ento s 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.
60
2.3 .2. 8 Cam isa
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.
61
2.3.3 D is eñ o d el S is te m a El é c tr ic o 2.3.3.1 Motored uct or
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
62
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 M o to r El é ct ri co
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 srcina 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).
63
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 Res is ten ci as eléct ri ca s
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.
64
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)
65
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.
66
2.3 .3. 4 Term op ares
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).
67
2.3.4 Diseño d el Sis tem a Elec trón ico – Control 2.3 .4. 1 Pir ómetr o
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 acuerdodea los la conductores temperatura de deentrada trabajo,noexistiendo un en sensor para rango. La resistencia es tan crítica el caso de cada 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.
68
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).
69
2.4 Contexto Normativo 2.4.1 Ins talac io n es Eléct ric as
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
70
2.4.2 Segurid ad d e m áqu inas en centro s d e 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 m áqu inas seg ur as c on no rm ativa eu ro pea
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 ”.
71
2.4.4 Norm ativa euro pea de s egurid ad d e m áqu ina
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
72
2.5 Concepto Ganador
73
2.5.1 Extrusora
74
2.5.2 Sistema de embobinado/hilado
75
Capítulo
III DE DISEÑO Y INGENIERÍA 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 unocontrol de losoelementos mecánicos, eléctricos, electrónicos y de su selección.
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 Hus illo 3.1 .1. 1 Par ám etro s tecn ológ ico s
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.
A n g u lo d e h é lic e (
)
°
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.
77
Figu ra 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 el sentido de la corriente. PuestoVxque la componente surge solamente acambia consecuencia del cambio de la velocidad correspondiente a laVy corriente transversal, el efecto de Vx en la producción se puede despreciar. Por esta razón en lo sucesivo se considera que Vy = 0. 78
3.1.1.2 Rela ción de lo ng itud d el hus illo
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 hus illo (t)
An cho de filete ( e)
3.1.1.3 Holgura y Toleranci
as del torn illo/cilind
ro
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:
79
Holg ura del radio d
el file te (
)
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 Zon as del husillo y su
s long itud es
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.).)
80
3.1 .1. 5 Cálcu lo del núm ero de filetes d el h us illo
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 veloc idad d e cortad ura
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 Visco sidad 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.
81
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.).
82
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.
Figu ra 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.).
83
3.1.1.8 Produ cción d el 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. 84
3.1 .1.8.1 V olu m en un itario d el flujo de arrastr
Dónde:
e o de fricc ión ( QD ó
)
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 V olu m en un itario d el flujo de pr esión (QP ó
)
Dónde: L = Longitud del husillo
85
)
3.1 .1.8.3 V olu m en un itario d el 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 cualquier punto (figura 70b) cuando el material sale libremente a=0; cuando la salidareal estáencerrada a=1. 3.1 .1.8.4 Cons tante to tal de la c abeza 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 86
•
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
87
•
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
( ) () [] 88
() ( ) ()
() () ( ) () () () () () () () ( ) ()
89
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 .5 7 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. Grafic a 1. Gráfica de Variación de Caudal de la Máquina Extrusora con respecto a las rpm del husillo.
Variación de Caudal de la Máquina Extrusora
5 4.5 4 3.5 3 h / 2.5 g K
Flujo Volumetrico - Caudal
2 1.5 1 0.5 0 85
100
130
150
165
Rpm - Husillo
3.1 .1.9 Re lación de c om pr esión
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:
90
La relación de compresión (β) calculada se encuentra en 2 y coincide con recomendada por los expertos en el procesamiento de plásticos.
la
3.1 .1.10 Cálcu lo de la p ot enc ia req ueri da
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).
91
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.
92
Grafic a 2. Gráfica de Variación de la Potencia Requerida del husillo en HP.
Potencia Requerida del husillo en (HP) 2.5
2
1.5 P H
Potencia Requerida en husillo(HP)
1
0.5
0 85
100
130
150
165
Rpm del Husillo
3.1 .1.11 P resio nes en la m áqu ina ex tru so ra
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
93
•
Presión máxima
Para efectos de cálculo se toma Q=0, es decir sin flujo de arrastre.
[ ]
94
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. Grafic a 3. Gráfica de Variación de la Presión máxima en la extrusora.
Presión máxima en la extrusora (MN/m^2) 350.0000 300.0000 250.0000 2 ^ 200.0000 m / N M150.0000
Presión maxima (MN/m^2)
100.0000 50.0000 0.0000 1.4167
1.6667
2.1667
2.5000
2.7500
Rev/s del Hsillo
95
•
Presión de operación
h1 = Profundidad de alimentación
] [ ( )
( )
( )
( )
()
96
( )
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. Grafic a 4. Gráfica de Variación de la Presión de operación en la extrusora.
Presión de Operación (MN/m^2) 14 12
10 2 8 ^ m / N M6
Presión de operación (MN/m^2)
4 2 0 1.4167
1.6667
2.1667
2.5000
2.7500
Rev/s del Hsillo
97
3.1 .1.12 Selecci ón de mater ial para el husi
llo
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 valores de igualmente dureza además un excelente comportamiento a la corrosión, elbuenos Molibdeno ofrece valoresdefavorables 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 d el hu sillo
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.
98
3.1.1.13 .1 V olu men d el alma del h usillo en cada s ección •
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) 99
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 Volum en d e los filetes en cada zon •
a
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.
24m
24mm
Figura 71. Triángulo rectángulo para hallar la longitud del filete.
100
√ √ 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.
101
Figu ra 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:
102
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:
103
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/m 3.
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, srcinada el propio provocan la flecha f del husillo como sepor presenta en la peso figuradel 74. husillo. La fuerza P y q
104
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:
=
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.
105
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:
106
El siguiente paso es el cálculo del radio de inercia R i 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.
107
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:
108
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. Grafic a 5. Gráfica de Variación de la Fuerza axial en el husillo.
Fuerza axial P en el Husillo (N) 160000.0000 140000.0000 120000.0000 s 100000.0000 n w to 80000.0000 w e N
Fuerza axial P en el Husillo (N)
60000.0000 40000.0000 20000.0000 0.0000
157.3021 185.0612240.5796 277.5919305.3511 N/m^2
La tensión tangencial máxima sobre la superficie del husillo está dada por:
[ ] 109
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:
[] [ ] La tensión normal
σ
está dada por la siguiente ecuación:
Dónde:
El momento de residencia respecto al eje neutro W 0 se puede determinar utilizando la siguiente correlación:
110
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:
[ ] 111
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. Grafic a 6. Gráfica de Variación de la Tensión normal del husillo.
Tensión normal en el husillo (MN/m^2) 350.0000 300.0000 250.0000 2 ^ 200.0000 m / N150.0000 M
100.0000
Tensión normal al husillo (MN/m^2)
50.0000 0.0000
Newtons
112
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:
√
√ √ 113
√ √
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. Grafic a 7. Gráfica de Variación en la Solidez del husillo.
Solidez del husillo (MN/m^2 = MPas) 400 350 300 s le 250 a c s a 200 P a g e M150
Solidez del husillo (MN/m^2)
100 50 0
158.3353
186.0944
241.6128
278.6251
306.3843
MN/m^2
114
La flecha máxima del husillo al aplicar la carga repartida se determina a partir de:
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 Di s eñ o d el m u ñ ón
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: 115
Resistencia de fluenc
ia e n tracción
Esfuerzo ú ltimo en tracción
Elon gaci ón 13% ( Dúctil ) Dureza Brinell 370
HB
De cálculos realizados anteriormente se retoman los siguientes valores para ser aplicados en esta etapa de diseño:
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 0.8297 Kw 1.1127 Hp
100 rpm 0.9761 Kw 1.3091 Hp
130 rpm 1.2690 Kw 1.7018 Hp
150 rpm 1.4642 Kw 1.9636 Hp
165 rpm 1.6107 Kw. 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.
116
Dónde:
Desglosando los parámetros de la ecuación tenemos:
117
118
Para hallar el factor de seguridad de reducción de diámetro utilizamos la ecuación: Fact or d e s egu rid ad de re ducció n 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 K t que representa el factor de concentración de esfuerzos. Se aplica el mismo cálculo anteriormente realizado, con la variante de este valor.
119
Para hallar el factor de seguridad de reducción de diámetro utilizamos la ecuación: Facto r d e segu rid ad de cha veta
3.1.1.16 Dis eñ o d e la ch avet a
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:
120
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.
121
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 D is eñ o d el Cañ ón
Para el diseño del cañón, se comienza el diseño calculado el diámetro interior del cañón que se desea: Diám et ro Int eri o r d el Cañón
Rad io Int erio r d el C añ ón
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: Esfu erzo Cor tant e adm isib le p ara el c añ ón A ISI 1020
- 80000 MPa
Módu lo Elást ic o A ISI 1 020 - 207000 MPa Rela ción de Poisso n – 0.29
122
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 Cal cu lo d el es p eso r m íni m o del Cañón
123
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 Es p ec if ic ac io n es d el d is eñ o d el Cañón
Diám et ro Ex te ri o r d el Cañón
Es p es o r d el C añ ón
Espeso r a c on sider ar para lo s p ozo s d el Cañón
Barren ado p ara mo ntaje de Tolv a / Diámetr o in ferior d e la T olva
Di la t ac ión Té r m ic a d el Ca ñ ón
El coeficiente de dilatación es tomado de las características del material del Anexo 12, y se obtiene de restar la temperatura ambiente el incremento de temperatura aproximadamente 20°C a la temperatura crítica de 280°C.
124
3.1.3 D is eñ o d e To lv a
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 C alculo del peso de la ho juela d e PET
Para el cálculo del peso se toma en cuenta los siguientes datos: Centímetr os cu adrado s d e la Hoju ela de PET
Centím etro s cú bi co s d e la Hoju ela de PET
Densidad especifica d
Peso de la hoju
el PE T
ela de PET
125
3.1.3 .2 D im ensio nes d e la T olv a
15 cm
16 cm
10.90 cm
6.3 cm 4 cm 2.40 cm Figura 78. Tolva, (Diseño propio).
Se calculan los volúmenes de los 2 cilindros y del cono trunco: 3.1.3 .3 Calculo d e volú m enes y vo lum en total de la Tolva Volu m en de cili nd ro p equ eñ o
Volumen de cilindro grande
126
Volumen de
cono trunco
( )
( ) Volum en total de la
Tolva
3.1. 3.4 Calculo d e la cantidad d
e hoju ela s d entro d e la tolva
Hoju elas d entro del c ilind ro peq ueño
Hojuelas dentro d el cilindro g rande
Hojue las dentr o d el cono trunco
Total de hojuelas en la Tolva
127
3.1.3 .5 Calculo d e kilog ramo s en la tolva Kilo gram os d entro del cilin dro peq ueño
Hojuelas dentro d el cilindro g rande
Hojue las dentr o d el cono trunco
Kilógramos
Totale s en la Tolva
3.1.4 Se lección d e Mot or -reduc to r p ara m áqu ina
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
128
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).
129
3.1.5 Se lección d e Cop les
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 Diámetro mínimo Diámetro máximo A B C
176 Nm 14 mm 35 mm 78.7 mm 28.7 mm 10 mm
130
3.1.6 Selección de rod
ami entos
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 Diámetroexterior 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 Diámetroexterior 47mm
Ancho rodamiento 15mm
3.1.7 Selección de chu
m acera
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 Diámetro exterior Asiento para rodamientos
25mm 74mm 32mm
131
3.1. 8 Sele cción de pl ato rom pedor
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
3/4" 1" 1-1/2" 2" 2-1/2" 3" 3-1/2" 4" 4-1/2" 6" 8"
Plato Plato Inversor Inversor Comparación Rompedor Rompedor Rompedor Rompedor Métrica Standard Area Standard Standard Area Standard mm Abierta %Area Abierta Abierta %Area Abierta 20 25 40 50 60 75 90 100 115 150 200
Pulgada cuadrada
Pulgada cuadrada
Pulgada cuadrada
Pulgada cuadrada
0.13 0.36 0.71 1.17 1.78 2.55 3.43 4.47 5.62 9.76 17.16
30% 46% 40% 37% 36% 36% 36% 36% 35% 35% 34%
0.13 0.36 0.71 1.17 1.78 2.55 3.43 4.47 8.26 15.09
17% 21% 23% 24% 25% 27% 27% 28% 29% 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 Se lección d e m alla
La designación de la malla, se tomó de los catálogos de la empresa AMBICA, y se indica en la tablade 15 cribado la selección y laafilados, imagen rebabas 82. Las mallas circulares vienen con superficie lisa, de sin malla bordes 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. 132
Figura 82. Tabla 15.
Malla seleccionada (Catalogo en línea AMBICA)
Especificaciones estándares de Malla para Extrusora Agujeros (Catalogo en línea AMBICA).
Malla 10 X 10 14 X 14 16 X 16 20 X 20 20 X 20 24 X 24
Especificación de Producto Especificaciones estándares de Malla para Extrusora Diámetro de Alambre mm Tamaño de Apertura mm 0.711 1.829 MM 0.457 1.357 MM 0.457 1.131 MM 0.559 0.711 MM 0.457 0.813 MM 0.376 0.682 MM
Área Abierta 51.8 55.9 50.7 31.4 41.0 41.4
30 X 30 30 X 30 40 X 40 50 X 50 60 X 60 80 X 80 100 X 100 120 X 120 150 X 150 200 X 200 250 X 250 300 X 300 325 X 325
0.376 0.310 0.274 0.193 0.193 0.122 0.102 0.091 0.071 0.050 0.040 0.040 0.035
0.531 MM 0.536 MM 0.361 MM 0.335 MM 0.230 MM 0.196 MM 0.152 MM 0.120 MM 0.088 MM 0.077 MM 0.062 MM 0.045 MM 0.043 MM
34.2 40.0 32.3 43.6 29.8 37.9 36.0 31.8 29.6 36.76 36.76 27.83 30.49
400 500 X X 400 500
0.028 0.025
0.036 0.026 MM MM
31.25 25.79
133
3.1.10 Selec ción d e B rid as p ara C añón 3.1.1 0.1 Se lección d e Brid a 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. 134
3.1.1 0.2 Se lección d e Brid a 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. 3.1.1 0.3 Sel ección de Torn illos
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.
135
3.1.1 1 Selección de Resis
tencias
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 ).
136
3.1.12 Di s eñ o d e c ab ezal
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 existen te e n el sistem a
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 d
el cabezal
137
Con la presión calculamos el espesor mínimo que se utilizará en el cabezal: Esp eso r m íni m o d el 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 Dis eñ o d e bo q u il la
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: Presió n en el cu erpo d e la boq uilla
138
Con la presión calculamos el espesor mínimo que se utilizará en el cuerpo de la boquilla: Espeso r mínim o d el cuerpo de la bo qu illa
Ahora se calcula la presión y el espesor mínimo en la salida de la boquilla: Presió n en la salida de la boq
uilla
Espeso r m ínim o en la salida d e la bo qu illa
139
3.1.14 Di s eñ o d e ca m is a
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. 3.1.1 5 Selección de ventil
ador es
Para la selección del ventilador se tomó en cuenta el volumen de la camisa 18m 3 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.
A B C D E
Caudal máxima (m /h)de 260. Temperatura máxima aire (Cº) -15/+70. Nivel de presión sonora (dB(A)) 58. Peso (Kg) 1.8.
F 100mm 69mm G H 49mm
61mm 80mm 181mm 175mm 88mm
3
Figura 86. Ventilador, (Catalogo Soler-Palau).
140
3.1.16 Dis eñ o d el si st em a de c alan d ria 3.1.1 6.1 Calculo de velocid ad de salid a 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
3.1.1 6.2 Calculo del carrete emb
ob inado r de hilo al final de la cala
nd ria
Con este dato calculamos las revoluciones que deberá tener el carrete donde se embobinará el hilo al final de la calandria.
141
Dónde:
=?
v= 301.8
⁄
r= .20 m
Por lo que las revoluciones necesarias del carrete son: = 1509 rpm
3.1.1 6.3 Se lección d e rod illos
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.
Figu ra 88. Acoplamiento, (Catalogo Rulmeca)
142
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. 3.1.1 6.4 Selección del Tamb
or g uiado r 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:
Figu ra 90. Tambor guiador, (Foto propia)
Longitud: 20cm Diámetro: 20 cm 143
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 V elocidad angu
lar del tamb
or acom od ador
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 S ele cción de m oto r del tamb or acom odado r
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)
144
3.1.1 6.7 Selección del Rod
illo p erfor ado
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 D is eñ o d e b as e
El diseño de la base se realizará en forma de mesa, de un material AISI 1020, con dimensiones de 1.75 se m, mostraran de longitud,enunel ancho Las especificaciones dibujo.de 0.5 m y una altura de soportes de .80 m.
145
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 este las resistencias los termopares (sensores) utilizados, sin olvidar la perturbación que en caso será lay 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.
Figu ra 93. Control de lazo cerrado con partes críticas del control.
146
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 descritay en la gráfica mostrada en la 95, para donde los parámetros de la gráfica son el tiempo la temperatura en función delfigura voltaje, obtener la constante de tiempo, es necesario realizar pruebas experimentales con las resistencias que se implementaran en la máquina extrusora.
T= Constante de Tiem o
Figu ra 95. Gráfica de la dinámica de las resistencias.
147
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.
Figu ra 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. 148
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.
Figu ra 99. PLC Omron 10 puntos.
Para nuestra máquina extrusora optaremos por las salidas con relevador para el accionamiento de los25, ventiladores. Todas las del características del PLC se encuentran descritas en el Anexo desde la configuración sistema, especificaciones, circuito de entrada/salida y periféricos. 149
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. 3/16”
1 ¼”
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 la tablaen16.el Los termopares la máquina estarán acoplados en unos pozosenhechos cañón, y seránde sostenidos porextrusora 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.
150
IV 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.
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 LIBRE LUIGI BANDERA PYDE
900.00 452.90 2,304.70 1,319.56
10,929.42 9,500.00 28,000.00 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 JINHU
$ $
30.00 25.00
$ $
363.75 303.13
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 DAYTON NORD
$ $ $
247.41 214.42 329.89
$ $ $
3,000.00 2,600.00 4,000.00
La empresa que cumplió mejor con nuestras necesidades fue ABB.
152
Precios de cañón: ARCELORMITTAL H WUYI
$ $ $
31.50 21.70 42.00
$ $ $
8023.53 6345.52 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 TSUBAKI
$ $
1.48 2.47
$ $
18.00 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 IMKEN
$ $
4.00 3.00
$ $
48.50 36.37
La empresa SKF fue la elegida debido a que dentro de nuestro proyecto utilizamos su catálogo deque rodamientos, encontramos los extrusora. componentes con las características requerimos en paraelelcual diseño de la máquina
Precio de tornillos: JINJIA 1/4 SUDELAN 1/2
$ $
0.15 0.10
$ $
1.81 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.
153
Precio de chumacera: SKF TCT
$ $
35.01 25.00
$ $
424.50 303.13
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 VALTECH
$ $
90.00 80.00
$ $
1,090.12 970.00
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 SOLER PALAU
$ $
50.00 48.00
$ $
606.26 582.01
La empresa Soler Palau nos ofrece los ventiladores seleccionados en el proyecto.
154
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
$
81.64
$
990.00
$
16.04
$
195.00
$
15.00
$
181.67
$
10.00
$
121.12
$
24.22
Precio de rodillos de caucho: HONGTAISHENG
2,000.00
Precio de tambor guía: XINDA
$
Precio de termopares tipo J: K-LOR
164.94
Precio de controlador electrónico: TECNOLOGIC
$
Precio de rodillo perforado para embobinado: GRUPO ES
$
2.00
155
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 CA ON CAMISA TOLVA
$9500.00 $8023.53 $1000.00 $303.00
PLATO ROMPEDOR CABEZAL BOQUILLA RESISTENCIAS TERMOPARES MALLA BRIDAS COPLES BARRA DE TRANSMISION MOTOREDUCTOR CONTROL TLK9 PLC CHUMAZERA RODAMIENTOS RODILLOS DE CAUCHO TAMBOR GUIA RODILLO PERDORADO MOTOR RODAMIENTOS PARA CARRETE BASE PARA TODA LA MÁQUINA TRANSPORTE LUZ AGUA TELEFONO+INTERNET TELEFONIA CELULAR SOFTWARE
$350.00 $13000.00 $15000.00 $1645.00 $975.00 $12.12 $1940.00 $40.00 $50.00 $3000.00 $990.00 $2000.00 $424.50 $198.00 $242.24 $1500.00 $70.00 $1250 $195.00 $3000.00 $6000.00 $1500.00 $2400.00 $4950.00 $2500.00 $18500.00
TOTAL
$100858.39
156
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: 10% de inversión total:
$ 100,858.30 MXN $ 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
157
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 Volumen de producción iámetro D de hilo extruido
3m X 1m 3kg/h 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 Volumen de producción Diámetro de hilo extruido
1.7 m X .25 m 2.4 kg/h 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.
158
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
Profundidad del canal en la zona de extrusión, h2
Anchura de la cresta, e
25 32 45 63 90 125 160
24 32 45 63 90 125 160
2.4 6 8 9,6 11,2 13,5 15
1.2 1,9 2,1 2,4 2,8 3,2 3,7
2.8 3,8 5 6,3 9 12 15
Anexo 3 Tolerancias y Parámetros geométricos del husillo/cilindro. Diámetro nominal (mm)
25 30 35 38 40 50 60 65 70 75 80 90 100 105 115 120 135 150
iámetro del cilindro Diámetro del husillo L/D 25.00+.02/-.00 30.00+.02/-.00 35.00+.02/-.00 38.00+.02/-.00 40.01+.02/-.00 50.01+.02/-.00 59.99+.02/-.00 65.00+.02/-.00 70.00+.02/-.00 75.01+.02/-.00 80.01+.02/-.00 89.99+.05/-.00 100.00+.05/-.00 105.00+.05/-.00 115.01+.05/-.00 119.99+.05/-.00 135.00+.05/-.00 150.01+.05/-.00
24.93/24.90 29.93/29.92 34.93/34.91 37.92/37.90 39.93/39.90 49.91/49.89 59.87/59.84 64.87/64.85 69.88/69.85 74.85/74.83 79.84/79.82 89.81/89.79 99.80/99.77 104.80/104.78 114.78/114.76 119.76/11974 134.75/13470 149.71/149.66
Tolerancia diametral cilindro/husillo
0.06/0.10 0.06/0.10 0.08/0.11 0.08/0.13 0.08/0.13 0.10/0.13 0.13/0.18 0.13/0.18 0.13/0.18 0.15/0.20 0.17/0.20 0.18/0.25 0.20/0.28 0.20/0.28 0.23/0.30 0.23/0.30 0.25/0.36 0.30/0.41
Tolerancias del husillo DESCRIPCION DE LA DIMENSION
UNIDADES METRICAS RANGO TOLERANCIAS (mm) RANGO
Principales dimensiones lineales
Ancho del filete
TOLERANCIA
Hasta 300 300-1500 1500-3000 3000-5000 Sobre 5000
+0,25 +0,75 +1,00 +1,50 +2,25
Hasta 12 12,25 Sobre 25
+0,38 +0,50 +0,75
Profundidad del canal
Chavetero
Agujeros
Macho centrador roscado
Hasta 2,5 2,5-13,0 Sobre 13,0
+0,08 +0,18 +0,30
Profundidad
+0,13
Longitud
+0,76
Longitud
+0,4
Tolerancias del cilindro. DESCRIPCION DE LA DIMENSION
UNIDADES METRICAS RANGO TOLERANCIAS (mm) RANGO TOLERANCIA
La mayoría de las dimensiones lineales
Hasta 300 300-1500 1500-3000 3000-5000 Sobre 5000 Todos los tamaños
Longitud del macho centrador
Agujeros
Diámetros exteriores
Diámetros de anchos centradores
+0,25 +0,75 +1,00 +1,50 +2,25
+0,125
0 - 38 3 - 75 25 - 75 75 - 140 75 - 140 140 -200 200 - 315 200 - 315
+0,025 - 0,000 +0,050 - 0,000 +0,038 - 0,000 +0,051 - 0,000 +0,063 - 0,000 +0,076 - 0,000 +0,076 - 0,000 +0,102 - 0,000
Todos los tamaños y longitudes +0,102
todos los tamaños +0,038
Anexo 4 Materiales para husillo y características y p ropiedades ACEPTABILIDAD A CONDICIONES DE DESGASTE DE LA RESINA
MATERIALES BASE PARA EL HUSILLO
ABRAS IVO
DESIGNACION DEL MATERIAL
TRATAMIENTO (1)
Rc (2)
FH (3)
Aceros aleados
Endurecido con llama
48 55
no
Cromado
60 65
si
Nitralloy 135-M
Nitrurado
63 70
Micromelt 9 (b)
Tratado con calor
54 56
CPMM4(a)
Tratado con calor
62 64
CPM 420 (a)
Tratado con calor
Elmax (c)
Tratado con calor
52 56 57 59
Custom 450 (b)
Endurecido por tiempo
41 42
Aleacion es especiales Monel K-500 (d)
Endurecido por tiempo
37 39
4140 4140
NORMAL (4)
PROMEDIO (5)
CORROSIVO ( 7)
SEVERA (6)
MODERADA
SEVERA
Mala
No aceptable
No aceptable
No aceptable
Buena
Aceptable
No aceptable
Buena
No aceptable
si
Buena
Aceptable
No aceptable
no
Excelente
Excelente
Buena
Aceptable
Excelente
Buena
Aceptable
Aceptable
Buena
Buena
Aceptable
No aceptable No aceptable
Mala
Aceptable
No aceptable
Mala
No aceptable
no no no si
opt`l
Aceptable Aceptable
No aceptable No aceptable
No aceptable No aceptable
No aceptable
Buena Buena
Mala Mala
Buena
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
0.38 / 0. 43
Mn
Si
0.75 / 1. 00
0.15 / 0. 35
Mo
Cr
0.80 / 1. 10
0.15/ 0.25
P
S
0.035 máx.
0.040 máx.
Propiedades Mecánicas (Los valores representados son teóricos más representativos de este grado) Res ste c ia a la ite nsnión
miicteo elLí ást (psi)
(psi)
Trata do Rec ocido
140, 000 95,000
Elongación Reducción en 2"% de área %
90,000 60,000
17. 8 25. 7
Dureza
Brinell*
48. 2 56. 9
302 197
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 Forjar Recocer : T emplar:
ºC
ºF
980-1205 815-870 800-850
1800-2200 1500-1600 1472-1563
Color de identificac ión:
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 acer os
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 Chaflán & b×h máx min
Medida nominal del chavetero, mm Profundidad En el En el árbol
cubo
Radio r máx
min
6a8 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
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
7.5 9.0 9.0 10.0
4.9 5.4 5.4 6.4
11.0
7.4
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
65 a 75 75 a 85 85 a 95 95 a 110
20 × 12 22 × 14 25 × 14 28 × 16
110 a 130
32 × 18
0.60
0.80
0.60
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
Anexo 11 Material de la chaveta
13.0 13.0 15.0 17.0
8.4 9.4 10.4 11.4
1.0
0.7
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 Sel ección de rod amientos para rodillo perforado
Anexo 24 Especificaciones del C
ontro l TLK9
Características Eléctricas
Anexo 25 Especificaciones del
PLC Omron
Bibliografías Bogota: MacGraw Hill, 1990, 420p, 440p Brown, 2000, p.30; Méndez, 2010, p.43 – 46 Brown, M. F. (2000). Historia del plástico. La guía del mundo. CARACTERIZACI N FISICOQU MICA DEL POL MERO, José Luís Angulo. 1 ed. Balderas 95, México. D.F. CASILLAS A.L. Máquinas cálculos de taller, 23 ed. Madrid: Graficas reunidas S.A, 1958,277 p, 289p. Catálogo en línea AMBICA) Catálogo en línea SFR Tooling Catálogo K-LOR Catálogo NORD Catálogo RAISA Catalogo Rulmeca SKF Catalogo Soler-Palau Catálogo Tsubaki CIIEMAD EXTRUSIÓN DE PLASTICOS, Luís Francisco Ramos del valle, Principios básicos, 2 ed. México: Limuza. GARRITZ A. y Chamizo J.A. “Tú y la Química”, Ed. Prentice Hall, México 2001. GARRITZ A. y Chamizo J.A. “Tú y la Química”, México 2001
GARRITZ A. y Chamizo J.A., 2001, pág. 486-487 Günter G. Seip, “Instalaciones eléctricas”. Ed. Berlin, 2008 Hanson, 2004 M. en T.A. Manuel Galileo Santos Caballero, Tesis Obtención de Laminada de PET Reciclado M. V. Cook, “Flight Dynamics Principles”, Ed. Arnold, England , 1997. Katsuhiko, Manual ABB Rulmeca Manual en línea Vemacero Manual Valtech Marcilla, 2008, pág. 50 Marcilla, 2008, pág. 52 Marcilla, 2008, pág. 63 Marcilla, 2008, pág., 62 Méndez, 2010, p. 39 – 42 Méndez, 2010, p.35-39 Méndez, 2010, pág. 224 Méndez, 2010, pág. 253 Morales Méndez, Eduardo J. “Introducción a la ciencia y la tecnología de los plásticos” Ed. Trillas,
México 2010, pág. 130 Norman S. Nise, “Sistemas de control para ingeniería”, Editorial CECSA, Primera edición en español, México 2004. P.J. Fluir, Principle of Polymer Chemistry. Cornell University press.8 ed. Pernos hexagonales estructurales ASTM Procesamiento de plásticos, Morton. Jones, Limusa 1999, ISBN 968-18-4434-3 Reverter, J. G. (2006). Revisión de aplicaciones de extrusión. Reverter, J. G., 2006, p.40 Rosato D.V. Extruding Plastics, 2009 Sánchez, 2008, pág. 66 SHIGLEY, Joseph Edgard, MITCHELL, LarryD. Diseño de Máquinas. 3 ed. Stanley M. Shinners, “Modern control system, Theory and Design”, Ed. WileyInterscience, Second edition, EUA 2009. V.K SAVGORODNY, Transformación de plásticos, Barcelona, Ed. GUSTAVO PILI S.A. V.K SAVGORODNY, Transformación de plásticos. 2 ed. Barcelona: GUSTAVO PILI S.A.
Referencias Electrónicas http://ceramicdictionary.com/es/e/2582/extrusora-b-el%C3%A8ctrica-amasadora http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/maquinas/maq_simple.htm http://controlysolucioneselectricas.com/que-es-un-motor-electrico/ http://image.made-in-china.com/2f0j00JsmaDEqchQof/Hopper-Dryer-Screen-Separator.jpg http://resistencias.mex.tl/30556_Termopares.html http://spanish.plastic-extrusionline.com/supplier-plastic_extruder_machine-19412.html http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_resistencia/ke_resistencia_1.htm http://www.corima.info/archivos/productos/120605125641_filtro.jpg http://www.directindustry.es/prod/erema-engineering-recycling-maschinen-und-anlagen-gmbh/extrusorasde-un-husillo-para-reciclado-de-materias-plasticas-75802-759199.html http://www.esacademic.com/dic.nsf/eswiki/469114 http://www.exapro.com/product/2010/05/PE99982/3aa589d0961fbb55423a7fa4262fd04a/andersoncooking-extruder-pe99982_2.jpg http://www.f-haroldo-pinelli.com.ar/Hitachi%20Web-Controller/aEH-WD1.jpg http://www.grin.com/en/ http://www.inelce.com/index.php?page=shop.browse&category_id=16&option=com_virtuemart&Itemid=63 http://www.k-lor.com.mx http://www.laseda.es/data/publicaciones/2008/pet_dossier.pdf http://www.laseda.es/data/publicaciones/2008/pet_dossier.pdf http://www.nskamericas.com/cps/nsk/na_es/p/images/content/1011_four-row_CRB_rgb_rdax_95.jpg http://www.plasticsplanet.com/cgi-bin/g/Máquinaria/Inyectoras/?p=3 http://www.precise-bearing.es/products/2-4-1b.jpg http://www.proyectosalonhogar.com/Enciclopedia_Ilustrada/Edad_Moderna/Revolucion_Industrial.htm http://www.resistenciaselectricaspresis.com/portafolio/visor_prod.php?id=3097 http://www.solostocks.com/img/hileras-para-la-extrusion-de-granza-6893514z0.jpg http://www.st-1.com.ar www.valtechgingenieering.com www.vemacero.com
