diseño y simulación de un sistema de corte para piezas
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Diseño y simulación de un sistema de corte para piezas termoconformadas con reconocimiento automático del área de la pieza
CÓDIGO DE PROYECTO: PG 17 - 1 - 03
LEONEL FABIÁN BAHAMÓN SOTO
CÓDIGO: 1211560
IDENTIFICACIÓN: C.C. 1.019.077.557
GERMÁN ANDRÉS VARGAS RODRÍGUEZ
CÓDIGO: 1211443
IDENTIFICACIÓN: C.C. 1.019.096.415
LUIS MIGUEL TORRES DAZA
CÓDIGO: 1210683
IDENTIFICACIÓN: C.C. 1.032.464.500
UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
BOGOTÁ, D.C.
2017
Diseño y simulación de un sistema de corte para piezas termoconformadas con reconocimiento automático del área de la pieza
LEONEL FABIÁN BAHAMÓN SOTO
CÓDIGO: 1211560
IDENTIFICACIÓN: C.C. 1.019.077.557
GERMÁN ANDRÉS VARGAS RODRÍGUEZ
CÓDIGO: 1211443
IDENTIFICACIÓN: C.C. 1.019.096.415
LUIS MIGUEL TORRES DAZA
CÓDIGO: 1210683
IDENTIFICACIÓN: C.C. 1.032.464.500
PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO MECATRÓNICO DE LA UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA
DIRECTOR: Baldomero Méndez Pallares
M.SC. Ingeniería de Control industrial
Ing. en INGENIERIA MECANICA
UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
BOGOTÁ, D.C.
2017
NOTA DE ACEPTACIÓN
Una vez realizada la revisión metodológica y técnica del documento final de proyecto de grado, doy constancia de que el (los) estudiante (s) ha cumplido a cabalidad con los objetivos propuestos, cumple a cabalidad con los Lineamientos de Opción de Grado vigentes del programa de Ingeniería Mecatrónica y con las leyes de derechos de autor de la República de Colombia, por tanto, se encuentra(n) preparado(s) para la defensa del mismo ante un jurado evaluador que considere idóneo el Comité de Investigaciones del Programa de Ingeniería Mecatrónica de la Universidad Piloto de Colombia.
Baldomero Méndez Pallares
Director del Proyecto
DEDICATORIA
A nuestras madres, fuente de inspiración, motivación y fortaleza para emprender cada uno de los proyectos propuestos en nuestra vida.
AGRADECIMIENTOS
Los autores ofrecen su más sincero agradecimiento a:
Baldomero Méndez Pallares. Docente y director del proyecto de grado, de quien
el aporte, tiempo, dedicación y sobre todo paciencia fue fundamental para nuestro
proceso como ingenieros y llevar a finalidad el presente proyecto.
TABLA DE CONTENIDO
Pág.
NOTA DE ACEPTACIÓN ........................................................................................ 3
DEDICATORIA ........................................................................................................ 4
AGRADECIMIENTOS ............................................................................................. 5
LISTA DE TABLAS ................................................................................................. 8
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................... 9
LISTA DE ANEXOS .............................................................................................. 11
1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 12
RESUMEN ............................................................................................................. 14
ABSTRACT ........................................................................................................... 15
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................... 16
1.1.1 Antecedentes del problema ................................................................ 16
1.1.2 Descripción del problema ................................................................... 17
1.2 JUSTIFICACIÓN ....................................................................................... 18
1.3 OBJETIVOS .............................................................................................. 19
1.3.1 Objetivo general ................................................................................. 19
1.3.2 Objetivo específico ............................................................................. 19
1.4 DELIMITACIÓN DEL PROYECTO ........................................................... 19
1.4.1 Alcances y limitaciones ...................................................................... 19
1.5 MARCO REFERENCIAL .......................................................................... 21
1.5.1 Marco teórico ..................................................................................... 21
1.5.2 Estado del arte ................................................................................... 27
1.5.3 Marco normativo................................................................................. 35
1.6 MARCO METODOLÓGICO ...................................................................... 36
2 DISEÑO INGENIERIL ..................................................................................... 37
2.1 IDENTIFICACIÓN ..................................................................................... 37
2.1.1 Encuesta ............................................................................................ 38
2.2 DISEÑO PRELIMINAR ............................................................................. 44
2.2.1 QFD o Casa de la calidad .................... ¡Error! Marcador no definido.
2.2.2 Módulos obtenidos a partir de la casa de la calidad ........................... 45
2.2.3 Arquitectura del producto ................................................................... 45
2.2.4 Configuración del producto ................................................................ 47
2.2.5 Selección del material para la estructura de la máquina .................... 49
2.3 ARQUITECTURA Y CONFIGURACIÓN DEL PRODUCTO ..................... 51
3 DISEÑO DETALLADO.................................................................................... 55
3.1 Selección de componentes y cálculos ...................................................... 55
3.1.1 Selección de componentes del sistema de corte ............................... 55
3.2 Selección de la Broca ............................................................................... 58
3.2.1 Cálculos para la selección de la broca ............................................... 59
3.3 Selección de componentes y cálculos del sistema eje Z .......................... 63
3.4 Selección de componentes y cálculos del sistema de posicionamiento ... 75
3.4.1 Selección de componentes de sistema de movimiento eje X ............. 80
3.5 Selección y diseño estructura de apoyo. .................................................. 83
4 SISTEMA DE CONTROL ................................................................................ 84
4.1 Selección del controlador lógico programable PLC .................................. 84
4.2 Detalles técnicos del controlador lógico programable ............................... 85
4.2.1 Configuración para el arranque de un motor por PLC ........................ 87
5 PROCESAMIENTO DE IMÁGENES ............................................................... 91
5.1 Desarrollo del estudio ............................................................................... 91
6 RESULTADOS ................................................................................................ 98
7 CONCLUSIONES ......................................................................................... 101
8 RECOMENDACIONES ................................................................................. 102
8.1 Trabajos futuros ...................................................................................... 102
9 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................. 103
10 ANEXOS .................................................................................................... 107
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Temperatura de trabajo de los termoplásticos…………..……..................26
Tabla 2. Encuesta……………………………………………………………...........38-40
Tabla 3. Calificación de ítems de los componentes de la máquina de corte..........41
Tabla 4. Matriz de selección …..……………………………………………...............50
Tabla 5. Comparativa fortalezas y debilidades de los tres bocetos de máquina. …………………………………………………………………………………...........52-54
Tabla 6. Selección del tiempo de trabajo al que va a estar expuesto la máquina.64
Tabla 7. Valor del coeficiente de rozamiento de acero – acero…………………….66
Tabla 8. Dimensionamiento del piñón…………………………………………………68
Tabla 9. Constantes según referencia del husillo……………………………………78
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Corte de piezas plásticas termoformadas…………………………………16
Figura 2. Máquina semiautomática de termoformado……………………………....17
Figura 3. Máquina de termoformado automática………….………………...……....17
Figura 4. Método de termoformado…………….……………. ……………………....22
Figura 5. Empaques para alimentos………………… ...………………………….....28
Figura 6. Unidad de termoformado Low Flex 5……………....……………………...30
Figura 7. Unidad de termoformado FF750………...…….………………………......31
Figura 8. Unidad de termoformado Zed Industries………………………………….32
Figura 9. Unidad de termoformado RDK80……………………………..…………...33
Figura 10. Productos termoformados elaborados.……….……………….…...……38
Figura 11. Selección de visualización de la máquina.……….……… ………….....40
Figura 12. QFD o casa de la calidad………………………………………………….44
Figura 13. Arquitectura del producto………...…………...…………………….……. 46
Figura 14. Boceto 3………………..…………………….……..….……………………51
Figura 15. Motor 1, 12 voltios con Chuck intercambiable…..……...……….………55
Figura 16. Motor 2, 12 voltios con Chuck intercambiable………………………..…56
Figura 17. Motor 3, 12 voltios con Chuck intercambiable………..…..………..……57
Figura 18. Selección del escariador ideal para termoplásticos (PET)………….…58
Figura 19. Formulas taladrado ………….……………………………………...…..…59
Figura 20. Coeficiente de fuerza especifica de corte Kc para termoplásticos (PET)………………………………………………………………………………………61
Figura 21. Formulas taladrado para la fuerza axial……………………….…………61
Figura 22. Formulas taladrado potencia………………..………..………...…………62
Figura 23. Fórmula para hallar la fuerza tangencial real……………………………64
Figura 24. Fórmula para hallar la fuerza tangencial corregida…………………..…67
Figura 25. Diagrama de velocidad vs fuerza tangencial para la selección del módulo del piñón. ….………………….……….……………………..…………………67
Figura 26. Distancia del centro del piñón y cremallera.…………..…………………68
Figura 27. Formula diámetro primitivo………………………………..………………70
Figura 28. Selección cremallera………..……………………………………………..74
Figura 29. Estructura de una guía lineal……………………………….………….….75
Figura 30. Cargas admisibles en la guía lineal…………….…………….……….….76
Figura 31. Esfuerzo admisible…………………………………………..…………..…77
Figura 32. Diagrama velocidad V ………………………………..……..…...……..…78
Figura 33. Medidas y características motores paso a paso 3 fases……………….79
Figura 34. Sistema husillo de bolas………………………………………..………....80
Figura 35. Selección de eje de husillo de bolas……………………………..………82
Figura 36. Tuerca de husillo de bolas…………………………………………………83
Figura 37. Vista de la estructura………………...………………………..….……..…83
Figura 38. PLC Siemens…………………………………………………..……………85
Figura 39. Diagrama de flujo de arranque de un motor……………………………..87
Figura 40. Programación Ladder para un motor……………………………………..88
Figura 41. Panel HMI……………………………………………………………………89
Figura 42. Caja de control de condiciones ………………..…………..……………..92
Figura 43. Imagen en condiciones semi-controladas ……………………….…...…93
Figura 44. Foto pieza en condiciones controladas y con alta luminosidad ………94
Figura 45. Foto pieza filtro Gaussiano ………………………………………….……95
Figura 46. Foto pieza contorno con ruido ……………………………..……………..96
Figura 47. Foto pieza contorno ………………………………………...……………..97
Figura 48. Foto coordenadas……………………….…………………..……………..97
Figura 49: Diagrama para simulación…………………………………………………98
Figura 50: Ejemplo código del entorno de las piezas del sistema………………..99
Figura 51: Ejemplo diagrama Simulink que genera Matlab……………………….99
Figura 52. Diagrama de flujo proceso de simulación del sistema de corte……..100
LISTA DE ANEXOS
Pág.
Anexo A. 4.0 HD …………………………………….………………….………….… 107
Anexo B. LR 5.0……………………………………….…………………..……….… 108
Anexo C. PUNCH…………………………………...……………………..……….… 109
Anexo D.MRP500………………………………..………………………..……….… 110
Anexo E.FT10………………………………………….…………………………...… 111
Anexo F. Composición química ……………..…… …………………..…………….112
Anexo G. Propiedades mecánicas ………………………...………………….…….112
Anexo H. Propiedades físicas………………………………………………………..112
Anexo I. Boceto 1………………………………………………..…………………….113
Anexo J. Boceto 2……………………………………………………………….…….113
Anexo K. Motor 1, 12 voltios con Chuck intercambiable…..……...……….……...114
Anexo L. Motor 2, 12 voltios con Chuck intercambiable…………………………..115
Anexo M. Motor 3, 12 voltios con Chuck intercambiable………..…………….…..116
Anexo N. Coeficiente fuerza específica de corte KC para termoplásticos……..,.117
Anexo O. Detalles técnicos escariador……………………………………….……..118
Anexo P. Condiciones de la broca según el material a usar………….…………..119
Anexo Q. Datos técnicos PLC Siemens……………...………………………120 - 121
Anexo R. Módulo PLC…………………………………………………………….… 122
Anexo S. PLC Allen – Bradley ………………………………………….……….… 123
Anexo T. PLC Schneider Electric …………………………….………………….… 124
Anexo U. Planta de uchuvas…………………………………………….……….… 125
Anexo V. Sectorización del fruto…………………………….………………….… 125
Anexo W. Segmentación y ubicación del fruto.………………………….….….… 126
Anexo X. Código reconocimiento de imágenes…………………………………...127
Anexo Y. Planos CAD………………………………… ………………………..128-135
1 INTRODUCCIÓN
“El termoformado es un proceso de trasformación de plástico que involucra una lámina de plástico que es calentada y que toma la forma del molde sobre el que se coloca. El termoformado puede llevarse a cabo por medio de vacío, presión y temperatura.” [1]. Por consiguiente, el termoformado es un proceso de gran uso en la industria de manufactura, por ello, en el manual técnico de termoformado señala que, el auge del termoformado se da a partir del desarrollo de los materiales termoplásticos que se presentó durante la segunda guerra mundial, generando así, avances en el desarrollo de esta técnica de manufactura, ocasionando una gran comercialización y mejora en la calidad de productos, utilidad y rentabilidad. Igualmente, como se ha afirmado antes, el uso y desarrollo del termoformado permite para la época relacionada anteriormente, un mejor embalaje de materiales, insumos y como método primordial para el transporte de medicinas; uso que se da en el presente de forma comercial en todo el mundo, expandido y mejorado para otros medios, ya sean comerciales o industriales [2].
Desde entonces el termoformado ha experimentado grandes avances debido al considerable uso que se le ha dado a este proceso, y como exponen por su parte Domínguez, Garduño, Quiroz, Rodríguez y Sánchez. Termoformado. “De este modo en los años 60´s, el método de termoformado estaba estructurado y claro, además que era un proceso de manufactura popular, esto permitió la elaboración de diversos productos y avances en maquinaria para el mejoramiento de este proceso, hasta en los años 80, una era de gran consumismo, el termoformado fue un proceso clave para la elaboración de productos de embalaje de medicamentos, alimenticios, deportivos y medios publicitarios. De acuerdo a lo anterior, las personas e industrias observaron en el termoformado un método efectivo y poco costoso para la elaboración de productos en un lapso de tiempo corto que además no requería de grandes gastos ya sean ingenieriles o en maquinaria” [3].
En la actualidad, el termoformado es un proceso importante para la fabricación de gran variedad de productos que hoy en día se emplean, pero es necesario resaltar el plástico como material, ya que este presenta un bajo costo, es anticorrosivo, tiene un bajo tiempo de moldeado, no es insoluble y otros. Por esta razón se fabrica una gran variedad de productos con este material para campos como el alimenticio, embalaje, juguetería, médico y otros donde el termoformado es el proceso idóneo para fabricarlos. Pero independiente que existen máquinas de termoformado que ya realizan el proceso por si solas ya sean termoformadoras de alto rendimiento o que necesitan de un operario como lo puede ser una termoformadora compacta, existe una problemática alrededor del corte del exceso de material, es por eso que por medio del procesamiento de imágenes se quiere modelar la región de corte de este, para agilizar el proceso, disminuir costos e
incluso evitar los accidentes que sufre un operario al momento de retirar la misma con una cuchilla.
En base a las consideraciones anteriores, el proyecto de grado se realiza con el propósito de diseñar y simular un sistema de corte a piezas termoformadas, que incluya el control de condiciones de iluminación para la adquisición de imágenes. Todo con el fin, de hacer un aporte a la mejora de este método de manufactura, así mejorando el proceso en cuestión de tiempo y costos. Por su parte, es necesario tener en cuenta distintas etapas dentro del diseño como lo es el planeamiento conceptual, identificación, especificación de ítems del proyecto, diseño detallado y otros varios, con el fin de tener un desarrollo ingenieril para culminar el proyecto de forma adecuada.
RESUMEN
Se propone exponer el diseño de una máquina para el proceso de corte de piezas
termoformadas; debido a que actualmente el termoformado es un proceso de gran
importancia para la elaboración de diversos productos, no obstante, el corte de
dichas piezas no cuenta con una evolución al respecto, debido que este proceso
se realiza de forma manual en la mayoría de empresas donde se realiza este
proceso de manufactura. Teniendo en cuenta lo anterior se propone el diseño de
una máquina que ofrezca una solución a este proceso con el fin de hacerlo más
rápido y eficiente.
Ahora bien, para el diseño de esta máquina, se emplea una metodología basada
en técnicas de selección y estudio de cada componente para comparar y elegir el
más adecuado, además se efectúa por medio de diagnósticos generales en el
área del diseño de la máquina determinando fortalezas y debilidades que
contribuyen a la detección de puntos críticos, logrando estrategias ingenieriles que
conllevan a la arquitectura del producto e implementación de una QFD (Quality
Function Deployment) por sus siglas en inglés o casa de la calidad , lo que permite
tener mejor proyección para el diseño y selección de componentes y así obtener
un producto que compita en el medio industrial y permita más avances del mismo.
Ciertamente es necesario el diseño e implementación de un sistema de
adquisición de imágenes para la de identificación de la región de corte de las
piezas termoconformadas, que facilita el diseño del procesamiento de imágenes.
En definitiva, el diseño del prototipo se realiza en el software Inventor, la estructura
del control de condiciones lumínicas se elabora en acrílico con una película oscura
para mantener las condiciones de iluminación controladas y el procesamiento de
imágenes y simulaciones del sistema de corte se realizan en Matlab.
Palabras Claves: Termoformado, Casa de la calidad, Prototipo, Región de corte, Sistema de adquisición de imágenes, Procesamiento de imágenes;
ABSTRACT
It is proposed to expose the design of a machine for the process of cutting of thermoformed pieces; because thermoforming is currently a process of great importance for the production of many products, however, the cutting process of these parts does not have an evolution in this regard, because this process is done manually in most companies where this manufacturing process is carried out. Taking into account the above, the design of a machine that offers a solution to this process was proposed in order to make it faster and more efficient.
However, for the design of this cutting machine, a methodology based on techniques of selection and study of each component is used to compare and choose the most suitable, in addition it was made by means of general diagnoses in the area of the design of the machine determining strengths and weaknesses that contributed to the detection of critical points, achieving engineering strategies that lead to the product architecture and implementation of a QFD (Quality Function Deployment), which allows having better projection for the design and selection of components and thus obtain a product that innovates in the medium and allows more progress of it. It was certainly necessary to design and implement an image acquisition system for the identification of the cutting region of the thermoformed pieces, which facilitated the design of image processing. In short, the design of the prototype was made in the software INVENTOR, the image acquisition system was built in acrylic with a dark film to maintain the controlled lighting conditions and the image processing and simulations of the cutting system were made in Matlab.
Key Words: Thermoforming, Quality Function Deployment, Prototype, Cutting Region, Image acquisition system, Image processing;
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1.1 Antecedentes del problema
El termoformado es un proceso donde una lámina, por lo general de plástico, se adapta a la forma de un molde por medio de diversos métodos cómo, por ejemplo, vacío y presión. De este modo se genera un producto de consumo para diversos mercados; pero este necesita de un operario para una etapa del proceso como lo es el corte del exceso de material, un oficio donde el operario está expuesto a un corte debido a la manipulación de la cuchilla como se puede observar en la Figura 1, por eso es necesario que dentro del proceso exista un mecanismo que se encargue del corte automático del exceso de material de la pieza, de este modo dicho mecanismo se diseña por medio de procesamiento de imágenes hasta la etapa de la simulación de región de corte del producto.
Figura 1. Corte de piezas plásticas termoformadas.
Fuente: Máquina Formech FT10
http://formech.com/wp-content/uploads/Spec-sheet-FT-Series.pdf
1.1.2 Descripción del problema
Actualmente el termoformado es un proceso de manufactura que contiene diversidad de máquinas que realizan el proceso de forma automática o semiautomática como se muestra en las figuras 2 y 3, donde es necesario de personal humano en las diferentes fases que lleva este proceso con el fin de obtener un producto final, etapas donde un procedimiento debe hacerse de forma manual, como la sección de sujeción o pisador de la lámina de plástico. Por su parte, el trabajo más extenuante resulta ser el corte del exceso de material de la pieza termoformada, debido que un operario debe retirar la rebaba con una cuchilla, trabajo que conlleva de un alto cuidado debido su peligrosidad y de un alto tiempo de trabajo por pieza teniendo en cuenta la geometría de esta.
Figura 2. Máquina semiautomática de termoformado
Fuente: Máquina semiautomática Formech: http://www.directindustry.es/prod/formech/product-56285-605120.html
Figura 3: Máquina de termoformado automática
Fuente: Máquina termoformadora automática de láminas BOPS WLQY-580: http://www.packaging-machinery.es/1-automatic.html
1.2 JUSTIFICACIÓN
El termoformado, es un proceso de manufactura que elabora productos tales como embalajes para alimentos, medicinas, también de productos publicitarios y demás; dicho lo anterior, los termoplásticos facilitan la adaptación a la forma que se requiera, debido a su facilidad a deformarse cuando son calentados. Ahora bien, es necesario de un operario en diversas etapas del proceso para poder obtener un producto, independiente del tipo de máquina de termoformado, ya sea automática, semiautomática o manual. En el caso de las máquinas manuales, que resultan comunes en la industria, es necesario de personal de trabajo debido a la poca autonomía de estas en la unidad de sujeción, para retirar el material y realizar el corte del mismo; de este modo, se busca presentar un avance para este proceso, como lo sería la adaptación de un sistema de simulación de la región de corte del exceso de material. Por las consideraciones anteriores, se busca presentar un avance para este proceso de manufactura de gran uso en las áreas anteriormente mencionadas. Hecha esta salvedad, se resalta que ya teniendo el producto termoformado, es decir que teniendo la lámina termoformada con su respectiva geometría, se analiza por medio de procesamiento de imágenes que cuenta con el control de condiciones lumínicas, para de esta forma tomar los puntos de corte de la pieza y simular el retiro del exceso de material. Como consecuencia de esto, se presenta un avance en el entorno a la automatización industrial y domótica, así como la adición de un sistema de región de corte que será simulado, lo que permite la continuación del proyecto en grupos de investigación.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo general
Diseñar y simular un sistema de corte para piezas termoconformadas con reconocimiento automático del área de la pieza.
1.3.2 Objetivo específico
Diseñar y construir el sistema de adquisición de imágenes en condiciones controladas.
Diseñar un sistema de reconocimiento de la región de corte del exceso de material de la pieza termoconformada.
Diseñar y simular un sistema de corte para el exceso de material de la pieza termoconformada.
Diseñar y simular el sistema mecánico y de control para el dispositivo de corte del exceso de material de una pieza termoformado.
1.4 DELIMITACIÓN DEL PROYECTO
1.4.1 Alcances y limitaciones
ALCANCES
Con el proyecto de grado se busca diseñar y simular un sistema de corte para la rebaba de piezas termoformadas, se realiza el diseño mecánico del sistema de corte, con selección de materiales y tipo de herramienta de corte, teniendo en cuenta el material que se debe cortar. Debido a que se trata de un sistema de corte automático con reconocimiento de la región de corte, se realiza el reconocimiento a partir de la toma de imágenes superficiales de la pieza, que luego se procesan y de esta manera identificar la zona de rebaba que se debe cortar, el corte será simulado en una herramienta que posibilite dicho fin, la simulación se hace con la intención de no incurrir en costos excesivos.
LIMITACIONES
Debido a que el proyecto de grado se trata de la simulación de un sistema de corte para piezas termoformadas, la principal limitación son las dimensiones del producto termoformado, existe gran variedad de productos termoformados en el mercado con dimensiones que pueden llegar a exceder y dañar el control de condiciones que se debe tener al momento de diseñar un sistema autónomo como el que se quiere, la herramienta que facilita este proceso, para los fines del proyecto, es el uso de una cámara Kinect, pero su baja resolución dificultaría el proceso de corte en cuanto a la precisión cuando se trate de piezas muy grandes. Además, el diseño sistema de corte depende del tipo de producto al que se le efectuará el corte.
1.5 MARCO REFERENCIAL
1.5.1 Marco teórico
Originalmente, la disponibilidad de planchas de materiales termoplásticos dio lugar a la idea de construir moldes hembra, emplazar sobre ellos una plancha de estos materiales, fijarla de modo que el hueco entre molde y pieza fuese estanco, calentarla hasta su temperatura de reblandecimiento y hacer el vacío en dicho hueco, de modo que el material se estire y se adapte a la superficie del molde. Una vez fría la pieza, se extrae, se recorta el material en exceso y se obtiene una pieza acabada. Como alternativa, en lugar de aplicar vacío entre el molde y lámina, puede aplicarse presión sobre ésta para obtener un resultado similar, o pueden combinarse ambas técnicas para embutijases profundos.
La adaptabilidad del proceso a las grandes series, especialmente en cubetas de pequeño tamaño para la industria alimentaria, ha hecho que se desarrollasen máquinas de moldeo secuencial con moldes de cavidades múltiples, y sistemas automatizados de alimentación y transporte de la lámina, y troquelado y apilado de las piezas.
La variedad de materiales con que pueden fabricarse los moldes, que va desde la escayola reforzada con fibra de vidrio al acero, con especial preferencia por el aluminio, dados su conductividad térmica y fácil mecanizado, hacen a estos procedimientos especialmente adecuados para series cortas, partidas piloto e incluso prototipos.
La velocidad del moldeo depende fundamentalmente del ciclo térmico. Cada tipo de material y cada grado de embutisaje hacen que se deba trabajar en una zona alta o baja de la ventana térmica de cada polímero. Optimizar el intercambio térmico supone reducir el ciclo total de tiempo que se precisa utilizar [2].
1.5.1.1 Métodos de conformado
El sistema más simple es el estirado de una lámina en estado semi-plástico sobre un molde. A medida que la lámina topa con la superficie del molde, el estirado se detiene y, como resultado, las partes de la lámina que tocan al molde en primer lugar tienen un espesor mayor que el resto. Si el estirado es pequeño, no queda comprometida la integridad de la pieza y, por tanto, es el procedimiento más usado en el envase de tipo "blíster" y en los embalajes de tipo burbuja.
Figura 4: Método de termoformado
Fuente: Blogspot-Termoformado: http://termoformadodelaminas.blogspot.com.co/2012/01/termoconformado.html
1.5.1.2 Conformado de una sola etapa
Si se precisa un grado elevado de estirado o se utiliza chapa gruesa no es posible usar el sistema anterior. Existen cinco métodos que realizan el conformado en una sola etapa.
A.- Conformado por adaptación: la lámina caliente se baja sobre el molde macho o se hace subir a éste de modo que se adapte a su forma. La adaptación se complementa haciendo el vacío entre el molde macho y la lámina, o aplicando sobre ella presión de aire. Los productos de este proceso presentan un espesor grande en el fondo que va disminuyendo hasta ser mínimo en los bordes.
B.- Moldeo por vacío: la lámina se fija sobre el borde del molde hembra haciendo luego el vacío como se ha indicado inicialmente. En contraste con el proceso anterior, el espesor de la pieza es mayor en los bordes y mínimo en los cantos de la parte inferior.
C.- Formado a presión: similar al moldeo por vacío, sobre la lámina se aplica además aire comprimido hasta 1,4 MPa, por lo que el sistema precisa de una cámara cerrada superior. Este procedimiento se utiliza para conformar lámina de pequeña galga de materiales como el PP, que se suministran en rollo, o para transformar lámina de gran espesor en piezas con detalle superficial fino.
D.- Molde y contramolde: utilizados para conformar piezas a partir de polímeros relativamente rígidos, como la espuma de PS [19].
1.5.1.3 Conformado en etapas múltiples
El principal inconveniente de los métodos descritos es la dificultad para controlar el espesor en piezas complejas que presenten cantos con radios reducidos o un embutisaje profundo, especialmente cuando se conforman planchas de un espesor importante. Por ello se han desarrollado métodos con más de un paso, siendo habitualmente el primero una forma de estiramiento de la lámina.
A.- Estirado de burbuja: se forma una burbuja como se ha descrito antes y un molde macho desciende a continuación. Al cerrarse sobre los bordes de la lámina, se aplica vacío entre ambos y presión de aire en la cámara inferior.
B.- Vacío con respaldo: de modo inverso al anterior, la burbuja se forma mediante vacío entre la lámina y la cámara inferior. El molde macho desciende y completa el conformado, efectuándose el vacío entre éste y la lámina y aplicando aire comprimido entre ésta y la cámara.
C.- Vacío con burbuja: se utiliza un molde hembra y se aplica aire a presión entre el molde y la lámina. Una vez formada la burbuja, se hace el vacío entre ésta y el molde.
D.- Vacío asistido con pistón: para asegurar el espesor del fondo y sus aristas, un pistón macho con la contraforma de éstos desciende sobre la lámina hasta contactar con la cavidad hembra, entre las cuales se aplica el vacío ara completar el moldeo.
E.- Presión asistida con pistón: combinando el método anterior con una cámara superior, este sistema aplica presión de aire sobre la lámina, y el molde hembra lleva taladros de ventilación que pueden o no conectarse a una bomba de vacío.
F.- Presión asistida con pistón con estirado inverso: como en el método anterior, pero con un paso previo de formación de burbuja con aire a presión desde el molde inferior, hasta que ésta toca al pistón, que desciende entonces hasta el contacto con el molde hembra [19].
Maquinaria de termoformado
Desde el punto de vista de la maquinaria y equipo, el proceso de termoformado puede analizarse según:
- La fuente de calentamiento; - La estación de conformado, incluyendo el bastidor de la máquina, la
mesa de conformado con el sistema de arrastre y el de expulsión; - El sistema de vacío y presión de aire; - El marco de estirado de la lámina y el mecanismo de transporte; - El sistema eléctrico o electrónico para los automatismos; - El equipo adicional (manejo de la lámina, ajuste, recorte)
1.5.1.4 Calentamiento
La temperatura de la lámina debe llegar a la óptima con una tolerancia de 5 °C y
durante el transporte a la estación de moldeo no debe caer más de 5 a 10 °C. Las distintas técnicas incluyen:
Alambre de calefacción de Ni/Cr, barras de resistencia metálicas, radiadores cerámicos. Placas radiantes calentadas por gas, calentadores de cuarzo en forma de placa o varilla, lámparas calentadoras, placas de cristal de cuarzo.
La temperatura superficial del calentador se controla mediante termopares o termistores y el calentamiento de la lámina se establece en relación al tiempo, generalmente por iteración.
Aunque el calentamiento por infra-rojos es el más frecuente, algunas láminas pueden calentarse por contacto con una placa metálica caliente, o por convección en un horno con circulación de aire. El calentamiento por energía de radio-frecuencia (RF o micro-ondas) requiere que el material absorba estas frecuencias, como en el caso del PVC [19].
1.5.1.5 Plataforma de conformado
La estación de conformado debe incluir todos los elementos necesarios para pretensar la lámina de la que se formará la pieza, para enfriarla y para extraerla del molde.
Para moldeo a presión de piezas mayores de 300 mm o de más de 600 mm de longitud, el accionamiento de los moldes hace necesaria una estructura de tipo de prensa con barras de soporte importantes, normalmente cuatro. Debe ser fácil el mantenimiento y cambio de moldes y el ajuste en altura de la apertura de los mismos, así como el conectar los medios de enfriamiento o control de temperatura.
La altura total debe ser suficiente para el moldeo con burbuja y/o asistido con pistón o el pre-estirado.
Son importantes los medios de enfriamiento superficial y del molde: sopladores, turbinas, chorros de aire enfriado, boquillas de niebla etc.
La estructura de soporte debe ser adecuada para soportar moldes pesados y debe existir un volumen suficiente para la ventilación de las cámaras de los moldes. Debe ser posible un acceso fácil a las líneas de vacío y aire comprimido [19].
1.5.1.6 Comportamiento del material
El material más utilizado en el termoconformado es el PS, tanto en lámina como en espumado extruido. En el primer caso, como para otras láminas tradicionales, no se precisa más sofisticación del proceso estándar de termoformado. Sin embargo, para obtener estampación profunda del espumado (EPS), no es suficiente dicho proceso.
Ha sido necesario desarrollar nuevas técnicas para el moldeo de materiales como el PP y el C-PET, como la del SPPF (conformado a presión en fase sólida), que requieren técnicas sofisticadas de control para el calentamiento y demás fases del proceso, así como nuevas filosofías de recorte y reciclado. Estas técnicas han sido transportadas a otros procesos y los han mejorado de modo considerable.
Por ejemplo, hasta el desarrollo del conformado del C-PET, todo el proceso se iniciaba y terminaba con el polímero en un estado "A". Con el PET cristalino, se calienta con gran rapidez una lámina amorfa de PET altamente nucleado. La lámina empieza a cristalizar y continúa haciéndolo a medida que se conforma en el molde. La lámina inicial de PET es esencialmente amorfa y tiene el 0% de cristalinidad. En el momento de tocar por primera vez el molde caliente tiene un 8-10% de cristalinidad y cuando se extrae, llega de un 30% a un 35% y hace capaz
al material de soportar temperaturas de hasta 200 °C durante 1 hora, habiendo trasformado un material de propiedades "A" en otro de propiedades "B".
Casi todos los materiales que se termoforman carecen de cargas o refuerzo de fibras. Las excepciones son el PP-FV (reforzado con fibra de vidrio) o el PA-CF (reforzada con carbono) para aplicaciones del automóvil. Estas láminas deben calentarse a temperaturas superiores a las de fusión del polímero y forjarse entonces, a presiones elevadas para movilizar las rígidas fibras de refuerzo.
Otras fibras menos rígidas, tales como las de PET, PA-66 y HDPE altamente orientado pueden reforzar plásticos de baja Tg sin requerir condiciones atípicas de termoformado, aunque con la pérdida de características mecánicas debida a la elevada elasticidad de estas fibras. Otros materiales, como los polímeros de cristal líquidos, son auto-reforzantes, orientándose sus moléculas alargadas en la dirección del estirado.
Los plásticos amorfos tienen esencialmente estructuras similares al vidrio, por lo que las técnicas utilizadas en el moldeo de vidrio pueden ser aplicables a estos plásticos. Se sabe, por ejemplo, que el vidrio amorfo caliente no es penetrado por una barra fría si se aplica a gran velocidad. Esta técnica funciona también con algunos plásticos, tales como PS y PET. Si la barra se articula durante la introducción, puede conformarse mecánicamente un envase de fondo cuadrado. El desarrollo de nuevas aleaciones poliméricas con comportamientos
diferenciados puede permitir también el de nuevos métodos de termoconformado [19].
Tabla 1. Temperatura de trabajo de los termoplásticos
Fuente: Fabrinco Tutorial - Termoformadohttp://www.fabrinco.com/wpcontent/uploads/2014/05/Tutorial_Fabrin
co_Termoformado.pdf
1.5.1.7 Moldes para termoformado
El procedimiento de termoformado es particularmente adecuado para la fabricación de prototipos y series cortas o piloto. Para este tipo de producción, los moldes pueden ser muy económicos y la selección de material depende básicamente de la calidad de superficie que se desee obtener. Es de notar que se suele tratar de moldes hembra y que es necesario disponer en ellos finos taladros para efectuar el vacío a su través, estando el molde contenido en una cámara en la que se hace el vacío. Los taladros no deben ser tan grandes que resulten marcas en la pieza y deben distribuirse de un modo adecuado teniendo en cuenta que son los que producen las zonas de aspiración.
- Los moldes en madera se fabrican a partir de maderas duras secadas al horno para evitar deformaciones debidas al ciclo térmico del proceso. Si deben construirse en piezas, éstas se juntan a cola de milano o se encolan con resorcinol o adhesivo epoxi. La madera, fácil de mecanizar, puede
emplearse también para construir prototipos de pistón en moldes definitivos metálicos y obtener la mejor forma por iteración.
- Los moldes de escayola, especialmente si están reforzados con un 5% de fibra de vidrio cortada, tienen una duración sorprendente. Para realizarlos se requiere un modelo con suficiente resistencia para soportar la temperatura de fraguado del yeso. Como desmoldeante se suelen emplear jabones o parafina disuelta en aguarrás. El molde endurece en unos 30-50 minutos y puede extraerse, pero debe dejarse secar, para que adquiera suficiente consistencia, hasta que pueda encenderse una cerilla raspando sobre su superficie.
Otros materiales para fabricar los moldes pueden ser los metales blandos depositados por fundido-proyección.
- Por su conductividad térmica, los moldes de aluminio son los más populares para este proceso. Los moldes de alta calidad se mecanizan y para moldes más económicos puede utilizarse aleaciones, aunque suele presentar porosidades que crean problemas de regulación térmica.
- Los moldes de acero para estos procesos, dado que las presiones son casi siempre, muy inferiores a las de los procesos de inyección, pueden construirse con aceros menos conflictivos para el mecanizado y bruñido, además de presentar menor riesgo de deformación al endurecimiento [19].
1.5.2 Estado del arte
Desde principios del siglo XX se han conocido algunas técnicas del formado de láminas, con materiales como el metal, vidrio y fibras naturales. Los verdaderos principios del termoformado se dieron con el desarrollo de los materiales termoplásticos, lo cual fue durante la segunda Guerra Mundial. Los años de postguerra trajeron los grandes volúmenes de comercialización y el rápido desarrollo de equipos y maquinaria capaces de adaptarse a los métodos modernos de manufactura, para producir productos más útiles y más rentables. Durante los años cincuenta, los volúmenes de producción de materiales termoplásticos y los productos hechos con ellos alcanzaron cifras impresionantes. La década de los 60's fue una era que cimentó las bases del futuro desarrollando la industria del termoformado. En los 70's, los grandes consumidores y la competencia entre productos, demandaron máquinas de alta velocidad y productividad. Desde la década de los 80's hasta la fecha, los termoformadores han ganado tal confianza en su proceso, han ido más allá de sus expectativas y
han establecido líneas continuas capaces de producir artículos terminados; además de reciclar su desperdicio con un mínimo de control. Los equipos se han computarizado y hoy permiten un auto monitoreo y funciones de diagnóstico [2].
El proceso de transformación de plásticos por termoformado ocupa un lugar secundario al ser comparado con procesos intensivamente utilizados como la extrusión o el moldeo por inyección. Sin embargo, las tendencias han cambiado y el termoformado se está volviendo la mejor elección para cientos de nuevas aplicaciones.
El termoformado comercial comenzó a finales de 1800.Entonces era empleado para producir sonajeros para bebés, peines, marcos para fotos y espejos. Los avances tecnológicos se estancaron hasta la segunda guerra mundial, cuando se utilizaron acrílicos de alto espesor para formar los parabrisas y las cabinas de los bombarderos. Desde esa época ha habido avances en cuanto a resinas, maquinaria y tecnología de moldes. El empaque continúa siendo la mayor aplicación para los polímeros en todos los países y en todos los niveles de desarrollo. Representan el 30 al 40% del consumo total de plástico [18].
Figura 5. Empaques para alimentos
Fuente: Empaque termoformados: http://empaques-termoformados.com/.
Pese a su gran tamaño, la industria del termoformado sólo ocupa la sexta posición entre las industrias transformadoras del plástico. Sus competidores directos como el moldeo por inyección, el moldeo por soplado y el rotomoldeo poseen la ventaja de utilizar como materia prima pellets en lugar de láminas, lo cual representa un ahorro en costos de materia prima.
Los plásticos más comunes para termoformado incluyen el ABS, el PVC, el PMMA, el PE y el PP. Los polímeros amorfos son los más utilizados, debido a sus amplias ventanas de procesamiento y a sus buenas resistencias de masa fundida.
Los productores de materiales permanecen constantemente en la búsqueda de nuevos materiales que permitan proveer nuevas oportunidades de negocio para los termoformadores. Existe una variedad de empresas dedicadas a la investigación y desarrollo de láminas para termoformado en diferentes materiales, tanto de consumo masivo como de alta ingeniería [18]. A continuación, algunas de las últimas novedades en láminas y resinas para termoformado.
Spartech Corp: lanzó un grupo de estructuras laminares termoformables, con el fin de añadir durabilidad en partes sometidas a la intemperie, como paneles externos para camionetas y vehículos recreativos, gimnasios, piscinas y bañeras. Dentro de este grupo de estructuras se destaca la estructura Enviro-Guard, una lámina antimicrobiana ofrecida en ABS monocapa y en coextrusión de ABS/acrílico. La lámina es dispersada con un aditivo antimicrobiano en su superficie externa, haciéndola aplicable en ambientes externos sometidos a la acción destructiva y contaminante de los microbios. Las láminas de la serie SoundX Plus, también de Spartech, son estructuras coextruidas de poliolefinas, con un sustrato interno cargado con relleno mineral, el cual provee propiedades de aislamiento acústico mientras las capas de poliolefina le dan resistencia a la humedad. Las aplicaciones de este tipo de lámina se dan en paneles para automóviles y camionetas [18].
GE Plastics también ha trabajado en lograr alta procesabilidad y buena resistencia a las condiciones ambientales para la manufactura de piezas de gran tamaño. La empresa ha comprado e instalado una máquina industrial de termoformado para proveer investigación y desarrollo para la industria de autopartes, en la búsqueda de materiales que permitan reemplazar la pintura de las carrocerías [18].
Ticona, ofrece la resina Fortron PPS que soporta temperaturas de servicio de hasta 200ºC, alta pureza y alta resistencia química en sus versiones pura y reforzada con vidrio. Esta resina ha sido utilizada en interiores termoformados de tanques químicos y en aplicaciones de semiconductores. Ticona también formuló una mezcla de copolímero de olefina cíclica Topas 6013 COC, la cual puede ser extruida en lámina termoformable capaz de sobrevivir esterilización a vapor a 121ºC por 20 min. El material se usa en empaque de medicinas y apunta actualmente a la fabricación de dispositivos de diagnóstico, componentes ópticos y productos infantiles [18].
1.5.2.1 Mayor control en maquinaria
Las nuevas máquinas de termoformado de espesor delgado incluyen diversos avances tecnológicos, que incluyen calentadores completamente controlados, avances de lámina manejados por servomotores eléctricos, pines de estirado integrados en las cajas de presión, y sistemas de corte y apilamiento automático.
El calentamiento y adecuación de la lámina es un proceso crítico; en él se pueden emplear calentadores de distintos tipos, incluyendo cerámicos, de panel, halógenos o de gas catalítico. El proceso de corte final se da en estaciones automáticas mediante sierras eléctricas o ruteadoras de tres o cinco ejes. Las operaciones de corte pueden llegar a ser complejas y representar mayores costos que la operación de formado en sí misma. Algunas máquinas incorporan sistemas robotizados que desempeñan las funciones de carga/descarga, recorte de bordes y apilado de las partes finalizadas. A continuación, se describen algunas de las últimas novedades en cuanto a equipos y sistemas de termoformado.
Thermoforming Systems LLC desarrolló el equipo Low Flex 5.0, el cual incluye unidad de termoformado, túnel de calentamiento y prensa de corte en un sólo paquete. El equipo ofrece presiones de formado de hasta 100 psi y un marco más rígido que el de sus modelos recientes. Las mayores presiones generadas permiten mejor distribución del material y mayores velocidades, mientras que el marco más robusto permite mayores fuerzas del sistema de corte, facilitando tolerancias ajustadas. El sistema puede operar con un molde de 52 pulgadas cuadradas y producir partes plásticas de hasta 9 pulgadas de profundidad, con un ciclo de 6,000 libras por hora [18].
Figura 6. Unidad de termoformado Low Flex 5.0
Fuente: LF Formes http://www.tslusa.biz/en/product_detail-3
MAAC Corp. fabrica cuatro tipos de maquinaria: unidades simples, dobles, y unidades rotativas de 3 y 4 estaciones. Todas están disponibles con formado de alta presión y con la opción de manufactura de láminas gemelas. Las máquinas vienen en 36 diferentes tamaños desde 3 x 4 pulgadas hasta 10 x 20 pulgadas. La línea Comet posee placas superior e inferior motorizadas, control mediante pantalla táctil y PLC, y marcos de cierre en aluminio. Las máquinas rotativas poseen hornos cerámicos y elementos de cuarzo de encendido y apagado instantáneo para reducir el consumo eléctrico en cerca del 50% [18].
La empresa Formech ofrece una termoformadora compacta, ideal para propósitos educativos o de prototipaje. La Formech Compac Mini requiere mínimo espacio de trabajo y puede producir piezas plásticas de hasta 4mm de espesor. Cuenta con un área de formado de 11 x 9 pulgadas y una máxima profundidad de estirado de 4 ¾ pulgadas; posee calentadores cerámicos infrarrojos de alta potencia en un arreglo concéntrico que elimina la necesidad de zonas de reajuste. La fuerza de formado por vacío la provee una bomba de diafragma de dos etapas [18].
Amut, emplea la máquina FFG 750 que es impulsada por servomotores e incluye un horno de precalentamiento para procesar láminas gruesas de PP y un molino integrado para el reproceso del material sobrante. Las versiones eléctricas de este tipo de equipo pueden generar ahorros energéticos de hasta 40% con tiempos de ciclo más cortos que las versiones hidráulicas, de acuerdo con su fabricante [18].
Figura 7. Unidad de termoformado FF750
Fuente: Amut COMI FFG750 http://www.amutgroup.com/amutcomi/en/catalogues
Zed Industries, por su parte, ofrece la línea SF (Servo-Form) de termoforma doras para manufactura de empaques en altas producciones. La máquina es capaz de efectuar 50 ciclos por minuto con poliestireno de alto impacto. Las placas se mueven mediante servomotores, resultando en un incremento en la velocidad del ciclo. Los servomotores permiten ajuste preciso y repetible de las carreras y velocidades de las placas móviles y de los pines de estirado.
Figura 8. Unidad de termoformado Zed Industries
Fuente: Zed Industries http://zedindustries.com/thermoformers/sf-series-high-speed-thermoformers/
Illig GmbH, con su modelo RDK80, trabaja a 35 ciclos por minuto en un área de formado de 29.9 x 22.6 pulgadas utilizando formado a presión. La unidad ofrece ajuste asistido por computador y servomotores para asegurar velocidades precisas. El modelo RDKP 72d, también de Illig, posee un sistema de actuación mediante servomotor, y trabaja a 45 ciclos/minuto [18].
Figura 9. Unidad de termoformado RDK80
Fuente: Illig GmbH RDK80 http://www.illig.de/uploads/tx_illig/IC-RDK_80_en_web.pdf
DT Industries pone a disposición una nueva generación de sistemas de formado-corte-apilamiento para contenedores alimenticios y piezas para la industria médica. La máquina Gen II posee un área de formado de 32 x 34 pulgadas, e incluye un controlador programable Siemens Simatic PC670, el cual permite ajustar y programar todas las operaciones de formado. Un robot remueve y apila automáticamente las piezas terminadas mientras un sensor infrarrojo sin contacto monitorea la temperatura de la lámina [18].
1.5.2.2 Novedades en moldes
Portec, utiliza una fundición metálica microporosa para la producción de moldes. El material incorpora de 10 a 15% de aire por volumen, eliminando la necesidad de maquinar puertos de venteo. Adicionalmente, entrega una apropiada conductividad térmica y pesos reducidos hasta en un 36% con respecto al aluminio [18].
Nest Technologies Inc. ofrece su placa herramienta microporosa Vacplate 1155. Afirma que permite alto detalle y resolución, formado transparente y una uniformidad de espesor mejorada [18].
1.5.2.3 Aplicaciones novedosas El termoformado de lámina delgada ha sido tradicionalmente usado en empaques tipo blíster de productos, contenedores de alimentos, bandejas y envases desechables. El termoformado de láminas gruesas fabrica productos de mayor valor agregado, como componentes internos y externos de vehículos y embarcaciones, interiores de refrigeradores, carcasas de componentes electrónicos, cascos de seguridad, domos y cúpulas para construcción, cascos de bote, casetas para regaderas, difusores de luz, anuncios luminosos y juguetes [18].
Algunas novedades, principalmente en la industria automotriz, son enumeradas a continuación.
Visteon termoforma tanques de combustible en lámina multicapa. El termoformado reemplaza al moldeo por soplado en la manufactura de este tipo de componentes, permitiendo lograr patrones irregulares, simplificando el ensamblaje y flexibilizando la producción. Empresas como Visteon o Delphi argumentan que sólo los tanques termoformados podrán cumplir con los estándares de emisiones previstos para los años venideros. Delphi fabricó los primeros tanques de combustible termoformados mediante el método de láminas gemelas [18].
Kleerdex Co. manufactura la serie Kydex de láminas en acrílico/PVC, con propiedades retardantes de llama, para decorar piezas de madera con materiales plásticos. El método de termoformado de membranas sirve para manufacturar muebles de oficina, hospitalarios y paneles de paredes. Consiste en presionar una membrana plástica sobre bases de madera maquinada mediante CNC, los cuales hacen el papel de moldes para la lámina de recubrimiento [18].
American Tool & Engineering Inc. termoforma partes anteriormente manufacturadas por inyección, mediante dispositivos especiales que permiten que la pieza final pueda tener contrasalidas y formas geométricas complejas. El costo por pieza es mayor que en el proceso de inyección, pero el herramental resulta más económico, haciendo la manufactura viable para pequeñas producciones [18].
1.5.2.4 Equipos periféricos
Edward D. Segen & Co. introdujo una nueva versión económica de su sistema neumático de cambio rápido de herramientas. El equipo PD250 permite cambio rápido de moldes, insertos y provee hasta 500 libras de fuerza. El sistema basado en cilindros neumáticos permite el cambio de herramental en minutos, utilizando aire para asegurar y ajustar moldes y otros componentes [18].
Thermoforming Technologies ha patentado un nuevo sistema de control para calentamiento, diseñado para piezas de gran tamaño. El sistema utiliza un arreglo de pirómetros infrarrojos sin contacto junto con un computador DEC Vax y una pantalla táctil, para proveer control de retroalimentación de los calentadores de cuarzo [18].
1.5.2.5 Simulación
Las simulaciones de proceso generadas por computador tienen como objetivo optimizar la distribución de temperatura y espesor de las partes en el molde, y son una herramienta muy útil para los termoformadores.
Simular los procesos de formado paso a paso permite probar los diseños de producto y molde antes de su manufactura. Se pueden simular adicionalmente los movimientos del molde o la herramienta, y la transferencia de calor y la fricción de la lámina contra el molde. Algunos programas poseen bases de datos de propiedades mecánicas de materiales comunes, permitiendo predecir acertadamente las propiedades estructurales de la pieza final [18].
Interforming S.A. se dedica principalmente a la producción de piezas para la industria de la refrigeración. Además, cuentan con una división especializada en ganadería y campo, donde producen bebederos y comederos; el uso de plástico reforzado en estas aplicaciones proporciona mayor durabilidad y calidad.
La empresa se encarga en recibir las ideas de los clientes, y desarrollarlas a través de un trabajo conjunto con diseñadores industriales. La empresa fabrica su propia lámina; el diseño de moldes se lleva a cabo en la empresa.
Termotec, por su parte, entró recientemente a fabricar piezas termoformadas de gran tamaño. La empresa provee a sus clientes una solución integral, partiendo de un diseño apoyado en simulación 3D, desarrollando la matricería necesaria y manteniendo un contacto permanente con el usuario final [18].
1.5.3 Marco normativo
Normativa dibujo técnico ISO 128-24.
Normativa tamaños de papel ISO 216.
Normativa roscas métricas DIN 13.
Normativa para husillos DIN69051.
Normativa para husillos JIS B 1192-1997.
Normativa sujetadores DIN 267.
Normativa escariadores de máquina DIN 209.
Normativa para visualización de pantallas ISO 9241-210 (Sanz, 1996).
1.6 MARCO METODOLÓGICO
El objetivo del proyecto de grado, es poner en práctica los conocimientos adquiridos en la formación de ingenieros Mecatrónicos de la Universidad Piloto de Colombia, a causa de contar con la singularidad de ser formados como profesionales resolutivos; en efecto, se diseña y simula un sistema de corte del exceso de material de una pieza termoformada, así incluyendo áreas a fines de la mecatrónica.
De este modo, se busca hacer el sistema mediante un diseño conceptual, que reúna a cada uno de los integrantes del proyecto para realizar una identificación acerca del problema a abarcar; Posteriormente se busca realizar una delimitación que nos arroje la definición de los ítems con mayor valor de importancia para el proyecto. Luego, se quiere obtener los módulos para realizar la arquitectura del producto y su configuración, y así poder poner en contraste otras máquinas con el fin de analizar de qué modo se puede mejorar el proyecto por medio de una QFD. En definitiva, se busca un desarrollo ingenieril que permita el buen desarrollo y finalidad del proyecto de grado que consiste en la simulación de una máquina que realice el corte de piezas termoformadas forma automática.
Teniendo en cuenta que existe diversa información acerca de máquinas de termoformado, es necesario consultar información que complemente el trabajo de grado además de mejorarlo, y observar así, que mejorar y de qué forma se implementan.
2 DISEÑO INGENIERIL
2.1 IDENTIFICACIÓN
Con fines investigativos se realiza una visita a Termoformados Osorno en la ciudad de Bogotá DC, una empresa especializada y líder en el trabajo de plásticos termoformados, brindado soluciones a gran parte de la industria con gran variedad de productos como lo son, termoformados 3D, estuches y empaques plásticos. Teniendo en cuenta la gran variedad de productos con los que Termoformados Osorno trabaja, donde algunos se pueden observar en la figura 10, incentivó a indagar acerca del proceso de elaboración de piezas termoformadas junto con el corte de las mismas [7].
En Termoformados Osorno, se elabora un molde ya sea en madera o resina, para las piezas de termoformado, donde a partir del molde con el material seleccionado, se tienen distintos tipos de plástico para la elaboración del producto; Poliestireno, PET, PVC y Polipropileno, a una temperatura definida para cada calibre y tipo de termoplástico expuesto anteriormente; por ejemplo para el
poliestireno se trabaja con una temperatura de 280 °C; para el corte de todos los materiales se trabaja con ruteadora en frío, lo que dificulta en precisión de corte y acabado, debido que el operario tiene que manipular la pieza para el corte de contorno, que supone un tiempo de 10 a 20 minutos para para el proceso de corte y pulido por pieza.
De acuerdo a la investigación inicial y a los antecedentes vistos se busca diseñar un sistema que realice el corte de forma automática a piezas termoformadas, cuyas principales características es aumentar la producción en menor tiempo, generar seguridad y modo de operación eficaz, además, a partir de una encuesta realizada a operarios de Termoformados Osorno que se puede observar en la tabla 2, se aplica la metodología de diseño denominada QFD.
Figura 10. Productos termoformados elaborados.
Fuente: Termoformados Osorno. Galería de productos. http://empaquesytermoformados.com/servicio-de-termoformados.html
2.1.1 Encuesta
Conociendo el proceso de elaboración y maquinado, se elabora una serie de preguntas con el fin de conocer la percepción y necesidades del operario dentro del proceso de termoformado y corte de las piezas elaboradas por este, teniendo como resultado la siguiente tabla.
Tabla 2. Encuesta
Pregunta Percepción 1 Percepción 2 Percepción 3
¿Se considera necesaria la automatización del proceso de corte del exceso de material fabricado por termoformado?
SI; Es necesario debido que agiliza en cuestión de tiempo mejorando la producción del lote y seguridad del operario, además de que hace del proceso
Si, el proceso de retiro de exceso de material en piezas termoformadas se realiza manualmente por muchas empresas
Sí, es necesario debido a que el termoformado deja mucho residuo y con la automatización se puede optimizar el proceso de corte y mejorar la calidad de
del retiro de la rebaba más sencillo y rápido.
la producción.
¿En Colombia se hace gran uso del proceso de termoconformado?
Sí, en Colombia el proceso de termoconformado es necesario para diversas industrias como lo son la publicidad, alimenticia, de embalaje y varios, así se puede observar que productos termoconformado son de gran uso complementario para otras industrias.
Si, el proceso de termoformado es usado por muchos sectores económicos y de consumo, el moldeo de plásticos es un proceso muy común en la industria Colombiana
Sí, es muy utilizado este proceso en Colombia.
¿Se considera que el proceso actual de corte del exceso de material que debe hacer un operario es rápido, seguro y preciso?
En ninguno de los tres aspectos a considerar es bueno el proceso, debido que un operario demora gran parte de tiempo cortando la rebaba de una pieza donde expone sus extremidades además de que posteriormente debe haber un proceso de pulido debido a los imperfectos que quedan después del corte.
Cualquier proceso industrial que se sea ejecutado por un operario está sujeto a muchos errores y complicaciones, en este caso se puede salvaguardar la integridad del mismo, automatizando un proceso que puede llegar a ser peligroso.
No; ninguno de los anteriores, por la gran variedad de piezas que pueden salir en una producción y un operario puede cometer errores en cuando a su seguridad o a la hora de cortar la pieza.
¿Considera que es necesario la automatización del proceso de corte del exceso de material en piezas termoconformadas?
Si Si Si
Que factores considera necesarios para la automatización del mecanismo de corte.
Precisión y rapidez en el proceso.
Interfaz visual por medio de una computadora.
Pantalla integrada digital.
Sistema de seguridad.
Visualización por medio de sistemas de coordenadas.
Manual de instrucciones para la manipulación del dispositivo.
¿Qué parámetros considera necesarios para la automatización de la máquina?
Garantizar la seguridad de las personas que la manipulen.
Parámetros de operación de la máquina.
Precisión de corte.
Fuente eléctrica de alimentación para la máquina.
Diseño mecánico de la máquina
Sistemas de Control del sistema
Seguridad de la máquina
Precisión para detectar el material sobrante y a la hora de cortar.
Interfaz amigable para el operario de la máquina.
Fuente. autores
¿Cómo considera que el usuario debe visualizar el corte del exceso de material de la pieza?
Figura 11. Selección de visualización de la máquina.
Fuente: Autores.
0 0
3
C O M P U T A D O R A P A N T A L L A D I G I T A L P A N E L D E C O N T R O L
VISUALIZACIÓN
Visualización
El operario, de acuerdo a la encuesta anterior procede a calificar según el nivel de importancia que le da a cada ítem para una máquina de corte automático para piezas termoformadas.
El resultado de encuestar 4 operarios con el fin de que califiquen cuales son los ítems con mayor importancia para la implementación en el proceso de termoformado se muestra a continuación en la tabla 3.
Tabla 3. Calificación de ítems de los componentes de la máquina de corte.
ITEM % % % % TOTAL
M1.Sistema de corte
20 20 20 15 18.75
M2.Fijación de la pieza
20 5 10 5 10
M3.Precisión de corte
20 20 25 15 20
M4.Sistema de adquisición de coordenadas
5 10 6 15 9
M5.Sistema de posicionamiento del sistema de
corte
5 10 15 5 8.75
M5.Planeación de trayectorias del
sistema
10 5 5 15 8.75
M6.Retiro de la pieza y rebaba
5 5 5 10 6.25
M7.Autonomía 5 5 2 5 4.25
M8.Estabilidad 5 5 2 5 4.25
M9.Movilidad 0 0 0 0 0
M10.Panel de control
5 15 10 10 10
TOTAL 100 100 100 100 100
Fuente: Autores
Parámetros establecidos a partir de la retroalimentación anterior.
- El sistema de corte debe tener una precisión en milímetros. - El corte se debe visualizar por medio de una LCD de 8 pulgadas. - El panel de control o botonera debe ser de uso industrial cumpliendo con
los requerimientos visuales de operación. - El programa para el cálculo de la trayectoria debe tener parámetros y
coordenadas para el material de corte.
Se establecen módulos de trabajo para priorizar tareas a la hora del diseño del sistema teniendo en cuenta los factores que se muestran a continuación.
Desempeño
- El sistema debe contar con una velocidad de movimiento de 3 mm/s. M8 - La máquina contara con unas dimensiones para la pieza a cortar de 50x50
cm. M10. - El sistema de control y precisión debe tener establecido un tiempo máximo
para retornar a su punto inicial o de partida de 60 segundos. M1. - Se va a hacer uso de sensores. M1. - Se va a hacer uso de finales de carrera. M1. - Se va a hacer uso de una cámara para adquisición de datos. M3. - También debe poder ser operada manualmente. M6. - Debe tener una protección para el agua según la norma IP22. M10. - El sistema de energía es eléctrico, neumático e hidráulico. M2. - El sistema debe tener autonomía de 60 minutos. M1.
Entorno
- El prototipo debe contar con iluminación propia M9 - Para el cableado debe estar cubierta por coraza metálica para la protección
de los cables. M2. - La máquina debe contar con señalización de seguridad. M6. - El prototipo debe contar con un suministro de energía (definir sistema de
energía) M2. - El prototipo debe soportar altas y bajas temperaturas. M10.
Vida de servicio
- Robustez del soporte de la máquina M10. - El prototipo podría fallar por fallas de energía M2.
- Materiales de fabricación de dispositivo deben ser capaces de soportar condiciones de trabajo M10.
Mantenimiento
- Mantenimiento preventivo de la máquina. M1-M10. - Evaluación de elementos mecánicos, electrónicos. M1-M10.
Materiales
- Restricción en cuanto a la utilización de materiales M2, M4, M7, M8, M10. - Materiales deben ser fáciles de conseguir en Colombia M2, M4, M7, M8, M
10.
Estética y forma
- Complejidad de diseño para su operación M1-M10. - Diseño estético de la máquina M1-M10. - Tipo de superficie M10. - El sonido debe ser M1-M10.
Competencia
- Tiempo de funcionamiento M1-M10. - Peso de la máquina M1-M10.
Mantenimiento
- Mantenimiento preventivo M1-M10 - Repuestos e insumos M1-M10
Vida de servicio
- Robustez del soporte de la máquina M10 - Fallas de energía M2 - Materiales de fabricación del dispositivo M1
2.2 DISEÑO PRELIMINAR
2.2.1 QFD o Casa de la calidad
Figura 12. QFD o casa de la calidad.
Fuente: Autores
Dentro de la QFD se realiza la evaluación de competencia, donde se comparan las distintas características con respecto a la maquinaria especializada que realiza el mismo proceso que se quiere lograr en el diseño de la máquina de corte, de tal modo que se tienen en cuenta 5 sistemas de corte, los cuales se nombran a continuación.
4.0 HD: ANEXO A
LR 5.0: ANEXO B
PUNCH: ANEXO C
MRP500: ANEXO D
FT10: ANEXO E
2.2.2 Módulos obtenidos a partir de la casa de la calidad
El orden de los módulos se presenta a continuación según la su importancia.
1. Sistema de posicionamiento 2. Sistema de coordenadas 3. Mecanismo de corte 4. Mecanismo de acceso a la máquina 5. Sistema de control de mando 6. Mecanismo de fijación 7. Sistema de corte 8. Visualización 9. Mecanismo de soporte de la máquina
2.2.3 Arquitectura del producto
De acuerdo al desempeño y a los módulos obtenidos, se tiene en cuenta las prioridades de diseño para la elaboración de la simulación de la máquina de corte, de tal modo que por medio de la arquitectura del producto se catalogan los mecanismos de mayor a menor importancia.
Figura 13. Arquitectura del producto
Fuente: Autores
2.2.4 Configuración del producto
La configuración del producto se realiza a partir de la arquitectura del producto en donde se desglosa cada elemento utilizado dentro de la máquina, referenciando y caracterizando cada uno de los productos, para posteriormente realizar la correcta selección de los dispositivos para la máquina.
Motores - DC a 24 voltios
Mesa de coordenadas - Sistema de transmisión de potencia - Sistema de guías lineales - Rodamientos
Sensores - Final de carrera - Cámara - Sistema de medición lineal (Enconder – sensores de proximidad)
Fuente de alimentación - Entrada 120 voltios - Conversor a 24 voltios - 5 voltios a 24 voltios sistema de regulación - Proximidad - Conversor TTL a unidad de control
Sistema de control - Módulo de potencia - Acondicionamiento de señales
Interfaz de visualización - Pantalla LCD
Cableado - Norma para la perdida de energía
Procesamiento de imágenes - Programa para el procesamiento de imágenes - Adquisición del contorno a cortar
Módulo de comunicación - TCP/IP
Planeación trayectorias - Modelo matemático del dispositivo - Algoritmo
Interfaz HDMI - Software para la comunicación máquina usuario
Mecanismo de corte - Motor con broca - Corte con ruteadora - Corte cuchilla
Mecanismo de acceso a la máquina - Compuerta de apertura y cierre - Ventanilla de acceso - Salida automatizada del mecanismo de sujeción
Tablero eléctrico - Norma de botonera
Mecanismo de sujeción - Manual - Automático
Estructura base - Perfiles para la estabilización de la máquina
2.2.5 Selección del material para la estructura de la máquina
Los componentes de una máquina deben estar diseñados para poder soportar fuerzas internas y externas; el sistema solo servirá para realizar un corte pieza por pieza y no requiere que tenga un alto valor de resistencia mecánica.
Se comparan detalladamente las propiedades de diferentes materiales comerciales y más utilizados para el diseño de la máquina, en el cual se encuentran aleaciones de aluminio, aleaciones de hierro y fibra.
1. Aleaciones de aluminio a) Aluminio 5182 b) Alsico A-380 c) Aluminio 6061-T6 d) Alsi DC-12
2. Aleaciones de hierro a) Acero inoxidable 316L b) Acero inoxidable 347
2.2.5.1 Definición del problema
Para cumplir los requerimientos de la máquina se analizan las propiedades más importantes que conllevan a un óptimo funcionamiento de la máquina y se asignan índices de peso para cada característica:
- Costo: es un parámetro importante a la hora de construir o máquina porque su valor dependerá del precio y la calidad de los materiales. (Su índice de peso es %15)
- Corrosión: se analizan condiciones industriales a las cuales se expondría la máquina. (Su índice de peso es 25%)
- Propiedades mecánicas: debido a que la máquina estará en constante funcionamiento y en un ambiente industrial podría estar sometida a golpes o rayones por uso común. (Su índice de peso es 20%)
- Facilidad de compra: por tiempo y costo es necesario que el material sea accesible regionalmente. (Su índice de peso es 25%)
- Conductividad eléctrica: la máquina contiene circuitos electrónicos los cuales deberán estar aislados para evitar problemas de funcionamiento o desajuste de la máquina. (Su índice de peso es 15%)
2.2.5.2 Matriz de selección
Para la selección del material de la máquina de corte se elabora una matriz de selección para aleaciones metálicas con una escala del 1 a 5 (Donde 1 es malo y 5 es bueno).
Los análisis obtenidos indican que los materiales óptimos para la construcción de la máquina es el Acero Inoxidable 316L. Este material es una variante del 316 compuesto de carbón extra bajo con la característica que minimiza la precipitación de carburos prejudiciales y tiene más rigidez, los datos de las composiciones químicas, mecánicas y físicas se encuentran como Anexo F, Anexo G y Anexo H.
Tabla 4. Matriz de selección
Fuente. Autores.
2.3 ARQUITECTURA Y CONFIGURACIÓN DEL PRODUCTO
A partir de la configuración del producto, se realizan tres diseños teniendo en cuenta cada uno de los puntos expuestos anteriormente, así reunir conceptos e ideas para la mejora, elección y elaboración final de la máquina de corte de piezas termoformadas. El boceto que se muestra a continuación en la Figura 14 se selecciona debido a que muestra mayores fortalezas en su diseño en comparación a los 2 y 3 bocetos de los Anexos I y Anexo J respectivamente.
Figura 14. Boceto 3
Fuente. Autores.
Tabla 5. Comparativa fortalezas y debilidades de los tres bocetos de máquina.
Boceto
Características
Boceto 1
Boceto 2 Boceto 3
Sistema de posicionamiento.
Sistema de posicionamiento con tornillo sin fin, fácil diseño y bajo costo.
La guía lineal con rodamientos permite obtener una alta velocidad con poca potencia del motor generando así un ahorro energético.
Sistema de posicionamiento con tornillo sin fin, fácil diseño y bajo costo.
El diseño del sistema de corte es de fácil construcción.
Sistema de posicionamiento con tornillo sin fin, su movimiento y precisión depende del dentado del tornillo.
Precisión de desplazamiento.
Control de un tercer eje para el escariador. Debido que el corte según las dimensiones de la pieza debe tardar un tiempo estipulado, los motores paso a paso dificultan la operación a altas velocidades.
La mesa de coordenadas permite un fácil movimiento de la pieza al momento del corte.
Los elementos que forman los ejes de movimiento son estandarizados y de fácil adquisición.
Herramienta de corte.
El escariador tiene buena precisión de corte.
El mecanismo de corte con cuchilla puede dañar el material e incluso
El mecanismo de corte es preciso y de bajo costo.
Con el fin de evitar esfuerzos máximos el mecanismo de corte debe realizarse entre 90 y 45 grados.
despasarlo del mecanismo de sujeción.
La herramienta de corte favorece el corte sin importa el grosor de la pieza.
Control de condiciones de
lumínicas.
No existe un control de condiciones para la adquisición de imágenes.
No existe control de condiciones
lumínicas.
El entorno no afecta las
condiciones lumínicas debido a que la estructura es
hermética.
Estructura del mecanismo de
corte.
El apoyo del mecanismo de corte no es propicio debido a que genera palanca.
El mecanismo de corte compuesto
por piñón cremallera es eficiente y no
presenta ninguna complicación en su
diseño.
El mecanismo de corte compuesto
por piñón cremallera es eficiente y no
presenta ninguna complicación en su
diseño.
Mecanismo de sujeción.
El mecanismo de sujeción permite que no haya daños en la pieza termoformada.
El mecanismo de sujeción por tornillos hace del proceso de fijación del material incómodo para el operador.
El sistema de sujeción es práctico y de bajo costo.
Soporte de la máquina.
Falta de nervios para el mejorar el soporte del mecanismo.
No existe mesa de soporte para la máquina.
No existe mesa de soporte para la máquina.
Disposición del sistema eléctrico.
Buena ubicación del sistema eléctrico.
Mala ubicación de la caja eléctrica.
Mala ubicación de la caja eléctrica.
Accesibilidad de la máquina.
La máquina se encuentra expuesta
Tiene ventana de visualización del
Puerta de apertura no es seguro para
a cualquier factor
externo lo que puede afectar su funcionamiento y
vida útil.
corte de la pieza.
el proceso de corte.
Seguridad para el operario
El posicionamiento La zona de alimentación es muy seguro para el operario.
La estructura que encierra al
mecanismo es seguro para el
operario.
La estructura que encierra al
mecanismo es seguro para el
operario. El libre acceso de hacia la máquina no es seguro para el operario.
Fuente. Autores.
Como resultado de la comparativa de fortalezas versus debilidades de cada uno de los diseños de la Tabla 4, obtenemos el diseño de máquina propicio y viable para realizar nuestro estudio, el boceto 3 de la Figura 14, se muestra mejores características y se complementan sus debilidades con las características de los bocetos 1 y 2, Anexos I y Anexo J, respectivamente.
3 DISEÑO DETALLADO
3.1 Selección de componentes y cálculos
3.1.1 Selección de componentes del sistema de corte
A continuación, se seleccionan tres motores comerciales con la finalidad de observar cual se adapta más a las condiciones de corte del material PET.
Rammus DC 12V Electric Mini Drill Motor Hand Drilling for PCB Wood Woodworking with 10pcs HSS Twist Bits Repair DIY Model Tool. Anexo K. Motor 1, 12 voltios con Chuck intercambiable.
Figura 15. Motor 1, 12 voltios con Chuck intercambiable.
Voltaje = 12 V
Rpm = 22000
Potencia = 20 W
Corriente = 1,67 A
𝜏(𝑁. 𝑚) =𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑊
2𝜋
60∗ 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑅𝑃𝑀
𝜏 =20 𝑊
2𝜋
60∗ 22000𝑟𝑝𝑚
= 𝜏 = 0,00868 𝑁𝑚
AUTOTOOLHOME Mini 12V Motor Micro DIY Electric Hand Drill PCB Press Drilling 0.8mm-1.5mm Twist Drill Bits Keyless Brass Chucks. Anexo L. Motor 2, 12 voltios con Chuck intercambiable.
Figura 16. Motor 2, 12 voltios con Chuck intercambiable.
Voltaje = 12V
Rpm = 22000
Corriente = 1 A
Potencia = 12 W
𝜏(𝑁. 𝑚) =𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑊
2𝜋
60∗ 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑅𝑃𝑀
𝜏 =12 𝑊
2𝜋
60∗ 22000𝑟𝑝𝑚
= 𝜏 = 0,00521 𝑁𝑚
AUTOTOOLHOME Mini DC 12V Electric Hand Drill Motor PCB Press Drilling Compact Set 0.5-3mm Twist Bits 0.3-4mm JT0 Chucks Tool. Anexo M. Motor 3, 12 voltios con Chuck intercambiable.
Figura 17. Motor 3, 12 voltios con Chuck intercambiable.
Voltaje = 12V
Rpm = 18000
Corriente = 1 A
Potencia = 12 W
𝜏(𝑁. 𝑚) =𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑊
2𝜋
60∗ 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑟𝑜𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙 𝑅𝑃𝑀
𝜏 =12 𝑊
2𝜋
60∗ 18000𝑟𝑝𝑚
= 𝜏 = 0,00637 𝑁𝑚
Teniendo en cuenta los detalles electrónicos de los motores se selecciona el motor AUTOTOOLHOME Mini DC 12V Electric Hand Drill Motor PCB Press Drilling Compact Set 0.5-3mm Twist Bits 0.3-4mm JT0 Chucks Tool de la Figura 23 debido a las características de funcionamiento como el amperaje y el torque, descartando así el motor de la Figura 22 por tener menor torque y de la Figura 21 por tener un mayor consumo de corriente.
3.2 Selección de la Broca
ESCARIADOR MÁQUINA MANGO CILÍNDRICO METAL DURO Solid Carbide Straight Shank Machine Reamer Alesoir à Machine pour Alésage Queue Cylindrique Carbure.
Figura 18. Selección del escariador ideal para termoplásticos (PET).
Fuente: ESCARIADOR MÁQUINA MANGO CILÍNDRICO METAL DURO Solid Carbide Straight Shank Machine Reamer Alesoir à Machine pour Alésage Queue
Cylindrique Carbure. [EN LINEA] <http://www.izartool.com/images/stories/virtuemart/product/9060_ind.pdf> [Citado
el 13 de Agosto del 2017]
De acuerdo a la broca seleccionada, para el corte del material, se corrobora con los detalles técnicos y de aplicación que cumplen con los requerimientos de protección contra el material PET para la correcta funcionalidad del sistema de corte. Anexo N. Detalles técnicos de la broca seleccionada. Anexo O.
3.2.1 Cálculos para la selección de la broca
Para el cálculo respecto al material:
Con la broca seleccionada, se procede a realizar los cálculos para que el mecanismo de corte no dañe la pieza plástica, y de este modo no se tenga que desechar el producto e incurrir en más gastos, como se indica en el ANEXO P, con las condiciones de trabajo para los termoplásticos.
Diámetro de la broca (D) = 2 mm
Velocidad de corte recomendado por el fabricante de la broca (Vc) = 20𝑚
𝑚𝑖𝑛
Avances por vuelta (fz) = 0.050 𝑚𝑚
𝑟𝑒𝑣
Se calcula el número de revoluciones por minuto RPM:
Figura 19. Formulas taladrado
Fuente: SCRIBD.DORMER. Tabla de contenidos. Página 4. https://es.scribd.com/doc/28351423/Tabla-de-Contenidos
𝑛 = 1000(𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛) ∗ 𝑉𝑐(𝑚/𝑚𝑖𝑛)
𝐷(𝑚𝑚) ∗ 𝜋
Se calcula con la velocidad de corte mínima de 20 (m/min)
𝑛 = 1000(𝑚𝑚/𝑚) ∗ 20(𝑚/𝑚𝑖𝑛)
2(𝑚𝑚) ∗ 𝜋
𝑛 = 3183,0989 𝑟𝑒𝑣
𝑚𝑖𝑛
Se calcula con la velocidad de corte máxima de 35 (m/min).
𝑛 = 1000(𝑚𝑚/𝑚) ∗ 35(𝑚/𝑚𝑖𝑛)
2(𝑚𝑚) ∗ 𝜋
𝑛 = 5570,423𝑟𝑒𝑣
𝑚𝑖𝑛
El avance del eje principal con la revolución máxima y mínima del eje:
𝑉𝑓 = 𝑓𝑧 ∗ 𝑛
𝑉𝑓 = 0.050 (𝑚𝑚
𝑟𝑒𝑣) ∗ 3183,0989
𝑟𝑒𝑣
𝑚𝑖𝑛
𝑉𝑓 = 159,155 (𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛)
Con el Vc mínimo la velocidad con la que progresa el corte es de 16 cm por minuto.
𝑉𝑓 = 0.050 (𝑚𝑚
𝑟𝑒𝑣) ∗ 5570,423
𝑟𝑒𝑣
𝑚𝑖𝑛
𝑉𝑓 = 278.5212 (𝑚𝑚/𝑚𝑖𝑛)
Como resultado se puede concluir que con el Vc máximo, la velocidad con la que progresa el corte es de 28 centímetros por minuto.
Para los cálculos de las fuerzas axiales es necesario conocer el coeficiente de fuerza especifica de corte del PET (Kc), y de este modo no existan daños en el material al momento de corte, teniendo en cuenta que el mecanismo diseñado puede generar fisuras debido a que el material (PET) cuenta con una rigidez determinada. Anexo N. Coeficiente de fuerza especifica de corte Kc para termoplásticos (PET).
Figura 20. Coeficiente de fuerza especifica de corte Kc para termoplásticos (PET).
Fuente: Catálogo DORMER. SCRIBD. Tabla de contenidos página 8.https://es.scribd.com/doc/28351423/Tabla-de-Contenidos
- Factor del material para el PET (Kc) = 0.6 -
Entonces la fuerza axial T es:
Figura 21. Formulas taladrado para la fuerza axial
Fuente: SCRIBD.DORMER. Tabla de contenidos. Página 4. https://es.scribd.com/doc/28351423/Tabla-de-Contenidos
𝑇 = 11.4 ∗ 𝐾 ∗ 𝐷 ∗ (100 ∗ 𝑓𝑧)0.85
𝑇 = 11.4 ∗ 0.6 ∗ 2𝑚𝑚 ∗ (100 ∗ 0.050 𝑚𝑚
𝑟𝑒𝑣)0.85
T = 53.73 N
Potencia necesaria para efectuar el corte del material PET.
Figura 22. Formulas taladrado potencia.
Fuente: SCRIBD.DORMER. Tabla de contenidos. Página 4. https://es.scribd.com/doc/28351423/Tabla-de-Contenidos
𝑃 = 1.25 ∗ 𝐷2 ∗ 𝐾 ∗ 𝑛 ∗ (0.056 + 1.5 ∗ 𝑓𝑧)
100000
𝑃 = 1.25 ∗ (2𝑚𝑚)2 ∗ 0.6 ∗ 3183,0989 𝑟𝑝𝑚 ∗ (0.056 + 1.5 ∗ 0.050𝑚𝑚/𝑟𝑒𝑣)
100000
𝑃 = 0,01251 𝑘𝑊
𝑃 = 12,51 𝑊
3.3 Selección de componentes y cálculos del sistema eje Z
Para el mecanismo de posicionamiento en el eje z, se selecciona un sistema de piñón cremallera para su desplazamiento, de tal modo que a continuación se muestra su diseño y selección.
Características para el diseño:
Masa = 2 Kg
Tiempo de avance de ida y de vuelta = 10 segundos
Distancia cremallera = 20 cm == 0.2 m
𝑉𝑎𝑣𝑎𝑛𝑐𝑒 =0.2 𝑚
10 𝑠
𝑉𝑎𝑣𝑎𝑛𝑐𝑒 = 0.02 𝑚
𝑠
𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 0.02 𝑚/𝑠
10 𝑠
𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 0.002 𝑚
𝑠2
Para la selección del material, tratamiento térmico y precisión alcanzada, el fabricante KOOM dispone de tres tipos, donde permite al usuario elegir el más adecuado a sus necesidades.
(KOOM 2017). “Tipo I: Material F-114 bonificado R=70 Kg/mm2. Este tipo de material se utiliza para aplicaciones generales sin grandes exigencias y cargas medio-pequeñas. Las cremalleras son acabadas por fresado lográndose un error de paso individual de 0,01 mm máximo y en su longitud total de 0.15 mm.” Transmisiones por piñón cremallera página 52
En la siguiente tabla, según el tiempo de trabajo que va a tener el mecanismo se selecciona un tipo de carga. De este modo, se selecciona un tiempo de trabajo intermitente de 3 horas, debido que en una empresa una máquina de termoformado no se utiliza por más de tres horas de forma consecutiva.
Tabla 6. Selección del tiempo de trabajo al que va a estar expuesto la máquina.
Fuente: KOOM. Página 54. http://www.mecapedia.uji.es/catálogos/engranaje/spitkoom.1.pdf
Con base a la tabla anterior entonces se obtiene un coeficiente de seguridad de 2 para el sistema piñón cremallera.
Selección de la cremallera
Figura 23. Fórmula para hallar la fuerza tangencial real
KOOM. Página 54. http://www.mecapedia.uji.es/catálogos/engranaje/spitkoom.1.pdfFuente: KOOM.
Página 54. http://www.mecapedia.uji.es/catálogos/engranaje/spitkoom.1.pdf
𝐹𝑣𝑡 = 2𝐾𝑔 (9,81𝑚
𝑠2 + 0.002
𝑚
𝑠2)
𝐹𝑣𝑡 = 2𝐾𝑔 (9.81𝑚
𝑠2 + 0.002
𝑚
𝑠2)
𝐹𝑣𝑡 = 2𝐾𝑔 (9.81𝑚
𝑠2 + 0.002
𝑚
𝑠2)
𝐹𝑣𝑡 = 19,624 𝑁
𝐹ℎ𝑡 = 2𝐾𝑔 (9.81 𝑚
𝑠2∗ µ + 0.002
𝑚
𝑠2)
Por lo tanto, para la fuerza horizontal es necesario conocer el valor del coeficiente de rozamiento acero - acero y para ello se recurre a la siguiente tabla.
Tabla 7. Valor del coeficiente de rozamiento de acero - acero.
Fuente: Tabla de valores de los coeficientes. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/dinamica/rozamiento/general/rozamiento.htm#T
ablas%20de%20valores%20de%20los%20coeficientes
De acuerdo a la tabla anterior obtenemos el valor de rozamiento acero sobre acero siendo 0,18, y así poder conocer el valor de la fuerza tangencial real (horizontal).
𝐹ℎ𝑡 = 2𝐾𝑔 (9.81 𝑚
𝑠2 0.18 + 0.002
𝑚
𝑠2)
𝐹ℎ𝑡 = 3,5356 𝑁
Figura 24. Fórmula para hallar la fuerza tangencial corregida.
Fuente: KOOM. Página 54. http://www.mecapedia.uji.es/catálogos/engranaje/spitkoom.1.pdf
𝐹𝑣𝑐 = 19,624 𝑁 ∗ 2
𝐹𝑣𝑐 = 39.248 𝑁
𝐹ℎ𝑐 = 3.5356 𝑁 ∗ 2
𝐹𝑣𝑐 = 7.0712 𝑁
Figura 25. Diagrama de velocidad vs fuerza tangencial para la selección del módulo del piñón.
KOOM. Página 58. http://www.mecapedia.uji.es/catálogos/engranaje/spitkoom.1.pdf
Ahora se selecciona un módulo M2 debido que la fuerza tangencial anteriormente calculado.
Figura 26. Distancia del centro del piñón y cremallera
Fuente: KOOM. Página 57. http://www.mecapedia.uji.es/catálogos/engranaje/spitkoom.1.pdf
Tabla 8. Dimensionamiento del piñón.
Fuente: KOOM. Distancia montaje, cota ´D´. Página 60. http://www.mecapedia.uji.es/catálogos/engranaje/spitkoom.1.pdf
Se selecciona un piñón recto, con características mecánicas de 24 dientes con una distancia de montaje o cota de 50.
Con los datos anteriores se puede obtener el diámetro primitivo (dp) y las revoluciones sobre el piñón (n):
𝑑𝑝 = 𝑚 ∗ 𝑧
𝑑𝑝 = 2 ∗ 24
𝑑𝑝 = 48 𝑚𝑚
Entonces el Pd:
𝑃𝑑 = 𝑍
𝑑𝑝
𝑃𝑑 = 24
48𝑚𝑚
𝑃𝑑 = 0,5 𝑚𝑚
𝑛 = 0.02
𝑚
𝑠∗ 60000
48 𝑚𝑚 ∗ 𝜋
𝑛 = 7.956 𝑟𝑝𝑚
Figura 27. Formula diámetro primitivo
Fuente: KOOM. Página 54. http://www.mecapedia.uji.es/catálogos/engranaje/spitkoom.1.pdf
Por lo tanto, el par de giro sobre el piñón con un rendimiento esperado del 90% es:
𝑀 =𝑑𝑝 ∗ 𝐹𝑣𝑡
2000 ∗ 𝑛
𝑀 =48 𝑚𝑚 ∗ 19,624 𝑁
2000 ∗ 0.90
𝑀 = 0.52331 𝑁𝑚
Ahora para conocer el adéndum y dedéndum del piñón, debemos tener en cuenta el diámetro primitivo:
𝑑𝑝 = 48 𝑚𝑚 = 𝑑𝑝 = 1.9′′ == 2′′
𝑑𝑝 = 2 𝑖𝑛
Adéndum (a):
𝑎 =1
𝑝𝑑
𝑎 =1
0,5 𝑚𝑚
𝑎 = 2 𝑚𝑚
Dedéndum (b):
𝑏 =1,25
𝑝𝑑
𝑏 =1,25
0,5 𝑚𝑚
𝑏 = 2,5 𝑚𝑚
Holgura (C):
𝑐 = 𝑏 − 𝑎
𝑐 = 2,5 − 2
𝑐 = 0,5 𝑚𝑚
En consecuencia, el avance del piñón cremallera es:
𝐴 = 𝑑𝑝 ∗ 𝜋
𝐴 = 48𝑚𝑚 ∗ 𝜋
𝐴 = 15.08 𝑐𝑚
Con una velocidad de avance de:
𝑉𝑎 =𝑑𝑝 ∗ 𝑧 ∗ 𝑛
60
𝑉𝑎 = 0.1508 𝑚 ∗ 24 ∗ 7.956 𝑟𝑝𝑚
60
𝑉𝑎 = 0.478 𝑚
𝑠
En un tiempo:
𝑡 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑
𝑉𝑎
𝑡 = 0.2 𝑚
0.478 𝑚
𝑠
𝑡 = 0.41841 𝑠
Torque que entrega el motor Tp:
𝑇𝑝 = 𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 0,00637 𝑁𝑚
Carga transmitida Wt:
𝑊𝑡 = 𝑇𝑝
𝑑𝑝
2
𝑊𝑡 = 0,00637 𝑁𝑚
0,048
2
𝑊𝑡 = 0,2653 𝑁
Teniendo en cuenta que se trata de acero AGMA grado 2, endurecido totalmente a 250HB con un servicio de vida de 5 años.
Resistencia a la fatiga a la flexión Sfb:
𝑆𝑓𝑏 = 6235 + 174𝐻𝐵 − 0,126𝐻𝐵2
𝑆𝑓𝑏 = 6235 + 174(250) − 0,126(250)2
𝑆𝑓𝑏 = 41870 𝑝𝑠𝑖
Número de ciclos requeridos N
𝑁 = 18000𝑟𝑝𝑚 ∗ 60 𝑚𝑖𝑛
ℎ𝑜𝑟𝑎∗
2080 ℎ𝑜𝑟𝑎
𝑡𝑢𝑟𝑛𝑜 − 𝑎ñ𝑜∗ 5 𝑎ñ𝑜𝑠 ∗ 1 𝑡𝑢𝑟𝑛𝑜
𝑁 = 1,1232𝑥1010 𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑠
Factor de vida Kl
𝐾𝑙 = 1,3558 ∗ 𝑁−0,0178
𝐾𝑙 = 0,89
De este modo se selecciona la cremallera con los siguientes parámetros:
Figura 28. Selección cremallera
Fuente: KOOM. Página 62. http://www.mecapedia.uji.es/catálogos/engranaje/spitkoom.1.pdf
3.4 Selección de componentes y cálculos del sistema de posicionamiento
Figura 29. Estructura de una guía lineal
Fuente: Rexroth Bosch Group. Módulos lineales MKK (Husillo de bolas). Página 20. http://www.companiageneral.com.ar/descargas/bosch/SG02manual.pdf
La imagen anterior muestra una guía lineal para el sistema de posicionamiento. De este mecanismo se hará uso de 2 guías lineales para el eje Y, apoyadas sobre una base sujeta a su vez al sistema de posicionamiento X compuesto principalmente por un husillo de bola.
Este sistema de guía lineal, presenta:
Figura 30. Cargas admisibles en la guía lineal
Fuente: Rexroth Bosch Group. Módulos lineales MKK. Visión de los módulos lineales con cargas admisibles. Página 17.
http://www.companiageneral.com.ar/descargas/bosch/SG02manual.pdf
Para la elección de un módulo lineal para el eje Y es necesario tener en cuenta lo siguiente:
- Masa externa (mfr) = 2 Kg - Carrera de seguridad: Recorrido máximo 1000 mm (Longitud lineal)
Teniendo en cuenta que el peso al que se somete la guía es despreciable, según la longitud de ella tiene una flexión admisible máxima de F = 2500N.
Figura 31. Esfuerzo admisible
Fuente: Rexroth Bosch Group. Módulos lineales MKK. Visión de los módulos lineales con cargas admisibles. Página 23.
http://www.companiageneral.com.ar/descargas/bosch/SG02manual.pdf
La flexión admisible está muy por debajo de la flexión máxima, por esta razón no es necesario que la guía lleve un apoyo suplementario.
Entonces en base a la velocidad admisible se necesita un husillo 16X5.
Diámetro = 16 mm
Paso = 5 mm
Figura 32. Diagrama velocidad V
Fuente: Rexroth Bosch Group. Módulos lineales MKK. Velocidad admisible v. (Página 25).
http://www.companiageneral.com.ar/descargas/bosch/SG02manual.pdf
Momento de fricción (MR) = 0.4 Nm
Tabla 9. Constantes según referencia del husillo.
Fuente: Rexroth Bosch Group. Módulos lineales MKK. Constantes K1, k2 y k3. Página 28.
http://www.companiageneral.com.ar/descargas/bosch/SG02manual.pdf
Por tanto, se tiene que los parámetros de selección son:
- Longitud = 1m - Diámetro del husillo = 16mm - Paso de husillo = 5mm - Longitud de la mesa = 190 mm
Con el fin de tener precisión de movimiento de la pieza y de corte es necesario que las guías lineales tengan un motor paso a paso. El fabricante ofrece un motor paso a paso de tres fases para acoplamiento inmediato a la guía, junto con sus medidas y características.
Figura 33. Medidas y características motores paso a paso 3 fases
Fuente: Rexroth Bosch Group. Módulos lineales MKK. Visión de los módulos lineales con cargas admisibles. Página 131.
http://www.companiageneral.com.ar/descargas/bosch/SG02manual.pdf
3.4.1 Selección de componentes de sistema de movimiento eje X
Los tornillos de potencia, llamados también tornillos de avance, convierten el movimiento giratorio en movimiento lineal en actuadores, máquinas de producción y gatos mecánicos, entre muchas otras aplicaciones. Son capaces de obtener ventajas mecánicas muy grandes; por consiguiente, pueden elevar o mover grandes cargas.
Una aplicación de los tornillos de potencia son los actuadores lineales en donde el giro de la tuerca se motoriza para trasladarlo al tornillo, o bien, se motoriza el giro del tornillo para trasladarlo a la tuerca, como se ilustra. Estos dispositivos se usan en máquinas herramientas para mover el banco y la pieza de trabajo bajo la herramienta de corte, en máquinas de ensamble para posicionar partes, y en aeroplanos para mover las superficies de control, así como en muchas otras aplicaciones. Si el giro de entrada se suministra con un servomotor o un motor por etapas, en combinación con un tornillo de avance de precisión, se obtiene un posicionamiento muy preciso.
Figura 34. Sistema husillo de bolas
Fuente: Diseño de máquinas de Robert L. Norton
El sistema de movimiento del eje X consta de un mecanismo compuesto de un husillo de bolas, para la selección de este mecanismo es necesario tener en cuenta varios parámetros tales como:
Precisión del paso: se debe tener en cuenta la longitud del eje.
Selección de paso.
Selección de diámetro de eje de husillo de bolas.
Selección de método de montaje del eje husillo: Analizando la carga y la velocidad de rotación admisible.
Selección de tipo de cuerda: Teniendo en cuenta factores como la vida útil de los elementos, variantes y condiciones de trabajo, motor de impulso y condiciones de seguridad.
Teniendo en cuenta los parámetros de trabajo anteriores se procede a seleccionar el husillo de bola dependiendo de una serie de condiciones, estas condiciones están ligadas directamente con el modelo del sistema que se diseña y las características del trabajo al que será sometido el sistema, en el diseño del eje de movimiento X se estipulan estas características de la siguiente manera:
Orientación de transferencia: Se refiere a la dirección de movimiento del sistema que para el diseño es horizontal.
Masa transferida: Teniendo en cuenta el peso de las guías lineales del eje Y además de los diferentes componentes que conforman el sistema de movimiento Y se estima una masa no superior a los 20 Kg.
Método de guía: Deslizante.
Coeficiente de fricción de la guía: 0.003
Resistencia de la superficie de la guía
Carga externa a la dirección axial
Tiempo de vida útil deseado:
Longitud de carrera: 1000 mm
Precisión de funcionamiento: ± 0.5 mm
Motor de impulso: motor paso
El fabricante de la marca THK ofrece gran variedad de posibilidades al momento de seleccionar un sistema de husillo de bolas, para la aplicación de la máquina de corte se elige inicialmente el husillo de bolas de precisión con una amplia gama de ejes de husillo y tuercas de husillo de bolas rectificados con precisión como opción estándar para cubrir diferentes aplicaciones, se pueden seleccionar la combinación del diámetro de eje y el paso que cumpla con los usos previstos de los distintos tipos de tuercas y los pasos del eje de husillo como lo muestra la siguiente imagen.
Figura 35. Selección de eje de husillo de bolas
Fuente: Husillo de bolas THK Catálogo general
Para lograr mayor presión en los ejes de movimiento se elige un eje de husillo de bolas con las mismas características del eje de movimiento Y previamente ya calculado con un diámetro de 16 mm y un paso de 5 mm y que se encuentra dentro de la empresa proveedora como un producto estandarizado.
THK ofrece distintos modelos de husillo de bolas de precisión para las distintas aplicaciones, el modelo BNT de tuerca cuadrada de husillo de bolas facilita el montaje le base para los ejes de movimiento Y, puesto que cuenta con orificio para tornillos de montaje que se mecanizan en la tuerca cuadrada del husillo de bolas, este modelo puede montarse de manera compacta en la máquina sin utilizar una caja, accesorio que también ofrece la marca.
Figura 36. Tuerca de husillo de bolas
Fuente: Husillo de bolas THK Catálogo general
3.5 Selección y diseño estructura de apoyo.
Estructura de apoyo
Una estructura de apoyo sirve como soporte para los distintos elementos de la máquina, para la realización de la estructura se ha optado por utilizar Acero Inoxidable 316L que al se compara con distintos materiales en cuanto a sus propiedades y demuestra tener las mejores características entre los materiales más comunes utilizados en maquinaria industrial.
La estructura de la máquina está compuesta por 1 lamina, 4 columnas y 8 filas de soporte, distribuidas de la siguiente forma: una placa base del dispositivo en el cual se colocan las columnas y filas de soporte y el mecanismo de sujeción de las piezas. La parte inferior a su vez soporta 4 fila que sostienen el sistema eléctrico.
Figura 37. Vista de la estructura
Fuente: Autores
4 SISTEMA DE CONTROL
4.1 Selección del controlador lógico programable PLC
A continuación, se muestran tres opciones de equipos de acuerdo con las características que requiere nuestro sistema.
Tabla 10. Comparativa entre PLC comerciales.
Fabricante Siemens Schneider Allen Bradley
Modelo S7-1200 TWD LC-A 24DRF MicroLogix 1000
Tensión de alimentación 120-230VAC 120-240 VAC 120/240 VAC/ VCC
Frecuencia de la tensión
De alimentación
47-63 Hz 47-63 Hz 47-63 Hz
Entradas digitales 14 – (24VDC) 24 – (24VDC) 16 – (24VDC)
Salidas digitales 10 – relé a 2A 14 relé a 1A 16 – relé a
Entradas analógicas 2(0-10V) 2 2 (0-10VCC)
Salidas analógicas 1 1 1
Comunicación PROFINET MODBUS con 1761-NET-ENI
Precio 1’100’000 1’600’000 1’400’000
Fuente: Autores
En la tabla anterior se muestran 3 PLCs de diferente marca con especificaciones similares, los cuales se compararon y posteriormente se selecciona cual es el que mejor se adapta a los requerimientos del sistema, teniendo en cuenta aspectos relevantes como velocidad de procesamiento, memoria, número de entradas y costo.
4.2 Detalles técnicos del controlador lógico programable
Figura 38. PLC Siemens
Fuente: Si_S7 – 1200.pdf: http://www.coevagi.com/Docs/Si_S7-1200.pdf
Este PLC permite tener control de los motores y demás dispositivos electrónicos como Enconders y finales de carrera configurados por medio del controlador lógico programable (PLC), y así lograr que el dispositivo tenga una mayor eficiencia, simple y rápida asistencia técnica, además de mayor compatibilidad de elementos eléctricos del sistema. Anexo Q. Datos técnicos PLC Siemens.
De acuerdo al PLC seleccionado es posible integrar un módulo con salidas análogas si se planea una mejora del dispositivo, ya que este permite más adaptaciones de componentes como lo pueden ser de temperatura, ultrasonidos, presión y demás. Anexo R. Módulo PLC
Otra marca importante de PLC es Allen Bradley, en especial el modelo MicroLogix 1000, que proporciona más entradas y salidas que el modelo de Siemens, debido a que su costo es más elevado. Además, su compatibilidad con módulos externos input/output no es la adecuada debido a que no tiene adaptación para motores, ya que no tiene salidas moduladas por ancho de pulso. Anexo S.
El PLC de la marca Schneider de referencia Twido TWD LC-A 24DR Anexo T ofrece una mayor cantidad de puertos, pero su compatibilidad con motores es muy limitada.
Para el diseño electrónico y de control del sistema, se hace uso de un PLC de marca Siemens modelo S7-1200 debido que es un dispositivo de uso industrial que facilita y cumple con los parámetros necesarios de funcionamiento.
El PLC permite la fácil adaptación y compatibilidad de elementos electromecánicos como actuadores y elementos de sensórica del sistema, debido al funcionamiento estándar de 24 voltios a nivel industrial. Además, este simplifica los procesos del dispositivo ya que tiene un sistema de procesamiento paralelo.
Es necesario tener en cuenta los distintos factores ambientales que intervienen sobre la máquina, la elección de un PLC hace propicio su funcionamiento debido a que cuenta con un diseño de soporte y protección ante la corrosión, sulfatación y/o manipulación de los operarios etc.
Se realiza un balance de componentes para estipular el número de entradas y salidas, de esta forma seleccionar de manera idónea el PLC.
Salidas digitales
Motores: se seleccionan dos salidas análogas para cada motor debido al número de
- 1 para el movimiento en el eje X - 1 para movimiento en el eje Y - 1 para corte - 1 para el movimiento en el eje Z
Control de giro del motor
- 8 para el control de giro del motor - Luces
Módulo de comunicación Ethernet
- Interfaz HMI
Entradas digitales
Sensores
- 2 finales de carrera para el eje X - 2 finales de carrera para el eje Y debido que son dos guías lineales - 2 finales de carrera para el eje z - Sensor Apertura y cierre de la puerta para el funcionamiento de la máquina
- 12 Enconder incremental de tres canales
Primer canal es el número de pulsos que me da el ángulo. Segundo canal es el cambio de dirección.
Tercer canal es el total de la operación del motor y posición final del motor.
Botonera
- Encendido - Apagado - Puesta en marcha - Paro - Paro de emergencia - Rearme
4.2.1 Configuración para el arranque de un motor por PLC
Para facilidad de planeación se debe hacer un diagrama de flujo para los motores, en este caso se diseña un circuito para cada uno. Para ello es necesario de al menos dos botones, uno de arranque y otro de paro del motor, además de un contactor para la alimentación. El diagrama de flujo queda de la siguiente forma.
Figura 39. Diagrama de flujo de arranque de un motor
Fuente: Autores
Con apoyo en el diagrama, se procede a hacer la programación en lógica escalera, la siguiente figura es un ejemplo aproximado del estilo de programación que se emplea para generar los movimientos del motor.
Figura 40. Programación Ladder para un motor
Fuente: Autores
El lenguaje de programación LADDER, resulta ser de uso común para representar la lógica de control de sistemas industriales, este método de programación es un modo de comunicación con el controlador lógico programable o PLC. Para fines del proyecto de grado no se hace la programación del PLC debido a que el proyecto se enfoca a la simulación, pero es importante mencionar de qué manera trabaja este sistema en el campo de la industria.
Por último, se proceden a hacer las conexiones del respectivo driver al PLC y al motor, se usan las salidas especiales Q0, Q1 y Q2 los cuales entregan un pulso modulado con la frecuencia necesaria, esto activa el driver del motor (este driver tiene internamente un circuito generador de pulsos, un contador binario y un driver de corriente).
4.2.1.1 Selección de panel para interfaz HMI
El panel seleccionado para la interfaz HMI es el SH-300 que es compatible con el PLC seleccionado anteriormente.
El panel HMI se conecta a través de una interfaz “ModBus RTU” al PLC, mediante RS232 o RS485, permitiéndole agregar si desea un teclado y display LCD. Se puede monitorear, cargar o modificar información de los registros de estado de los relés dentro del PLC. Posee una pantalla monocromática (dos colores, verde-amarillo) de 4,3".
Características Principales
- Rango de Alimentación: 12 a 24 VDC +/- 10% (< 300 mA) - Display LCD grafico de 192x64 pixels (tamaño: 96x32 mm) - Puerto de comunicación con PLC: RS232 / RS485 / RS422 - Compatibilidad: ModBus RTU , Slicetex, Siemens, Mitsubishi, Omron, - Panasonic, Delta, Freedom, etc. - Entorno de programación grafico (software incluido) - Programación desde PC: RS232 - Capacidades: Protección con clave, alarmas, gráficos, textos, etc. - Dimensiones: 171.8 x 84.2 x 38.6 mm
Este panel cuenta con un entorno de programación simple e intuitiva para diseñar la interfaz gráfica desde Windows. Se conecta al PLC utilizando una conexión del tupo ModBusRTU, la cual utiliza RS-232 o RS-485, logrando que sea más sencillo para conectar.
Figura 41. Panel HMI
Fuente: PANEL HMI SH-300 http://www.slicetex.com/docs/an/an024/index.php
4.2.1.2 Interfaz humano máquina
Una HMI es una interfaz, que permite al cualquier usuario u operador de una máquina interactuar con los procesos mediante la observación de estados de tareas programadas en un PLC. La HMI SH-300, cuenta con una pantalla de 96x32 mm con una resolución de 192x64 pixeles. Dado que la pantalla es de colores, se puede diseñar una interfaz gráfica amigable con el operador. Para un óptimo y sencillo funcionamiento de la máquina, este display cuenta con una serie de botones de control y gracias a esto el usuario puede sentir pleno control de un proceso debido a que con este panel puede dar la orden al PLC de cambiar alguna variable de control y así manipular el proceso de producción.
Es de gran importancia mencionar que existen normas sobre colores, aspecto y diseño que se deben tener en cuenta las pantallas de visualización. Una de estas es la norma ISO 9241-210 (Sanz, 1996). Se tiene en cuenta la sección 8 de la norma, ya que habla sobre la relación con la representación de pantallas en color, esto hace alusión al uso de colores extremos del espectro como lo son el azul y el rojo saturados, estos no deben visualizarse nunca simultáneamente. El PLC puede ser programado desde un computador que esté conectado mediante una red, de igual manera la HMI. Esto es posible por un software llamado Totally Integrated Automation Portal, o TIA Portal. Este software es una herramienta que permite programar controladores con diagramas escalera, además de eso permite activar una función de visualización la cual muestra cómo cambian las variables en el PLC y poder verificar si el programa cargado se está ejecutando correctamente.
5 PROCESAMIENTO DE IMÁGENES
A través del procesamiento digital de imágenes, se busca adquirir la información de la pieza termoformada para poder simular el corte debido a la facilidad que este brinda con la adquisición de datos de la imagen en cuestión.
Luego, el procesamiento digital de imágenes resulta una herramienta muy útil y no únicamente dentro del proyecto, si no, para diversos campos de aplicación como la medicina, industrial, científica y demás; de acuerdo con Alejandro Domínguez Torres “El procesamiento digital de imágenes ha adquirido, en años recientes, un papel importante en las tecnologías de la información y el cómputo. Actualmente, es la base de una creciente variedad de aplicaciones que incluyen diagnosis médica, percepción remota, exploración espacial, visión por computadora, etc. Como resultado directo de la reducción en el precio de las computadoras, el procesamiento digital de imágenes actualmente se puede efectuar (aunque con ciertas limitantes) en una computadora personal.” [20]. En pocas palabras el procesamiento de imágenes es una herramienta útil para adquirir la información y proceder a la simulación del sistema permitiendo así ver el correcto funcionamiento de este.
Es conveniente mostrar antecedentes de trabajos previos, imágenes de un proyecto de procesamiento digital de imágenes, sustentado en un taller mecatrónico de la Universidad Piloto de Colombia, donde se filtra una uchuva para su recolección por procesamiento de imágenes con la herramienta Matlab, y así demostrando los beneficios de este método de programación que en este caso beneficia a la industria agrícola. Anexo U, Anexo V, Anexo W.
5.1 Desarrollo del estudio
En el procesamiento digital de imágenes es necesario de un control de condiciones ambiente, en el caso del dispositivo resulta un control de condiciones lumínicas para las piezas termoformadas debido el brillo que estas reflectan, ya que esto genera una gran problemática al momento de extraer información porque se convierte en ruido basado en nuestra área de interés que es únicamente el contorno a cortar. Por esta razón, se decide diseñar un sistema de condiciones lumínicas para así controlar el brillo que refleja la pieza.
Figura 42. Caja de control de condiciones
Fuente. Autores
Tratándose de un prototipo que busca controlar las condiciones lumínicas, se selecciona como material de la caja el acrílico, debido su bajo costo y peso, esta es de color blanco con el interior mate para no permitir filtración de luz que genera ruido en la pieza, además, teniendo en cuenta que la pieza dentro de la caja puede generar sombras, que dificultan el trabajo de adquisición. Sin embargo, la elección de dicho material y características no resulta propicia, debido a que sin tener en cuenta la zona horaria donde se presentan cambios bruscos de luz, hace que disminuya o aumentare la filtración de la misma, generando ruido en la figura y pérdida del contorno. Es por eso que se decide forrar la caja en Foamy o espuma recortable de color negro, con la finalidad de excluir el interior de la caja de cualquier luz externa a ella. De este modo se puede lograr controlar el ambiente por medio de una cintilla de leds, que permite mantener el nivel de luminosidad en cualquier momento del día y así poder controlar de mejor manera el ruido en la pieza.
De acuerdo con lo anterior, la siguiente imagen trata de condiciones semi-controladas, debido que las cubiertas inferiores, y laterales ya estaban cubiertas, más sin embargo la superior no, permitiendo así el flujo de luz ambiente lo que hace que el brillo sea alto o bajo según la zona horaria.
Figura 43. Imagen en condiciones semi-controladas
Fuente. Autores
La imagen anterior permite observar que, si el control de luz no es adecuado, se presenta un nivel de luminosidad muy alto en el lado izquierdo de la imagen y muy bajo en el derecho y superior, de este modo se pierde el contorno de la figura, lo que no permite el correcto tratamiento y extracción de datos de esta.
Por esta razón es necesario realizar un diseño para el control de condiciones lumínicas con el fin de que no interfieran con el buen funcionamiento del sistema en cualquier entorno que este se encuentre, y como se explica anteriormente, es necesario que el ambiente cuente con iluminación, que haga del sistema independiente respecto a medio lumínico sin verse afectado por el sitio o zona horaria que este se encuentre, así también concediendo a la cámara obtener mejor los detalles para la extracción de los mismos y hacer de la simulación de corte un proceso más confiable.
Figura 44. Foto pieza en condiciones controladas y con alta luminosidad
Fuente. Autores
Ahora bien, con la pieza puesta en la caja y con el control de condiciones lumínicas, procedemos a realizar el procesamiento de imágenes con el software de programación Matlab; se empieza por sincronizar la cámara con el software, con una resolución de 320x240 pixeles, donde posteriormente se toma una foto y se almacena en una variable. Ahora, se dispone a convertir la imagen de RGB a escala de grises, para aplicarle un filtro Gaussiano que suaviza la imagen sin afectar los bordes de esta para difuminar así el ruido causado en el medio. ANEXO X.
Figura 45. Foto pieza filtro Gaussiano
Fuente. Autores
En base a lo anterior, se procede a utilizar morfología, y de acuerdo con Agustín Cruz Contreras [21]. “La MM es una herramienta para extraer componentes de una imagen, útiles en la representación y descripción de regiones, contornos, esqueletos y formas convexas; su lenguaje es la teoría de conjuntos, los cuales representan las formas de los objetos en una imagen.”. Como se ha dicho anteriormente, la morfología es el tratamiento que se le aplica a las imágenes digitales, con el fin de extraer características de la misma por medio de la manipulación de los pixeles, con métodos comunes cómo la dilatación y erosión. Ambas técnicas se basan en la manipulación de los pixeles con el fin de eliminar o rellenar regiones pequeñas y la abstracción de un rasgo por medio de la descomposición y composición del mismo. En el caso de la imagen en cuestión, se busca aplicarle un cierre que es una dilatación seguida de una erosión, lo que permite eliminar detalles oscuros dejando la imagen en su mayoría igual, permitiendo así eliminar ruidos en el medio de la imagen.
Después, con un filtro “Prewitt” que obtiene el gradiente de los bordes, y de este modo poder ver el contorno de la máscara.
Figura 46. Foto pieza contorno con ruido
Fuente. Autores
Ahora, se busca eliminar el ruido del interior, y obtener solo el contorno para posteriormente simular, entonces se procede por medio de morfología comentada anteriormente, y se hace uso de las herramientas “Bwareaopen” y “Imclearborder” que limpian el interior como el contorno de la figura y así obtener el contorno de la figura sin ninguna perturbación.
Figura 47. Foto pieza contorno
Fuente. Autores
Finalmente, se procede a obtener las coordenadas X Y en un Excel para el proceso de simulación. Cabe aclarar que la figura dentro de la caja se encuentra en sentido horizontal como se muestra en la siguiente figura.
Figura 48. Foto coordenadas
Fuente. Autores
6 RESULTADOS
La modelización es una forma de crear una representación virtual de un sistema real que incluye software y hardware. Si los componentes de software de este modelo están gobernados por relaciones matemáticas, es posible simular esta representación virtual con una amplia gama de condiciones para ver cómo se comporta [28].
La modelización y la simulación son especialmente útiles para probar condiciones que podrían resultar difíciles de reproducir solamente con prototipos de hardware, especialmente en la primera fase del proceso de diseño, cuando es posible que no esté disponible el hardware. La iteración entre la modelización y la simulación puede mejorar la calidad del diseño del sistema en una etapa temprana y reducir así el número de errores descubiertos más adelante en el proceso de diseño [28].
Figura 49. Diagrama para simulación
Fuente: https://www.mathworks.com/products/simmechanics/features.html#simulating-
models
Para la simulación del sistema de corte se enlazan los programas de INVENTOR y Simulink de Matlab, con la ayuda de estos programas se obtiene el modelo del sistema que se quiere simular, el ensamble final del sistema se lleva a Matlab como un modelo matemático representado en un sistema de bloques de Simulink, y a partir de este se busca que el sistema cumplan con direcciones y comandos.
Al importar las piezas del sistema a Matlab se genera un código que describe cada objeto y a partir de este código (.xlm) y empleando Simmechanics de Matlab se crea el entorno necesario para la simulación.
Figura 50. Ejemplo código del entorno de las piezas del sistema
Fuente: Autores
Simmechanics de Matlab importa y las piezas CAD y las traduce a un lenguaje gráfico de bloques y que ayudan a la simulación del sistema la Figura 59 corresponde al diagrama simulink del sistema piñón-cremallera empleado en sistema de corte.
Figura 51. Ejemplo diagrama Simulink que genera Matlab
Fuente: Autores
Figura 52. Diagrama de flujo proceso de simulación del sistema de corte.
Simulación del sistema de corte para piezas termoformadas.
Ensamble de las piezas (CAD).
Registrar Matlab como servidor (regmatlabserver).
Realizar el enlace entre Matlab e Inventor (smlink_linkinv).
Exportar como SimMechanics de segunda
generación (smimport (‘ensamble’)).
Exportar como SimMechanics de primera generación
(mech_import(‘ensamble’)).
)
Exportar ensamble del entorno
Inventor a Matlab.
Se genera diagrama de bloques en el entorno se Simulink que
representa cada una de las piezas del ensamble y su vínculo con el
mismo.
Se ejecuta el diagrama simulink.
Fin.
7 CONCLUSIONES
El presente trabajo de grado tuvo como objetivo el diseño de una máquina de corte automático para piezas termoformadas debido a que en la actualidad el corte de estas piezas se realiza de forma manual, ya que el corte de pieza por pieza con cuchilla conlleva a una pérdida de tiempo, aumento de costos en operarios para elaborar esta tarea e incluso accidentes debido lo anterior. Así mismo, se determinó que en comparación con un operario que tarda en promedio de 10 a 15 minutos para cortar una pieza según su geometría, el diseño de la máquina de corte automático de la pieza estaría tardando un promedio de 5 minutos para su corte. De acuerdo a lo anterior, el termoformado el cual es un proceso de manufactura de gran uso, ya que se encuentra para embalajes médicos, alimenticios, formas publicitarias etc. Y el caso del presente diseño se trabajó con material PET debido que es el más común en la industria, además se pudo observar el procedimiento para la elaboración de una pieza termoformada, conociendo así la temperatura con la que se trabaja para elaborar tal producto, esto permitió poder tener más claridad respecto al corte donde se logró detallar que tipo de herramienta fue seleccionada para llevar a cabo este procedimiento y de qué forma.
Por otra parte, para la adquisición del área de la pieza, fue necesario diseñar y construir un entorno que facilita el control de las condiciones lumínicas que podían afectar el sistema e incurrir a errores al momento de la adquisición de los detalles de la pieza en cuestión. Además, por medio del método de procesamiento digital de imágenes, que reduce en costos y facilita por medio de una cámara, donde poniendo la pieza con el relieve o figura para abajo resulta más sencillo poder obtener el contorno de la misma y así extraer características como el área o región de corte.
El sistema de corte para piezas termoconformadas cuenta con ejes de posicionamiento, capaces de llevar al sistema a coordenadas específicas, suministradas por el sistema de adquisición de imágenes. El sistema de ejes se simplifica con la selección de dispositivos de un proveedor especializado en tornillos y husillos de bolas.
Para el control del dispositivo, fue necesario la implementación de un controlador lógico programable (PLC), ya que, gracias a su adaptabilidad y compatibilidad a elementos eléctricos, y protección ambiental y a la manipulación de los operarios que intervienen sobre la máquina y el PLC. En conclusión, el control de los componentes se desea hacer por este dispositivo ya que como se mencionó anteriormente, este simplifica los procesos gracias a su procesamiento en paralelo y no secuencial como el de los microprocesadores.
8 RECOMENDACIONES
Para el presente proyecto de grado se aplica una metodología ingenieril donde se detalla el diseño de la máquina, basados en visitas a empresas que permite conocer más acerca de la elaboración del producto, y conocer acerca de las falencias que este proceso tiene al momento del corte de una pieza, se puede dar un desarrollo al diseño cumpliendo así con los objetivos propuestos inicialmente, aun así se pueden realizar mejoras que beneficien un proceso de manufactura de gran uso como lo es el termoformado en la actualidad.
De acuerdo a lo anterior, es recomendable realizar un ajuste al diseño, lo que permita que máquinas ya automatizadas de termoformado puedan estar en serie con el de corte automático, para así hacer de este un proceso más rápido y eficiente.
Por otra parte, es necesario trabajar con materiales distintos al PET como por ejemplo el foamy, es por eso que es preciso analizar y diseñar más herramientas de corte y sistemas de sujeción, que no presenten daños ni costos adicionales al proceso actual.
8.1 Trabajos futuros
Se sugieren áreas en las que se le puede brindar un seguimiento al presente proyecto de grado.
- Dado que ya se reconoce el contorno de la pieza, es recomendable como trabajo futuro asignar coordenadas cartesianas al sistema para la interpretación de los mecanismos de movilidad y corte.
- La construcción y ensamblaje de la máquina de corte para pruebas de funcionamiento tanto del sistema de adquisición de imágenes como el sistema de corte.
- Análisis de cargas más exhaustivo para la aplicación real de distintos materiales para corte distintos a los termoplásticos.
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[26]. Domínguez Torres, A. Procesamiento digital de imágenes. Perfiles Educativos [en línea] 1996, (abril-juni): [Fecha de consulta: 19 de noviembre de 2017] Disponible en:<http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=13207206>ISSN 0185-2698
[27]. Cruz Contreras, A. Morfología Matemática en tiempo Real para Imágenes binarias (B&N). [En línea]. <https://www.quiminet.com/articulos/que-es-el-termoformado-32016.htm> [Consultado 5 de noviembre 2017]
[28].MathWorks. Modelización y simulación. [En línea].https://es.mathworks.com/discovery/modeling-and-simulation.html Fecha de consulta del artículo: 25 septiembre 2017
[29].THK. Catálogo General Husillo de bolas. [En línea].https://tech.thk.com/es/products/pdf_download.php?file=511LS_15_BallScrew.pdf. Fecha de consulta del artículo: 25 noviembre 2017
[30].MKS de México. [En línea] <http://www.nks.com/es/distribuidor_de_acero_inoxidable/aceros_inoxidables_316.html> Fecha de consulta del artículo: 22 enero 2018
ANEXOS
Anexo A. 4.0 HD
Anexo B.LR 5.0
Anexo C.PUNCH
Anexo D.MRP500
Anexo E.FT10
Anexo F. Composición química
Anexo G. Propiedades mecánicas
Anexo H. Propiedades físicas
ANEXO I. Boceto 1
ANEXO J. Boceto 2
Anexo K. Rammus DC 12V Electric Mini Drill Motor Hand Drilling for PCB Wood Woodworking with 10pcs HSS Twist Bits Repair DIY Model Tool.
Anexo L. AUTOTOOLHOME Mini 12V Motor Micro DIY Electric Hand Drill PCB Press Drilling 0.8mm-1.5mm Twisit Drill Bits Keyless Brass Chucks.
Anexo M. AUTOTOOLHOME Mini DC 12V Electric Hand Drill Motor PCB Press Drilling Compact Set 0.5-3mm Twist Bits 0.3-4mm JT0 Chucks Tool.
Anexo N. Coeficiente de fuerza específica de corte Kc para termoplásticos (PET).
Anexo O. Detalles técnicos escariador.
Anexo P. Condiciones de la broca según el material a usar.
Anexo Q. PlC Siemens
Anexo R. Módulo PLC
ANEXO S. PLC Allen – Bradley
Anexo T. PLC Schneider Electric
Anexo U. Planta de uchuvas.
Fuente. Autores
Anexo V. Sectorización del fruto.
Fuente. Autores
Anexo W. Segmentación y ubicación del fruto.
Fuente. Autores
ANEXO X. Código reconocimiento de imágenes
Fuente. Autores
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