oct-2011 diseño de modelo de máquina empacadora de bolsas

UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA “JOSÉ SIMEÓN CAÑAS”

DISEÑO DE MODELO DE MÁQUINA EMPACADORA DE

BOLSAS PREFABRICADAS TIPO DOYPACK

TRABAJO DE GRADUACIÓN PREPARADO PARA LA

FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

PARA OPTAR AL GRADO DE

INGENIERO MECÁNICO

POR:

RUBÉN ELADIO ALFARO AVILÉS

JOSÉ MIGUEL MORÁN CASTELLANOS

OCTUBRE 2011

ANTIGUO CUSCATLÁN, EL SALVADOR, C.A.

RECTOR

ANDREU OLIVA DE LA ESPERANZA, S.J.

SECRETARIA GENERAL

CELINA PÉREZ RIVERA

DECANO DE LA FACULTAD DE INGIENERÍA Y ARQUITECTURA

CARLOS GONZALO CAÑAS GUTIÉRREZ

COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA

MARIO WILFREDO CHÁVEZ MOLINA

DIRECTOR DEL TRABAJO

MARIO WILFREDO CHÁVEZ MOLINA

LECTOR

NIKLAUS BIENZ

AGRADECIMIENTOS

A Dios,

Por darnos la oportunidad de superarnos académicamente y por la Fortaleza que nos ha

otorgado para sobrellevar cada uno de los obstáculos que se nos presentaron a lo largo de

estos años.

A nuestras familias,

Por el apoyo, el cariño, la paciencia y la motivación que nos brindaron.

Al Ing. Mario Chávez,

Por hacerse cargo de este proyecto y guiarnos con sabiduría, ya que sin su apoyo no

habríamos encontrado el rumbo necesario para culminar este proyecto.

Al Ing. Nick Bienz,

Por todas sus ideas, sugerencias, guía y apoyo, sin él este proyecto no se podría haber

llevado a cabo.

A todos los catedráticos que nos encontramos a lo largo de nuestra carrera,

Por compartir con nosotros sus conocimientos, sabiduría y exigir al máximo nuestras

capacidades.

A nuestros amigos y compañeros de promoción,

Sin ellos las clases no habrían tenido el mismo sentido.

Miguel Morán.

Rubén Alfaro.

DEDICATORIA

A mi familia por todo su apoyo y en especial a mi piojo, que le dio sentido a mi vida.

Rubén Alfaro

A mi abuela y mi padre, motivación de mis esfuerzos, a mi madre por apoyarme sin

condición, a mi familia por respaldar mis decisiones y a mis amigos y todos aquellos que

de alguna forma creen en mí.

Miguel Morán

i

RESUMEN EJECUTIVO

El presente trabajo trata acerca de una propuesta de diseño de una máquina

Llenadora/Selladora para empaques tipo Doy Pack según los requerimientos de diseño de

la empresa Empakando S.A. de C.V.

Actualmente en El Salvador, en las empresas donde se requiere llenado y sellado de

productos, se ha adoptado el empaque tipo doy pack gracias a la gran variedad de

presentaciones y a la diversidad de productos que puede almacenar. Estas empresas

llenan y sellan sus empaques con diferentes equipos en diferentes estaciones. Pensando

en el desarrollo de la industria salvadoreña y en aumentar la competitividad de las

empresas, se pensó en el diseño de una máquina que fuese capaz de realizar todas las

tareas a la vez y mejorar el rendimiento de la línea de producción.

Esta nueva máquina debe tener la capacidad de abrir las bolsas, dosificar y llenar el

producto, sellarlas y despacharlas. Cada una de estas tareas es un mecanismo diferente,

por lo tanto, la máquina tiene que ser capaz de adaptar cada uno de estos sistemas.

Una vez definida la función total que debe cumplir la máquina, se procedió a identificar las

diferentes tareas por separado para tener una mejor idea de los sistemas necesarios para

garantizar el funcionamiento de la máquina.

La función total se dividió en seis tareas, indexación, apertura de bolsas, presentación de

los empaques, llenado, sellado y despacho de bolsas, para las cuales se buscaron distintas

soluciones las cuales se evaluaron posteriormente.

Indexación se refiere al arranque y paro de manera repetida y precisa. Para esta función

se consideraron tres opciones, una mesa indexadora, un motoreductor con variador de

frecuencia y freno mecánico y un motor con variador de frecuencia. Estas tres opciones se

evaluaron entre sí y se eligió la que obtuvo mejor puntuación.

ii

Según la lista de requerimientos, la apertura de las bolsas puede ser manual,

semiautomática y automática. Para esta función se escogió la opción semiautomática y no

se evaluaron otras opciones.

La presentación de los empaques se define como la acción de colocar las bolsas en la

máquina. Esta debe ser manual, por lo tanto el operario será el encargado de poner las

bolsas en el lugar adecuado.

La función de llenado tiene como requisito ser capaz de manejar productos líquidos de

alta viscosidad con y sin partículas suspendidas y productos sólidos granulados. Para esta

función se consideraron los dos modelos de dosificación y llenado ofrecidos por la

empresa Empakando S.A. de C.V. Dado que estos sistemas ya son fabricados por la

empresa, el principal retos será el de encontrar la posición adecuada para colocarlos. Los

sistemas ofrecidos por Empakando son dosificación con válvula check y boquilla antigoteo

y dosificación con válvula 3/2 con boquilla antigoteo.

Para el sellado de las bolsas se consideró un sistema tipo mordaza, el cual consta de dos

piezas que generan calor y derriten el empaque. El sistema seleccionado es el de tipo

calor permanente.

El despacho de bolsas se consideró que podía ser manual, automático sin mecanismo y

automático con mecanismo. Estas tres opciones se compararon y evaluaron técnica y

económicamente.

Una vez seleccionada la combinación de soluciones se debe elegir la variante o modelo a

diseñar. Se consideraron dos opciones, una máquina con indexación rotativa y una

máquina con indexación lineal. Ambas propuestas se evaluaron técnica y

económicamente y se escogió la mejor puntuada.

Al tener definidas las diferentes opciones para realizar cada una de las tareas y la

combinación de soluciones que lograse integrar todas las funciones, se procedió a la

elección.

iii

La elección se realizó con la ayuda de matrices de decisión con las cuales se compararon

las distintas variantes de cada una de las tareas. Para cada una de las tareas se realizaron

dos matrices de decisión una técnica y otra económica, donde se evaluaron distintos

aspectos. De cada una de estas tablas se obtuvo una nota técnica y nota económica, las

cuales tienen un valor del 40% y 60% respectivamente de la nota final. Se eligió esta

ponderación, ya que todas las opciones cumplían con el aspecto técnico y era el aspecto

económico el que tenía un límite. Utilizando este método se seleccionaron las variantes

mejor puntuadas.

Una vez seleccionada la variante a diseñar con todos sus componentes, se seleccionaron

los materiales a utilizar y se elaboró un primer diseño virtual del modelo utilizando la

herramienta de diseño Autodesk Inventor 2011: Student Version. Con esta herramienta se

dibujaron en tres dimensiones cada una de las partes de la máquina y se ensamblaron

para completar el diseño virtual en tres dimensiones. Como todo proyecto de diseño, el

primer modelo no fue el definitivo y se fue optimizando, hasta llegar al diseño final.

Una vez completado el diseño virtual, se realizaron simulaciones y análisis virtuales para

validar el diseño de la máquina y proceder a la elaboración de los planos de detalle. Estos

análisis se realizaron en el mismo programa de diseño antes mencionado y los resultados

se presentan en una memoria de cálculo.

Con los resultados de los análisis y el diseño virtual completado, se recibió el aval de los

directores del proyecto para continuar con la siguiente etapa, la concretización del diseño.

En esta etapa, se elaboró mediante una tabla una verificación del cumplimiento de los

requerimientos propuestos y se elaboró una lista detallada de los componentes

mecánicos y eléctricos de la máquina y una cotización detallada para determinar el costo

de fabricación de la máquina. Se procedió a la cuantificación y verificación de costos

totales y se realizó un análisis económico, para determinar de manera aproximada, el

retorno de la inversión.

ÍNDICE

RESUMEN EJECUTIVO .......................................................................................................i

ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................................ ix

ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................................ xiii

SIGLAS ........................................................................................................................... xv

UNIDADES DE MEDIDA ................................................................................................ xvii

PRÓLOGO ..................................................................................................................... xix

CAPÍTULO 1. PLANIFICACIÓN DEL DISEÑO ....................................................................... 1

1.1 Justificación del nuevo desarrollo ................................................................................. 1

1.2 Aclaración y definición de la tarea a realizar por la nueva máquina ............................ 3

1.3 Requerimientos de diseño ............................................................................................ 5

CAPÍTULO 2. PROYECCIÓN DEL DISEÑO ........................................................................... 9

2.1 Descripción y definición de la función total de la máquina. ......................................... 9

2.2 Descomposición de la función total en funciones parciales ......................................... 9

2.2.1 Función Abrir bolsa ................................................................................................. 9

2.2.2 Función Presentar bolsa en la máquina. .............................................................. 10

2.2.3 Función Llenar bolsa. ............................................................................................ 10

2.2.4 Función Sellar bolsa. ............................................................................................. 17

2.2.5 Función Despachar bolsa. ..................................................................................... 18

2.2.6 Función Indexar. ................................................................................................... 19

2.3 Combinación de soluciones para cumplir la función total. ......................................... 24

2.4 Variantes de diseño de la función total. ..................................................................... 25

CAPÍTULO 3: ELECCIÓN DE LA VARIANTE DE DISEÑO A DESARROLLAR ........................... 27

3.1. Metodología .............................................................................................................. 27

3.2. Valoración Técnica de las Variantes. ......................................................................... 29

3.2.1. Función Indexar ................................................................................................... 30

3.2.2. Función Llenar ..................................................................................................... 30

3.2.3. Función Despacho de Bolsas ............................................................................... 30

3.3. Valoración Económica de las Variantes. .................................................................... 35

3.3.1. Función Indexar ................................................................................................... 35

3.3.2. Función Llenado .................................................................................................. 35


3.4. Valoración Global de las Variantes ............................................................................ 40

3.4.1 Función Indexar .................................................................................................... 40

3.4.2. Función Llenado .................................................................................................. 41


3.5. Selección de la Variante de Máquina a Desarrollar y Justificación ........................... 42

3.5.1. Indexadora Rotativa ............................................................................................ 42

3.5.2. Indexadora Lineal ................................................................................................ 43

3.5.3. Evaluación y Selección del Modelo ..................................................................... 43

3.5.4. Justificación de la Selección ................................................................................ 47

CAPÍTULO 4. DESARROLLO DEL DISEÑO DEL MODELO DE MÁQUINA EMPACADORA ..... 49

4.1. Elaboración del Modelo Virtual Preliminar ............................................................... 49

4.1.1. Materiales Utilizados .......................................................................................... 49

4.1.2. Pedestal ............................................................................................................... 52

4.1.3. Sistema de Indexación ........................................................................................ 54

4.1.4. Sistema de Dosificación ....................................................................................... 62

4.1.5. Sistema de Llenado .............................................................................................. 65

4.1.6. Sistema Neumático de Apertura de Bolsas ......................................................... 71

4.1.7. Sistema de Sellado ............................................................................................... 75

4.1.8. Otros Componentes. ........................................................................................... 77

4.2. Funcionamiento y control Teórico de la Máquina ..................................................... 79

4.3. Optimización del Modelo ........................................................................................... 81

4.3.1. Pedestal Modificado ............................................................................................ 82

4.3.2. Tolva de 12 Galones ............................................................................................ 84

4.3.3. Plato Transportador ............................................................................................ 85

4.3.4. Eje y Brida de Acople Eje-Plato. ........................................................................... 85

4.3.5. Base Bolsas .......................................................................................................... 87

4.3.6. Tapadera Mesa .................................................................................................... 88

4.3.7. Sistema de Sellado ............................................................................................... 88

4.4. Validación del Diseño ................................................................................................. 89

4.4.1. Validación Teórica de los componentes y Mecanismos ...................................... 89

4.4.2. Aprobación de los directores de Proyecto. ......................................................... 90

CAPITULO 5. CONCRETIZACIÓN DEL DISEÑO .................................................................. 91

5.1 Lista y descripción de partes mecánicas. .................................................................... 91

5.2 Lista y descripción de partes eléctricas y de control. ................................................. 93

5.2.1 Elementos de control electrónico. ....................................................................... 93

5.2.2 Elementos de control neumático. ........................................................................ 94

5.3 Cuantificación y Verificación de costos ....................................................................... 95

5.4 Verificación del cumplimiento de los requerimientos de diseño ............................. 100

5.5 Análisis Económico. .................................................................................................. 106

CAPITULO 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................... 109

6.1 Conclusiones ............................................................................................................. 109

6.2 Recomendaciones ..................................................................................................... 110

GLOSARIO ................................................................................................................... 111

BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................. 113

ANEXOS

ANEXO A. LISTA DE REQUERIMIENTOS DE DISEÑO

ANEXO B. MEMORIA DE CÁLCULOS

ANEXO C. PLANOS CONSTRUCTIVOS DE LA MÁQUINA.

ix

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1. Empaques tipo “doy pack”.................................................................................... 1

Figura 1.2. Diagrama de Línea de Producción del Método “Tradicional Semiautomático” ... 2

Figura 1.3. Método “Tradicional Semiautomático” ................................................................ 2

Figura 1.4. Dimensiones Mínimas y Máximas de los Empaques ............................................ 7

Figura 2.1. Carga de la llenadora de pistón .......................................................................... 11

Figura 2.2. Descarga de la llenadora de pistón ..................................................................... 11

Figura 2.3. Características Válvula check .............................................................................. 12

Figura 2.4. Válvula de bola 3/2 con actuador ....................................................................... 13

Figura 2.5. Control con finales de carrera neumáticos ......................................................... 15

Figura 2.6. Control con sensores de posición “reed switch” ................................................ 15

Figura 2.7. Llenado con boquilla antigoteo .......................................................................... 17

Figura 2.8. Sellado de bolsas ................................................................................................. 17

Figura 2.9. Mesa Indexadora y partes principales ................................................................ 20

Figura 2.10. Mecanismo Globoidal ....................................................................................... 21

Figura 2.11. Mecanismo Cilíndrico o de barril ...................................................................... 21

Figura 2.12. Mecanismo tipo plato ....................................................................................... 22

Figura 2.13. Motoreductor ................................................................................................... 23

Figura 2.14 Máquina Indexadora Rotativa ........................................................................... 26

Figura 2.15 Máquina Indexadora Lineal ............................................................................... 26

Figura 4.1. Ejemplos de Piezas de UHMW-PE Maquinadas .................................................. 51

Figura 4.2. Pedestal ............................................................................................................... 53

Figura 4.3. Sistema de Indexación ........................................................................................ 54

Figura 4.4. Sistema de Indexación ........................................................................................ 55

Figura 4.5. Motoreductor con eje y placa ............................................................................. 56

Figura 4.6. Eje ........................................................................................................................ 57

Figura 4.7. Plato Transportador ............................................................................................ 58

Figura 4.8. Acople entre eje y plato ...................................................................................... 59

Figura 4.9. Base para bolsas .................................................................................................. 60

x

Figura 4.10. Placas sensores ................................................................................................. 61

Figura 4.11. Placas base Motoreductor 1430-YC ................................................................. 62

Figura 4.12. Sistema de dosificación .................................................................................... 63

Figura 4.13. Diseño virtual de Válvula 3 vías ........................................................................ 64

Figura 4.14. Sistema de Llenado .......................................................................................... 65

Figura 4.15. Mecanismo de Bajada y Subida de la Boquilla Anti-goteo............................... 67

Figura 4.16. Soporte Universal ............................................................................................. 68

Figura 4.17. Abrazadera de dos Piezas ................................................................................. 69

Figura 4.18. Acople tipo Brida para el Tubo de Soporte ...................................................... 70

Figura 4.19. Sistema Neumático de Apertura de Bolsas ...................................................... 71

Figura 4.20. Cono Abridor .................................................................................................... 72

Figura 4.21. Placa de Soporte de Cono Abridor ................................................................... 73

Figura 4.22. Tubo de Soporte del Sistema Neumático de Apertura de Bolsas .................... 74

Figura 4.23. Sistema de Sellado............................................................................................ 75

Figura 4.24. Funcionamiento del Sistema de Sellado .......................................................... 76

Figura 4.25. Tapadera de Mesa ............................................................................................ 77

Figura 4.26. Placas Laterales ................................................................................................ 78

Figura 4.27. Diseño Preliminar de la Máquina Completa .................................................... 79

Figura 4.28. Simulación Pedestal ......................................................................................... 82

Figura 4.29. Optimización Pedestal ...................................................................................... 83

Figura 4.30. Optimización Tolva ........................................................................................... 84

Figura 4.31. Eje Nuevo .......................................................................................................... 85

Figura 4.32. Brida Nueva ...................................................................................................... 86

Figura 4.33. Eje-Brida ........................................................................................................... 86

Figura 4.34. Base de Bolsas Modificada ............................................................................... 88

Figura 4.35. Sistema de Sellado con Soporte Modificado.................................................... 89

Figura B.1. Tubos de Soporte Motoreductor “von Mises” .................................................. B-5

Figura B.2. Tubos de Soporte Motoreductor “Factor de Seguridad” ................................. B-6

Figura B.3. Tubos de Soporte Motoreductor “Desplazamiento” ........................................ B-6

xi

Figura B.4. Tubos de Soporte de Tolva “von Mises”........................................................... B-8

Figura B.5. Tubos de Soporte de Tolva “Desplazamiento” ................................................. B-8

Figura B.6. Tubos de Soporte de Tolva “Factor de Seguridad”........................................... B-9

Figura B.7. Base para Bolsas “Von Mises” ........................................................................ B-10

Figura B.8. Bases para bolsas “Desplazamiento”.............................................................. B-10

Figura B.9. Base Bolsas “Factor de Seguridad” ................................................................. B-11

Figura B.10. Análisis de Frecuencia Natural Pedestal ....................................................... B-12

Figura B.11.Prueba de Indexación .................................................................................... B-13

Figura B.12.Centro de Gravedad plano X-Z ...................................................................... B-14

Figura B.13.Centro de Gravedad plano Z-Y....................................................................... B-15

Figura B.14.Centro de Gravedad plano X-Y ...................................................................... B-15

xiii

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1. Cuadro Comparativo de Válvulas ......................................................................... 13

Tabla 2.2. Cuadro Comparativo de Control de dosificación ................................................. 16

Tabla 3.1. Notas Parciales ..................................................................................................... 28

Tabla 3.2. Matriz de Decisión Función Indexar Técnica ....................................................... 32

Tabla 3.3. Matriz de Decisión Función Llenado Técnica ....................................................... 33

Tabla 3.4. Matriz de Decisión Función Despacho de Bolsas Técnica .................................... 34

Tabla 3.5. Matriz de Decisión Función Indexar Económica .................................................. 37

Tabla 3.6. Matriz de Decisión Función Llenado Económica.................................................. 38

Tabla 3.7. Matriz de Decisión Función Despacho de Bolsas ................................................. 39

Tabla 3.8. Matriz de Decisión Función Total Técnica ........................................................... 45

Tabla 3.9. Matriz de Decisión Función Total Económica ...................................................... 46

Tabla 4.1. Composición Química de los Grados Estándar de Acero Inoxidable ................... 50

Tabla 4.2 Propiedades Principales del UHMW-PE ................................................................ 52

Tabla 5.1. Partes Mecánicas ................................................................................................. 91

Tabla 5.2. Elementos de control electrónico ........................................................................ 94

Tabla 5.3. Elementos de control neumático ......................................................................... 95

Tabla 5.4. Cuantificación de Costos ...................................................................................... 96

Tabla 5.5. Verificación de Cumplimiento de Requerimientos “Tareas a Realizar” ............ 101

Tabla 5.6. Verificación de Cumplimineto de Requerimientos “Forma de Realizar las Tareas”

............................................................................................................................................ 102

Tabla 5.7. Verificación de Cumplimiento de Requerimientos “Requisitos Técnicos de

Funcionamiento” ................................................................................................................ 103

Tabla 5.8. Verificación de Cumplimiento de Requerimientos “Operacionales” ................ 104

Tabla 5.9. Verificación de Cumplimiento de Requerimientos “Comerciales” .................... 105

Tabla 5.10. Datos de Entrada LCC ....................................................................................... 107

Tabla 5.11. Costo de Ciclo de Vida ...................................................................................... 107

xv

SIGLAS

FDA: Food and Drug Administration (Administración de Alimentos y Medicamentos)

FAO: Food and Agriculture Organization (Organización de Alimentos y Agricultura)

CAD: Computer Aided Design (Diseño Asistido por Computadora)

UHMW-PE: Ultra High Molecular Weight Polyethylene (Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular)

ANSI: American National Standard Institute (Instituto Nacional de Estándares Estadounidense)

AISI: American Iron and Steel Institute (Instituto Americano del Hierro y Acero)

NSF: National Science Foundation (Fundación Nacional de la Ciencia)

PLC: Programmable Logic Controller (Controlador Lógico Programable)

bpm: bolsas por minuto

rpm: revoluciones por minuto

xvii

UNIDADES DE MEDIDA

Gramo g mililitro ml pascal Pa

kilogramo kg Onzas oz kilopascal kPa

milímetro mm Pulgadas in (") Megapascal MPa

centímetro cm Pies ft segundo s

metro m Newton N minuto min

litro l kiloNewton kN Grado Ceslius °C

Libra lb Velocidad rpm Frecuencia Hz

xix

PRÓLOGO

Con el presente documento, se pretende explicar los pasos y metodología utilizados para

la elaboración del diseño de una máquina rotativa Llenadora/Selladora de empaques tipo

Doy Pack.

Un proyecto de diseño puede tener muchas soluciones y puede abordarse de distintas

maneras dependiendo del diseñador(es). En este caso se decidió utilizar como guía de

diseño el proceso propuesto por Robert L. Norton en su libro “Diseño de Maquinaria:

Síntesis y Análisis de Máquinas y Mecanismos”.

Este documento cuenta con cinco capítulos con los cuales se trató de seguir los pasos y

procesos propuestos mencionados anteriormente. Como el lector podrá notar mediante

vaya avanzando este documento, el proceso utilizado como guía no se siguió al pie de la

letra y fue sufriendo modificaciones a lo largo del proceso de diseño.

Planificación del Diseño: Presenta la justificación del por qué se requiere el diseño de una

máquina de este tipo y la aclaración y definición de la tarea a realizar por la nueva

máquina. En este capítulo se presenta también de forma breve la lista de requerimientos

propuesta por la empresa Empakando S.A. de C.V.

Proyección del diseño: Se abordan temas como la descripción y la definición de la función

total de la máquina, la descomposición de la función total en funciones parciales, la

combinación de soluciones para cumplir con la función total y las distintas variantes para

cumplir con la función total.

Elección de la Variante de Diseño a Desarrollar: Presenta la metodología utilizada para la

elección de las mejores variantes (a criterio de los diseñadores) que mejor cumplen con la

descripción de las tareas mencionadas en los capítulos anteriores.

Desarrollo del Diseño del Modelo de Máquina Empacadora: Trata acerca de la

elaboración del modelo virtual a partir de las opciones seleccionadas en el capítulo

anterior utilizando distintos software de dibujo asistido por computadora como el

xx

Autodesk Inventor y el AutoCad LT, la optimización o cambios que fue sufriendo el modelo

durante el proceso de diseño, el funcionamiento teórico de la máquina y el proceso de

validación del modelo.

Concretización del Diseño: Una vez aprobado el diseño por las personas encargadas, se

procedió a establecer una lista y descripción de las partes y componentes mecánicas y

eléctricas. En este capítulo se presentan además el análisis económico de la máquina,

donde se toman en cuenta los distintos costos directos e indirectos de la máquina. Se

presenta también la cuantificación y verificación de costos y la verificación del

cumplimiento de los requerimientos de diseño.

1

CAPÍTULO 1. PLANIFICACIÓN DEL DISEÑO

El capítulo 1 trata sobre el motivo por el cual se decidió desarrollar un proyecto de este

tipo, con el cual se busca ofrecer a los usuarios y potenciales clientes una herramienta de

trabajo que les ayude a aumentar la competitividad de sus empresas.

En este capítulo se explican también de manera breve, las tareas que debe realizar la

máquina y la lista de requerimientos mínimos que debe cumplir para ser aprobada.

La lista de requerimientos, es una parte imprescindible de cualquier proyecto de diseño,

ya que sirve como guía de trabajo para definir parámetros y complacer al cliente.

1.1 Justificación del nuevo desarrollo

En El Salvador, actualmente en las empresas donde se requiere de tareas de llenado y

sellado, se ha adoptado el empaque tipo “doy pack” para empacar muchos de sus

productos (ver Figura 1.1. Empaques tipo “doy pack”).

Figura 1.1. Empaques tipo “doy pack”

2

En la mayoría de estas empresas, excepto 2 [Pérez, 2010: Entrevista], el trabajo se realiza

siguiendo el “método tradicional semiautomático”, el cual puede ser ineficiente si no se

tiene una gran coordinación entre las estaciones.

Figura 1.2. Diagrama de Línea de Producción del Método “Tradicional Semiautomático”

Figura 1.3. Método “Tradicional Semiautomático”

Cuando se habla de “tradicional” se refiere a que se necesita de un operario u operaria

por cada estación (Abrir, llenar, sellar y transportar). Aparte de tener un operario por cada

función, también se necesita una máquina por cada función/estación, como se puede ver

en la Figura 1.2. Diagrama de Línea de Producción del Método “Tradicional

Semiautomático”. Trabajar con este sistema significa que, para ser eficiente, se requiere

coordinación entre los operarios. En la Figura 1.3. Método “Tradicional Semiautomático”,

se puede ver a dos operarios en la estación de llenado, el empaque lleno en medio de las

3

dos estaciones y la estación de sellado apagada, ya que esperan a que el lote este

completo para comenzar a sellar.

Pensando en el desarrollo de la industria salvadoreña y en aumentar la competitividad de

las empresas, sería de gran utilidad ofrecer el diseño de una máquina que sea capaz de

realizar todas las tareas a la vez y mejorar el rendimiento de la línea de producción,

además de promover la inversión tecnológica.

1.2 Aclaración y definición de la tarea a realizar por la nueva máquina

La principal tarea que debe realizar la máquina es la de poder realizar todas las tareas con

un solo operario. Estas son:

Apertura del empaque

Presentación del empaque

Llenado

Sellado

Despacho de bolsas

Indexación

Empaque

Empaque

Se refiere a bolsas prefabricadas, termosellables y que poseen la cualidad sostenerse en

pie por si solas. A este tipo de empaques se les conoce como “doy pack”. Este tipo de

bolsas se puede conseguir en diferentes materiales y dimensiones dependiendo de la

aplicación. En el país se son muy comunes en la industria de alimentos ya que en ellas se

pueden almacenar productos líquidos de baja viscosidad como jugos y aceites, de alta

viscosidad con y sin sólidos en suspensión como frijoles molidos y salsas de tomate

espesas y productos secos granulados como café, etc.

4

Apertura del empaque

La apertura del empaque se refiere a la tarea de abrir la bolsa para que su llenado sea lo

más fácil posible y evitar así las pérdidas por derrames. En el momento de la apertura de

la bolsa, se tiene que asegurar que la bolsa no quede con pliegos, ya que esto puede

generar que el producto final no pase el control de calidad por no alcanzar el peso

necesario.

Presentación del empaque

Esta tarea se refiere a la de colocar la bolsa sobre el elemento trasportador que la llevará

de estación en estación. Se debe asegurar que el empaque esté completamente apoyado

y firme para evitar que se caiga al momento de ser transportado. Aquí se debe cuidar

también que no se generen pliegos en el empaque y que la apertura sea la adecuada.

Llenado

En el proceso de llenado, la máquina deberá ser capaz de entregar la capacidad total que

se quiera empacar. Debe cuidar también que no haya derrames y ser capaz de manejar el

producto con que se esté trabajando.

Sellado

Una vez el empaque este lleno, este será transportado hasta la estación de sellado. En la

estación de sellado, se deberá generar un sello hermético y lo más liso posible. La

selladora debe ser capaz de sellar bolsas de distinto material.

Despacho

Se puede decir que el producto final está listo para el mercado, al salir de la estación de

llenado. Después de la estación de llenado, debe ser retirada de la máquina para su

despacho final.

5

Indexación

El transporte de las bolsas se realizará mediante un mecanismo de indexación. El

mecanismo de indexación se refiere a un mecanismo que es capaz de arrancar y parar

repetidamente y de forma precisa.

Estas tareas se detallarán profundamente en el capítulo 2.

1.3 Requerimientos de diseño

Los requerimientos de diseño, fueron proporcionados por la empresa EMPAKANDO S.A de

C.V y detallan los requisitos mínimos que debe cumplir la máquina para que esta sea

aprobada y pase a la fase de construcción. Esta lista de requerimientos se divide en tres

partes, a) Funcionales, b) Operacionales y c) Comerciales.

a) Funcionales

Dentro de los requisitos funcionales aparecen tres categorías, Tareas a Realizar, Forma de

Realizar las Tareas y Requisitos Técnicos de Funcionamiento. En Funcionales, aparecen

descritas las características técnicas que debe cumplir la máquina para poder realizar las

funciones.

Tareas a Realizar

Especifica si la tarea deberá realizarse de manera automática o manual y otras

especificaciones. A continuación se presenta la lista de tareas a realizar y sus

especificaciones.

Apertura del empaque manual, utilizando aire comprimido.

Presentación del empaque manual.

Llenado automático, con dos opciones :

Para llenar fluidos viscosos con o sin partículas

Para llenar productos secos y granulados

Cerrar la bolsa automáticamente, para que esté lista para sellar

6

Termo Sellar la bolsa automáticamente, según el sello adecuado al material de la

bolsa.

Despacho de bolsa manual o automático.

Forma de Realizar las Tareas

En este el apartado de, se habla un poco acerca del mecanismo de movimiento de la

máquina. El número de estaciones que debe tener la máquina para poder realizar todas

las tareas. Aquí se especifica también que la máquina debe contar señales para detectar si

el empaque esta en el lugar adecuado y así activar la señal para realizar la tarea. Los

requerimientos para este apartado son los siguientes:

Tareas Realizadas por estaciones, mediante indexación.

Utilizar el número de estaciones necesarias para cumplir las tareas.

Cada tarea debe ser independiente de las demás.

Debe utilizar 1 operario.

Protección contra llenado y sellado cuando no existan bolsas presentes.

Debe integrar elementos y sistemas de dosificación existentes en EMPAKANDO

S.A. de C.V.

Requisitos Técnicos de Funcionamiento

En este apartado se definen aspectos o especificaciones como Temperatura de trabajo,

Rango de temperaturas del producto a llenar, alimentación eléctrica, sistema de aire

comprimido, dimensiones mínimas y máximas de los empaques tipo “doy pack” (ver

Figura 1.4. Dimensiones Máximas y Mínimas de los Empaques), etc.

La lista completa es la siguiente:

Tipo de empaque a llenar: Bolsas Prefabricadas tipo Doy pack

Temperatura de Operación: 0-45°C

Temperatura del Producto a llenar: 0-90°C (dependiendo del punto de

congelación y ebullición del producto)

7

Energía:

Aire Comprimido, 80 psi máx.

Eléctrica, 115-220 VAC Monofásico. 60Hz.

Dimensiones ajustadas a instalaciones pequeñas (mediana y pequeña empresa).

Partes de Control y funcionamiento (ya sea neumático o eléctrico) de fácil

intercambio y reemplazo (deben ser del mismo sistema y norma en la medida de

lo posible).

Medidas de empaques a llenar:

Figura 1.4. Dimensiones Mínimas y Máximas de los Empaques

Grado de Protección IP-66 para gabinete de control

Construcción en acero inoxidable 304 y materiales grado sanitario, aptos para el

contacto con alimentos según las normas respectivas (FDA, etc.)

b) Operacionales

Los requerimientos operacionales, como su nombre lo dice, describen una serie de

requisitos que la máquina debe cumplir para que sea operable. Como ejemplo se pueden

mencionar, que sea movible, para poder limpiar la zona (de ser necesario) o para poder

reubicarla. Que sea ergonómica, etc. La lista completa se presenta a continuación.

8

Debe ser móvil y ajustable en planta.

Diseñar pensando en el operador, para personal con poca calificación.

Ergonómica y pensada en la seguridad del personal

Control automático o semiautomático (posibilidad de controlarlo de las dos

formas).

Instalación y Operación sencillo y de fácil entendimiento, a manera de construir

un manual que guíe al cliente solo.

Indexación y control libre de mantenimiento.

Desmontable sin herramientas (o utilizando las menos y más sencillas posibles).

Debe ser fácilmente lavable, con acceso a piezas en contacto con el producto que

deben ser cambiadas o limpiadas.

c) Comerciales

En este apartado se dan las especificaciones comerciales para que la máquina sea rentable

para el fabricante y el cliente.

Costo de Fabricación: Máximo $8,500.00 (debe ser lo más económico posible).

Sus dimensiones deben ajustarse a los espacios en la micro, pequeña y mediana

empresa.

Vida útil: 10 años aproximadamente

Garantía: 1 año

Uso de Materiales de proveedores locales preferiblemente.

Facilitar la Fabricación de piezas para la demanda esperada por la empresa.

Esta lista de requerimientos es importante en cualquier proyecto de diseño para que la

persona encargada del diseño pueda poner en marcha su creatividad sin desviarse del

objetivo final y al mismo tiempo servir de guía.

La lista original de requerimientos se presenta al final de este documento como ANEXO A.

9

CAPÍTULO 2. PROYECCIÓN DEL DISEÑO

2.1 Descripción y definición de la función total de la máquina.

Para tener un objetivo claro que se debe lograr con el diseño, es necesario aclarar y definir

la función que debe cumplir la máquina.

La Función Total de la máquina debe ser: Abrir, Llenar, sellar y despachar bolsas

prefabricadas Tipo Doy Pack.

La forma en que esto debe ser hecho depende de los requerimientos entregados por la

empresa Empakando S.A. de C.V. y de las decisiones que se tomen en las evaluaciones

técnicas y económicas.

2.2 Descomposición de la función total en funciones parciales

Para poder cumplir el objetivo, es necesario dividir la función total de la máquina en

funciones parciales. Cada función parcial debe analizarse por separado, para buscar

soluciones y alternativas. Una vez se ha determinado que solución se le dará a la solución

parcial, debe integrarse con las demás funciones en una sola máquina. A continuación se

presentan las funciones parciales de las que parte el diseño.

2.2.1 Función Abrir bolsa

Las bolsas prefabricadas vienen en paquetes. Las bolsas vienen cerradas, completamente

planas y con una abertura superior para poder llenarlas y sellarlas después. El primer paso

para poder llenar el empaque es abrirlo, de tal manera que pueda mantener su forma y

posición firme, para que sea manipulable en el proceso de llenado y sellado.

La apertura de la bolsa puede ser:

Manual: el operario abre la bolsa con sus manos, hasta lograr que la bolsa tome la

forma y posición necesarias para manipularla.

Semiautomática: El operario toma la bolsa y opera un dispositivo que abra la bolsa.

10

Automática: Los paquetes de bolsas se colocan en un mecanismo que abre las

bolsas de manera automática.

Según los requerimientos de la máquina, la apertura debe ser semiautomática, utilizando

aire comprimido. En este caso, el operador debe tomar la bolsa y presentarla en un

dispositivo que inyecte aire dentro del empaque, de tal manera que lo infle hasta darle la

forma y posición correcta. Debe tomarse en cuenta que el aire debe ser tratado

especialmente, ya que estará en contacto directo con la parte del empaque que está en

contacto con el producto.

2.2.2 Función Presentar bolsa en la máquina.

Cuando la bolsa se encuentre abierta, debe presentarse en el mecanismo que guiará a la

bolsa en las demás etapas del proceso. En este caso, el operario será el encargado de

colocar la bolsa abierta en la máquina, haciendo esta función totalmente manual y

dependiente del operario.

2.2.3 Función Llenar bolsa.

Llenado.

El objetivo de la función de llenado de la máquina, es la de dosificar el producto a

empacar, con un sistema q sea repetible, manteniendo márgenes de error por repetición

aceptables (±1% de la cantidad programada en cada llenada).

Dosificar el producto consiste en medir la cantidad o porción de producto por ciclo de

llenado con un margen de error dentro de los límites aceptables.

Principio de Funcionamiento.

La empresa Empakando S.A. de C.V. utiliza el principio de llenado por pistón para fluidos

viscosos. Esta máquina dosifica el volumen de producto a llenar, como se explica a

continuación:

11

Una llenadora de pistón mide y entrega el producto en el empaque con la acción de un

pistón que se mueve dentro de un contenedor para medir el volumen de producto. En la

carrera de carga, el pistón con un sello tipo O-ring crea un vacío que succiona el producto

desde el dispositivo de alimentación (tolva, manguera, etc.) hacia el contenedor

volumétrico. En esta acción, la salida de producto hacia el empaque a llenar debe estar

bloqueada.

Figura 2.1. Carga de la llenadora de pistón

El pistón continúa en su carrera hasta que llega al final de carrera, que para el movimiento

del pistón cuando el volumen en el contenedor volumétrico es el deseado y comienza el

movimiento hacia adelante, descargando el producto.

Figura 2.2. Descarga de la llenadora de pistón

Válvulas check

Pistón

Cilindro Volumétrico

Finales de carrera

Pistón Neumático con regulación de velocidad

Sello tipo “O-ring”

Salida

12

La descarga continúa hasta que se acciona el final de carrera de descarga, que indica que

el ciclo de dosificación se ha completado. En el modo manual, cada ciclo de llenado debe

ser accionado por el operador. En modo automático, los ciclos se repiten de manera

continúa.

El esquema básico de la llenadora puede incluir diferentes elementos dependiendo del

rendimiento, precisión y tipo de producto que se manejara con la máquina.

Control del Flujo de producto.

Para controlar la carga y descarga del producto se cuenta básicamente con dos opciones:

Opción 1: Control de Flujo con válvulas check.

Las válvulas check sanitarias utilizadas en los actuales sistemas de llenado, son de tipo

“cartucho”. Estas válvulas check están diseñadas para ajustarse en los diámetros internos

de accesorios sanitarios (férulas, codos, T, etc. la mayoría tipo clamp) por lo que no es

necesario que posean un cuerpo externo a la válvula que las contenga. Están hechas de

material acorde a las normas sanitarias (FDA, 3-A y otras normas europeas). Son

compactas y desmontables fácilmente, facilitando su limpieza y reemplazo.

Figura 2.3. Características Válvula check

Por su construcción, el área efectiva de paso se ve reducida drásticamente, por lo que la

pérdida de presión del flujo y el rango de productos a manejar se ven afectadas. No son

aptas para manejar productos con partículas en suspensión de tamaño considerable, ya

que pueden obstruirse.

13

Opción 2: Control de flujo con válvula de bola 3/2 y actuador neumático.

Esta es una válvula de bola con 3 puertos y 2 vías manejada con un actuador neumático,

que funciona en coordinación con el cilindro neumático. Con este tipo de válvulas, el área

efectiva de paso, para una misma medida de tubería; es mayor que en una válvula check.

Esto permite reducir la pérdida de presión del flujo y manejar un mayor rango de

productos, con partículas en suspensión y viscosidad más grande.

Figura 2.4. Válvula de bola 3/2 con actuador

La aplicación de cada una de las opciones dependerá de varios factores: características del

producto a dosificar (si tiene o no partículas en suspensión, viscosidad, etc.), rendimiento

y precisión deseada por el cliente, precio, entre otros.

Tabla 2.1. Cuadro Comparativo de Válvulas

Válvula Check Válvula de bola 3/2 con actuador

neumático

Ventajas Desventajas Ventajas Desventajas

Liviana y compacta,

no necesita cuerpo

que la contenga.

Área efectiva de

paso de producto

reducida en 50% del

diámetro nominal,

no maneja

productos con

partículas en

suspensión.

Área efectiva de

paso mayor, maneja

productos con

partículas en

suspensión.

El volumen y peso

son mayores en

relación a la válvula

check.

Fácil de desmontar y Funciona en base a Se necesita solo una Limpieza es más

14

limpiar un resorte, posible

fatiga

pieza para controlar

el flujo

complicada.

Costo más bajo en

relación a válvulas

de bola

Se necesitan dos

unidades para

controlar el flujo

El control es

neumático, en

coordinación con los

demás elementos

neumáticos.

Mayor pérdida de

presión.

Menor pérdida de

presión.

Funciona

dependiendo de la

presión para su

apertura.

Mayor costo que las

válvulas check

Control de la dosificación de producto.

Como se explica en el principio de funcionamiento, el mecanismo dosifica el producto por

volumen. Por lo tanto, diferentes volúmenes requeridos necesitan diferentes carreras del

pistón. Para controlar la carrera del pistón de cuentan con dos opciones:

Opción 1: Control mediante finales de carrera neumáticos.

Dos finales de carrea neumáticos detectan la posición del pistón neumático. La carrera se

regula moviendo el final de carrera de atrás, dejando fijo el de adelante. Este final de

carrera se regula mediante una manivela que mueve el final de carrera hasta la posición

necesaria para llenar el volumen deseado, de manera fácil y rápida. Este tipo de control,

permite que la única fuente de energía para el sistema de llenado sea el aire comprimido,

y se evitan elementos de control electrónico.

15

Figura 2.5. Control con finales de carrera neumáticos

Opción 2: Control mediante read switches

La carrera también se puede controlar con sensores que detecten el pistón dentro del

cilindro neumático. En este caso, el sensor debe ajustarse directamente sobre el cilindro

neumático. El sistema se vuelve más compacto, al no necesitar finales de carrera ni

elementos que lo accionen. Estos sensores deben protegerse a la suciedad y evitar ser

manipulados innecesariamente ya que su ajuste es delicado.

Figura 2.6. Control con sensores de posición “reed switch”

Final de carrera móvil

Manivela

Sensores de posición

16

Tabla 2.2. Cuadro Comparativo de Control de dosificación

Finales de carrera neumáticos Sensores de posición

Ventajas Desventajas Ventajas Desventajas

Fácil de ajustar Necesita mecanismo

adicional para

accionarlos,

haciendo el sistema

más grande

Área efectiva de

paso mayor, maneja

productos con

partículas en

suspensión.

El volumen y peso

son mayores en

relación a la válvula

check.

Se necesita solo aire

comprimido como

fuente de energía

Funciona en base a

un resorte, posible

fatiga.

Se necesita solo una

pieza para controlar

el flujo

Limpieza es más

complicada.

Posee buena fijación

al sistema, difícil

que se desajuste en

la operación.

Requiere de

limpieza para evitar

su deterioro

El control es

neumático, en

coordinación con los

demás elementos

neumáticos.

Boquilla de Llenado.

La boquilla de llenado, es la encargada de depositar el producto en el empaque a llenar.

Ciertos productos debido a su viscosidad, pueden gotear de la boquilla después de que la

dosificación ha terminado. Este goteo genera que el empaque y la máquina se ensucien

constantemente.

Para evitar este goteo, se usa una boquilla antigoteo de cierre positivo. Este tipo de

boquillas, evita el goteo tapando la salida con un dispositivo mecánico (pistón interno,

externo, sello, etc. Debido a que la máquina debe ser capaz de manejar varios tipos de

producto, la boquilla antigoteo es necesaria en el diseño. La empresa Empakando posee

varios modelos de boquilla antigoteo, la máquina debe ser capaz de manejar estos

diferentes modelos tipos de boquillas.

17

Figura 2.7. Llenado con boquilla antigoteo

2.2.4 Función Sellar bolsa.

Una vez que el empaque está lleno, debe sellarse de acuerdo al material del que está

hecho. El sellado básicamente consiste en dos piezas o mordazas que generan calor en el

empaque y lo derriten, fundiendo las dos capas de empaque.

Figura 2.8. Sellado de bolsas

Dependiendo del material existen dos tipos principales de sellado que se adecúan a las

bolsas prefabricadas:

Sellado por Impulso: La característica principal de este tipo de sellado es que la

resistencia eléctrica que genera el calor para sellar, solo se enciende al accionar la

selladora en el momento del sellado. No necesita precalentamiento y el ancho del

sello es limitado. El tiempo de aplicación del calor es regulado por un timer,

18

permitiendo sellar diferentes calibres de bolsa. Son de gran utilidad para el sellado

de bolsas de Polyetileno, Polypropileno y casi cualquier material termosellable.

Sellado por calor permanente: En este sellado, las mordazas que hacen el sello en

el empaque deben permanecer a una temperatura constante, por lo que las

resistencias eléctricas están encendidas gran parte del tiempo. El calibre de la

bolsa determina la temperatura de sellado. Es ideal para materiales como

Polipropileno, laminadas de aluminio y bolsas de grueso calibre.

Las bolsas tipo doypack están diseñadas de tal manera que puedan permanecer paradas.

Por ello, la mayoría de estos empaques están hechos de materiales laminados en aluminio

o plásticos de grueso calibre, que posean firmeza. Por ello, es que se diseñará el sellado

por calor permanente, ya que es el que posee mayor aplicación para la función que debe

cumplir.

2.2.5 Función Despachar bolsa.

Cuando la bolsa ya ha sido sellada, está lista para salir de la máquina. Esto se puede hacer

de diferentes maneras:

Manual: El operario retira la bolsa de la máquina con sus manos.

Automáticamente sin mecanismo: Diseñar la máquina de tal manera que la bolsa

se despache por el mismo movimiento de la máquina (caída libre en un tobogán,

caída en un recipiente al final de la banda de llenado, etc.). Es decir, que por la

misma geometría de la máquina la bolsa sea despachada.

Automáticamente con mecanismo despachador: Diseñar un mecanismo

independiente que tome la bolsa de la máquina y la despache hacia otro lugar.

Está función debe ser evaluada económica y técnicamente, para elegir cuál es la que más

conveniente para nuestra aplicación, requerimientos y objetivos.

19

2.2.6 Función Indexar.

Una de las tareas fundamentales que debe realizar la máquina es la de arrancar y parar en

cada estación durante el tiempo necesario para que se realice la tarea, A esto se le

llamará Indexación. La indexación puede ser lineal (mediante una banda o carrusel) o

rotativa y se define como el proceso de arrancar y parar en intervalos precisos en lugares

precisos.

El objetivo en esta función debe ser encontrar el mecanismo que realice el proceso de

indexación. La elección de dicho mecanismo es abierta, es decir, no se limitará a buscar

partes que ejecuten la función directamente sino que puede constar de diseños de nuevos

mecanismo o ensamble que realicen la función.

Investigando el concepto, funcionamiento, aplicaciones, características técnicas, etc. de

diferentes mecanismos se han considerado los siguientes:

A. Mesa de Indexación con Mecanismo de leva-seguidor

B. Motor eléctrico controlado con variador de frecuencia

C. Moto-reductor con freno mecánico

Durante este apartado se describirá cada uno detalladamente, destacando características

técnicas y económicas que sirvan de guía para comparar, evaluar y elegir la más adecuada

para el diseño.

A. Mesa de Indexación con Mecanismo de leva-seguidor

Son unidades mecánicas con ejes de entrada y salida de potencia, que transforman la

rotación uniforme del eje de entrada en un movimiento de indexación rotacional en un

sentido, generalmente un plato circular, utilizando para ello un sistema de leva-seguidor.

Las mesas indexadoras se diseñan siguiendo los principios y parámetros de levas. Estos

mecanismos de indexación son uno de los mecanismos más utilizados para controlar

maquinaria de arranque y paro, ya que ofrecen velocidad, precisión, capacidad de

20

repetición, capacidad de manejo de cargas adecuadas para este tipo de aplicaciones. El

control del movimiento de los indexadores al igual que todos los mecanismos de leva

seguidor se divide en tres: aceleración, velocidad máxima y desaceleración. Los

indexadores utilizan la curva seno modificada gracias a que la transición entre la

aceleración máxima y la desaceleración es relativamente suave.

Figura 2.9. Mesa Indexadora y partes principales

Los mecanismos de leva seguidor son uno de los mecanismos más confiables de la

industria, ya que ofrecen una gran precisión sin importar la velocidad ni las repeticiones a

las que son utilizadas. Un claro ejemplo de esto son las válvulas de los motores de

combustión interna que son controladas mediante un eje de levas que gira a altas

revoluciones por minuto.

Existen diversos tipos de mecanismos leva-seguidor que se utilizan en las mesas

indexadoras. Los seguidores utilizados en los mecanismos de indexación son de tipo

rodillo para reducir el desgaste y las perdidas por fricción. En cuanto a las levas pueden

ser, según el tipo de modelo, globoidales, cilíndricas o de barril y de tipo plato.

Eje de entrada Leva

Seguidores

21

Globoidales

En el caso de las globoidales, los seguidores se instalan en dirección radial al eje de salida,

como lo hacen los dientes de un engrane recto. El eje de entrada es perpendicular al eje

de salida. En esta configuración, el diámetro de la leva es grande en comparación con el

diámetro de la rueda acoplada al eje de salida, esto permite obtener períodos de

indexación cortos y amplio movimiento rotacional de salida con relativamente poco

movimiento rotacional de entrada.

Figura 2.10. Mecanismo Globoidal

Cilíndricas o de barril.

En los mecanismos cilíndricos o de barril los seguidores van paralelos al eje de salida.

Similar a la globoidal, los ejes de entrada y salida son perpendiculares. Por su diseño, son

compactas y permiten ajustes precisos.

Figura 2.11. Mecanismo Cilíndrico o de barril

22

Tipo plato

En las levas tipo plato los seguidores se montan paralelos al eje de salida, con la diferencia

q es de tipo tornillo sin fin. Este tipo de indexadoras poseen características únicas, como

son la no reversibilidad de los seguidores, alta velocidad de indexación, robustez y

capacidad de movimientos especiales.

Figura 2.12. Mecanismo tipo plato

Esta opción consistiría en elegir una mesa indexadora que cumpla los requisitos de

nuestra aplicación.

B. Motoreductor con Variador de Frecuencia y sensor de posición

Otra opción para lograr la indexación del movimiento rotacional de la máquina, es

controlar la rotación de un motoreductor con un variador de frecuencia y un sensor que

detecte la posición a la que debe parar. El motoreductor es un motor eléctrico acoplado a

una caja de reducción. El sensor detectará la posición a la que el motor debe parar y

esperar a que se cumpla la tarea. El variador de frecuencia controla parámetros del motor

eléctrico como arranque-paro del motor, rpm, freno, aceleración, etc.

Debido a que no es mecanismo diseñado directamente para esta función, su precisión y

repetitividad dependerá de ajustes mecánicos (ensamble, montaje, posición del sensor,

etc.) y ajustes de control (parámetros del variador de frecuencia, programación, tipo de

sensor). También debe tomarse en cuenta el tipo de caja reductora que se va a elegir, para

que soporte las cargas y requisitos de diseño.

23

Figura 2.13. Motoreductor

C. Motor eléctrico con Variador de Frecuencia y sensor de posición

Otra posibilidad es cambiar el motoreductor por un motor eléctrico, sin la caja de

reducción. Esta opción trabajaría directamente con las rpm de un motor eléctrico estándar

(1725 rpm) hasta unas revoluciones que permitan la indexación de manera apropiada.

Esto de lograría con el variador de frecuencia y el sensor de posición. El funcionamiento

del motor a bajas rpm, el torque, la inercia y freno son limitantes en esta opción. El bajo

costo sería el principal atractivo. Para elegir o desechar esta opción debe evaluarse técnica

y económicamente.

Los parámetros de indexación que deben cumplir cualquiera de las opciones antes

descritas son muchos. Los principales son:

- Tiempo de movimiento (Tiempo entre arranque y paro)

- Espacio entre estaciones o paradas del mecanismo en grados

- Tiempo de Paro en estación

- Torque demandado por la aplicación

- Velocidad y aceleración del movimiento

- Repetitividad

- Precisión requerida

- Costo

24

- Soporte de carga mecánicas

- Ciclo de vida del mecanismo

- Mantenimiento

Estos parámetros, junto a otros más específicos serán evaluados en el siguiente capítulo a

profundidad, para decidir cual opción pasará a la etapa de diseño detallado.

2.3 Combinación de soluciones para cumplir la función total.

Una vez determinadas las funciones que la máquina debe cumplir, se deben estudiar las

combinaciones de soluciones que cumplan con la función total. Como se ha explicado

anteriormente en el capítulo, hay funciones que poseen varias opciones, y otras que están

ya determinadas por los requerimientos la máquina.

A continuación se presentan las combinaciones posibles en las diferentes funciones:

Función Abrir bolsa:

a) Apertura mediante descarga de aire comprimido en el empaque (esta es la única

opción debido a los requerimientos).

Función presentar bolsa:

a) Manual, el operario presentará la bolsa en la máquina (esta es la única opción

debido a los requerimientos)

Función llenar bolsa:

a) Sistema de Dosificación LP-3 con válvula de bola 3 vías, actuador neumático y

control con sensores de posición (read switch) y boquilla antigoteo.

b) Sistema de Dosificación LP-3 con válvula check y control con sensores de posición

(read switch) y boquilla antigoteo.

25

Función sellar bolsa:

a) Sellado por calor permanente automático (Se ha determinado por el tipo de

material del empaque que se quiere llenar)

Función despachar bolsa:

a) Manual.

b) Automáticamente sin mecanismo adicional.

c) Automáticamente con mecanismo auxiliar.

Función Indexar:

a) Mesa Indexadora con sistema leva-seguidor.

b) Motoreductor con variador de frecuencia y sensor para controlar las posiciones.

c) Motor eléctrico con variado de frecuencia y sensor para controlar las posiciones.

Con la evaluación técnica y económica que se detalla en el siguiente capítulo, se

determinará la combinación que se detallara en el diseño de la máquina.

2.4 Variantes de diseño de la función total.

Una vez seleccionada la combinación de soluciones, se debe elegir la variante o modelo a

diseñar. Esto es, elegir la manera en que la combinación se integrará en una sola máquina.

a) Máquina Indexadora Rotativa.

El concepto de este modelo, es que la indexación se aplique en un movimiento rotacional.

Las funciones deben integrarse a este tipo de movimiento. El diseño de mecanismos,

soporte y estructuras deben hacerse pensando en que el producto final sea una máquina

que cumpla la función total de manera adecuada.

En este caso, el movimiento de rotación del mecanismo indexador controlaría

directamente el plato que viajaría de estación en estación. Cada estación cumpliría una

función parcial.

26

Figura 2.14 Máquina Indexadora Rotativa

a) Máquina Indexadora Lineal.

Otra variante de la máquina es que la indexación sea lineal. El mecanismo indexador se

acoplaría a una banda o mecanismo que convierta el movimiento de rotación en

movimiento lineal. Las estaciones se dispondrían a lo largo de esta banda.

Figura 2.15 Máquina Indexadora Lineal

27

CAPÍTULO 3: ELECCIÓN DE LA VARIANTE DE DISEÑO A DESARROLLAR

Cuando se tienen varias opciones de diseño o mecanismos que puedan realizar una misma

función, se debe realizar un análisis comparativo de las diferentes opciones disponibles.

Uno de los métodos más comunes es la de la Matriz de Decisión [Norton, 1999: p.55].

En este capítulo se explica y desarrolla de manera detallada la metodología de evaluación

de las Matrices de Decisión que se utilizaron para la elección de soluciones entre las

distintas variantes de mecanismos para realizar las tareas más importantes.

Para cada una de las variantes se realizó una Matriz para la evaluación técnica y

económica, las cuales como se explicarán más adelante. Se les asignó una ponderación

para determinar cual tiene más peso a la hora de escoger. Una vez identificados las

variantes, se decidieron los criterios a evaluar en cada uno de los mecanismos.

Los criterios que se consideraron para desarrollar estos cuadros se decidieron a partir del

criterio de los diseñadores basándose en características técnicas y en la experiencia de la

empresa EMPAKANDO S.A de C.V.

3.1. Metodología

Para realizar cada tarea se tienen diferentes variantes. Para escoger la variante que mejor

cumpla con los requisitos de la máquina, se utilizó el método de la Matriz de Decisión.

Este método, es un método evaluativo que consiste en crear una tabla, donde se

muestran las diferentes variantes a evaluar y los diferentes criterios de evaluación.

Para este proyecto se utilizaron tablas, donde las variantes se presentaban en las

columnas y los criterios en las filas. Cada variante utiliza dos columnas, una para la Nota

Parcial Asignada y otra para el Puntaje Obtenido. Las filas muestran los distintos criterios

de evaluación, según lo que se esté evaluando.

El procedimiento para la construcción de las matrices y la toma de la decisión final fue el

siguiente:

28

Se hicieron dos tablas para cada tarea a analizar, la Económica y la Técnica. Como

su nombre lo dice, en la tabla Económica se evalúan las variantes con criterios

económicos y en la tabla Técnica se evalúan los criterios técnicos.

A cada uno de los criterios de evaluación se le asigno un Valor de Ponderación o

peso entre 1 y 10, de acuerdo al peso o importancia del criterio según la aplicación,

siendo 1 la menor importancia y 10 la mayor.

Estos valores de ponderación se asignaron según el criterio del diseñador para

completar las matrices (investigación, entrevistas, experiencias, etc.).

Se desarrolló otra tabla con las notas parciales que podrían recibir cada criterio.

Estas notas varían en un rango entre 0 y 5. Siendo 0 la menor nota y 5 la mayor

nota.

En la tabla 3.1 Notas Parciales, se muestran las notas y sus significados.

Tabla 3.1. Notas Parciales

0 No se

recomienda

1 Malo

2 Regular

3 bueno

4 Muy bueno

5 Excelente

Al tener definidos los valores antes descritos, se suman los valores de ponderación

de cada uno de los criterios y se multiplican por la nota parcial más alta, en este

caso 5. El producto de estos valores es el Puntaje Máximo que puede alcanzar

cada variante.

Para obtener el Puntaje Obtenido de cada una de las variantes, se multiplica el

valor ponderado con la Nota Parcial Asignada a ese criterio.

29

El Puntaje Total de Variante (PTV) es la suma de los puntajes obtenidos.

Luego, se obtiene un cociente entre el PTV de cada variante y el Puntaje Máximo y

se multiplica por 10. Este valor será la nota de cada variante. Dependiendo de la

tabla esta nota será una nota técnica ó una nota económica.

Se le asignó un porcentaje de relevancia a cada uno de los aspectos. El Aspecto

técnico aporta un 40% de la nota final y el aspecto económico aporta un 60%.

La nota final de cada variante es calculada realizando la suma ponderada de las

notas técnicas y económicas de las variantes.

Una vez evaluados las variantes para cada tarea, se realizó una matriz global de

función total que muestra las diferentes opciones de máquinas que se pueden

desarrollar.

Siguiendo el mismo método de evaluación, se escoge el tipo de máquina a

desarrollar, la cual incluye las variantes mejor ponderadas.

3.2. Valoración Técnica de las Variantes.

En el capítulo anterior se definieron y se explicaron de manera detallada cada una de las

tareas que debe realizar la máquina. Para cada tarea, de acuerdo a su función y a la lista

de requerimientos, se tomaron en cuenta varias opciones o variantes de mecanismos o

componentes. Para poder seleccionar las variantes a utilizar en el diseño, se procedió a

desarrollar las matrices de decisión para cada función.

Las variantes de mecanismos o componentes que se evaluaron mediante el método de la

matriz de decisión fueron las de las tareas de Indexación (ver tabla 3.2 Función Indexar

Técnicos), Llenado (ver tabla 3.3. Función Llenado Técnica) y Despacho de Bolsas (ver

tabla 3.4. Función Despacho de Bolsas Técnica). La función Apertura de Bolsa y Sellado no

necesitaban evaluarse de esta manera.

30

3.2.1. Función Indexar

La función indexar es una de las funciones más importantes de la máquina, ya que es la

encargada del control del movimiento del plato. Debe ser capaz de arrancar y detenerse

de forma precisa y repetida. Para realizar este trabajo se consideraron tres opciones de

mecanismos: una mesa indexadora, motor AC trifásico con variador de frecuencia y un

motoreductor con variador de frecuencia.

Los criterios técnicos a evaluar se muestran en la tabla 3.2. En la misma tabla se muestran

los valores de ponderación, las notas parciales y las notas ponderadas de cada criterio.

Además muestra el puntaje máximo que puede obtener y los resultados de la evaluación

para cada variante.

3.2.2. Función Llenar

La función llenar es la encargada de la dosificación del producto y su depósito final dentro

del empaque. Esta es una tarea fundamental, ya que debe ser capaz de trabajar con

diferentes tipos de productos a diferentes temperaturas. Algunas de los requerimientos

que debe cumplir el mecanismo son las de disminuir las pérdidas de producto por

derrame, debe ser fácil de limpiar, tener una buena precisión de llenado, de fácil montaje

y desmontaje, etc. Los mecanismos que se evaluaron para esta son de Pistón con válvula

de 3 vías y boquilla anti-goteo y Pistón con válvula anti-retorno y boquilla anti-goteo.

La lista completa de criterios se muestra en la tabla 3.3 Función Llenado Técnica, en la cual

muestran también la ponderación de cada criterio con sus notas parciales y ponderadas,

el puntaje máximo que pueden lograr y sus respectivos puntajes totales.

3.2.3. Función Despacho de Bolsas

Para esta función se evaluaron tres posibilidades para poder retirar las bolsas terminadas

(llenas y selladas) de la máquina. Las opciones que se consideraron fueron: Manual, el

operario es el responsable de retirar las bolsas que vayan saliendo, Automático sin

31

mecanismo y Automático con mecanismo, utilizar un mecanismo de despacho que las

saque de la máquina.

Algunos de los criterios que se utilizaron para evaluar estas funciones son la confiabilidad,

vida útil, rendimiento, montaje e instalación y fabricación y ensamblaje de piezas

adicionales. La lista completa de criterios con sus ponderaciones y puntajes finales se

muestra en la tabla 3.4 Función Despacho de Bolsas Técnica.

32

Tabla 3.2. Matriz de Decisión Función Indexar Técnica

Criterio Valor de

Ponderación

Mesa Indexadora Motor con Variador de

frecuencia Motoreductor con freno mecánico

y variador de frecuencia

Nota Parcial Asignada

Puntaje Obtenido


Puntaje Obtenido


Puntaje Obtenido

Técn

ico

s

Dimensiones 8 3 24 5 40 4 32

Peso 8 2 16 4 32 3 24

Facilidad de conexión a la red eléctrica 5 2 10 2 10 2 10

Precisión 8 5 40 1 8 3 24

Confiabilidad 8 4 32 2 16 3 24

Vida útil 8 4 32 1 8 3 24

Mantenimiento 6 3 18 4 24 4 24

Rendimiento de producción 8 5 40 1 8 4 32

Montaje e instalación 5 5 25 1 5 3 15

Fabricación y ensamblaje de piezas adicionales 7 4 28 1 7 3 21 Grado de protección al ambiente (humedad, polvo, agua, derrames, etc.) 9 4 36 4 36 4 36

Complejidad del Control de indexación 10 5 50 0 0 3 30

Puntaje Máximo: 450 PTV: 351 PTV: 194 PTV: 296

Nota Técnica: 7.8 Nota Técnica: 4.31 Nota Técnica: 6.58

33

Tabla 3.3. Matriz de Decisión Función Llenado Técnica

Criterio Valor de

Ponderación

Por pistón con válvula 3/2 y boquilla antigoteo

Por pistón con válvulas check y boquilla antigoteo

Nota Parcial Asignada Puntaje Obtenido


Técn

ico

s

Productos viscosos con partículas 10 4 40 1 10

Pérdidas 7 4 28 3 21

Limpieza 9 3 27 3 27

Precisión 7 4 28 3 21

Montaje y desmontaje 7 4 28 4 28

Vida útil 8 4 32 3 24

Consumo de energía 6 3 18 5 30

Control 7 3 21 5 35

Puntaje Máximo: 305 PTV: 222 PTV: 196

Nota Técnica: 7.28 Nota Técnica: 6.43

34

Criterio Valor de

Ponderación

Manual Automático sin mecanismo

(Despacho por la misma contrucción de la máquina)

Automático con mecanismo de despacho


Puntaje Obtenido



Técn

ico

s

Confiabilidad 8 3 24 4 32 5 40

Vida útil 8 4 32 5 40 4 32

Mantenimiento 6 5 30 5 30 4 24

Rendimiento 8 2 16 5 40 5 40

Montaje e instalación 5 5 25 4 20 3 15

Fabricación y ensamblaje de piezas adicionales 7 5 35 4 28 3 21

Control 10 5 50 5 50 3 30


Nota Técnica: 8.15 Nota Técnica: 9.23 Nota Técnica: 7.77

Tabla 3.4. Matriz de Decisión Función Despacho de Bolsas Técnica

35

3.3. Valoración Económica de las Variantes.

En la mayoría de proyectos de diseño, se tiene un límite de presupuesto y este proyecto

no es la excepción, por lo tanto, es muy importante encontrar un balance entre los

aspectos técnicos y económicos de cada una de las variantes.

Para la valoración económica de las variantes se utilizó la misma metodología de las

matrices de decisión que se utilizó para la valoración técnica. Las tareas que se evaluaron

fueron las de Indexación, Llenado y despacho de bolsas.

Los mecanismos que se evaluaron fueron los mismos de la sección anterior, sólo que esta

vez se evaluaron criterios económicos como costo de fabricación, costos de

mantenimiento, disponibilidad local, etc.

3.3.1. Función Indexar

Es muy importante analizar la función indexar desde un punto de vista económico, ya que

el costo de estos mecanismos puede llegar a representar un gran porcentaje del

presupuesto total de la máquina.

En la matriz de decisión de esta función se evaluaron criterios como costo, disponibilidad

local, disponibilidad de importación, costo de mantenimiento, etc.

Como se puede ver en la tabla 3.5. Matriz de Decisión Función Indexar Económica, los

criterios de costo y disponibilidad local son de los más importantes y de los más

influyentes. La disponibilidad local y disponibilidad de importación son muy importantes,

por los tiempos de entrega, ya sea para la fabricación de la máquina o por reposición por

garantía.

3.3.2. Función Llenado

En la tabla 3.6. Matriz de Decisión Función Llenado Económica, se presenta la matriz de

decisión de la función llenado, en la cual se analizan algunos criterios que ayudaran a

decidir cuál de las dos opciones es mejor desde el punto de vista económica.

36


En la tabla 3.7. Matriz de Decisión Función Despacho de Bolsas, muestra la tabla con los

criterios económicos evaluados y los resultados obtenidos para las diferentes opciones de

despacho de bolsas que se consideraron.

37

Tabla 3.5. Matriz de Decisión Función Indexar Económica

Criterio Valor de

Ponderación

Mesa Indexadora Motor con Variador de

frecuencia

Motoreductor con freno mecánico y variador de

frecuencia


Puntaje Obtenido


Puntaje Obtenido


Puntaje Obtenido

Eco

nó

mic

os

Costo 10 1 10 4 40 3 30

Disponibilidad local 10 0 0 4 40 3 30

Disponibilidad de importación 7 5 35 5 35 5 35

Costo de Mantenimiento 10 2 20 4 40 4 40

Costo de Operación 10 3 30 4 40 3 30

Costo de piezas adicionales para la completar la función 7 5 35 2 14 3 21


Nota Económica: 4.81



38

Criterio Valor de

Ponderación

Por pistón con válvula 3/2 y boquilla antigoteo

Por pistón con válvulas check y boquilla antigoteo



Eco

nó

mic

os Costo 9 2 18 3 27

Disponibilidad local 5 0 0 0 0

Disponibilidad de importación 9 4 36 3 27

Costo de Mantenimiento 9 3 27 3 27

Costo de Operación 9 4 36 5 45




Tabla 3.6. Matriz de Decisión Función Llenado Económica

39

Tabla 3.7. Matriz de Decisión Función Despacho de Bolsas

Criterio Ponderación del criterio

Manual Automático sin mecanismo

(Despacho por la misma contrucción de la máquina)

Automático con mecanismo de despacho

Nota Parcial Nota Ponderada Nota Parcial Nota Ponderada Nota Parcial Nota Ponderada

Eco

nó

mic

os Costo 10 5 50 4 40 2 20

Costo de Mantenimiento 5 5 25 5 25 4 20

Costo de Operación 10 5 50 5 50 4 40

Costo de piezas adicionales para la completar la función 7 5 35 4 28 2 14





40

3.4. Valoración Global de las Variantes

Una vez se han completado las matrices de decisión, tanto técnica como económica, se

pueden evaluar juntas para poder decidir o determinar cuál es la opción más conveniente.

Como se ha mencionado anteriormente, para tomar la decisión final, se asignó un

porcentaje a cada tipo de criterio (Técnico 40% y Económico 60%) y se hizo la suma

ponderada de la nota con el porcentaje y se compararon los valores. La variante con

mayor Nota Final es la elección final.

3.4.1 Función Indexar

Al revisar las tablas 3.2. Matriz de Decisión Función Indexar Técnica y 3.5. Matriz de

Decisión Función Indexar Económica se puede observar las notas técnicas y económicas

que obtuvo cada una de las variantes. Siguiendo con el procedimiento descrito en la

sección 3.1. Metodología, se procedió a calcular la nota final de cada una de las variantes

para realizar esta tarea utilizando la siguiente ecuación:

Mesa Indexadora:

o Nota Técnica: 7.80

o Nota Económica: 4.81

o Nota Final: 5.99

Motor con Variador de Frecuencia:



o Nota Final: 6.36

Motoreductor con Variador de Frecuencia:



o Nota Final: 6.76

41

Al analizar los resultados de las notas finales, se determinó que a pesar de que las nota

estaban muy cerca una de la otra, la variante a seleccionar para realizar la función Indexar

sería el motoreductor con variador de frecuencia. Se escogió este mecanismo, ya que no

solo presenta la mayor nota global, si no que presenta un equilibrio entre los aspectos

técnicos y económicos.

3.4.2. Función Llenado

Al igual que con la función indexar, para escoger la variante que realizará la tarea de

llenado, se revisaron las notas técnicas y económicas de las tablas 3.3. Matriz de Decisión

Función Llenado Técnica y la 3.6. Matriz de Decisión Función Llenado Económica y se

calculó la nota final. La nota final se calculó utilizando la ecuación 3.1.

Pistón con válvula 3/2 y boquilla Antigoteo:


o Nota económica: 5.71

o Nota Final: 6.34

Pistón con válvula check y boquilla Antigoteo:



o Nota Final: 6.26

Para cumplir con esta tarea se escogió la variante de Pistón con válvula 3/2 y boquilla

antigoteo, ya que obtuvo la nota final más alta de las dos variantes.


Los datos para calcular la nota final de las variantes de la función despacho de bolsas de

obtuvieron de las tablas 3.4. Matriz de Decisión Función Despacho de Bolsas Técnica y 3.7.

Matriz de Decisión Función Despacho de Bolsas Económica. Para esta función se tenían

tres variantes, Manual, Automático sin Mecanismo y Automático con Mecanismo. La nota

final, al igual que las dos anteriores, se calculó utilizando la ecuación 3.1.

42

Manual:



o Nota Final: 9.26

Automático sin Mecanismo:



o Nota Final: 9.05

Automático con Mecanismo:



o Nota Final: 6.63

Al igual que en los otros dos casos, se eligió la variante con la mayor nota final, en este

caso el despacho Manual.

3.5. Selección de la Variante de Máquina a Desarrollar y Justificación

Una vez seleccionadas las variantes que se utilizarían para realizar cada una de las

funciones analizadas, se procedió a definir el tipo de máquina a desarrollar. Para esta

sección se consideraron dos tipos de máquinas: Indexadora Rotativa e Indexadora Lineal.

El método utilizado para la selección de esta variante es el mismo que se utilizó para elegir

la variante para cada una de las tareas, es decir el método de la Matriz de Decisión.

3.5.1. Indexadora Rotativa

Cuando se habla de una esa Indexadora Rotativa, se refiere a que el movimiento que

realizará para la mover la bolsa de una estación a otra, será el de rotación y utilizará un

plato circular para transportar las bolsas. Este plato, rotará una cantidad de grados,

definidos por el número de bolsas que manejará, cada vez que se active. En otras

palabras, si es el plato tiene capacidad para 6 bolsas, rotará 60 grados antes de detenerse,

si tiene capacidad para 8 bolsas, rotará 45 y así sucesivamente.

43

El diseño de este máquina, tendrá que ser capaz poder acoplar todos los mecanismos

necesarios para la apertura de las bolsas mediante utilizando aire comprimido, llenado de

las bolsas mediante un sistema de dosificación de pistón con válvula 3/2 y boquilla anti-

goteo y sellarlas. En este diseño, el operario sería el encargado de retirar las bolsas una

vez hayan terminado su ciclo.

3.5.2. Indexadora Lineal

La otra opción de máquina a evaluar es una máquina tipo Indexadora Lineal. Al igual que

la indexadora rotativa, esta tiene que ser capaz de adaptar las variantes seleccionadas en

las secciones anteriores.

Al igual que el otro tipo de máquina, el diseño de ésta, tiene que ser capaz de incluir un

sistema de apertura de bolsas mediante aire comprimido, acoplarse a un motoreductor, el

cual a moverá un sistema de banda transportadora o carrusel transportador para trasladar

las bolsas de una estación a otra e incluir el sistema de dosificación seleccionado.

En este caso, el operario no tendría que hacerse responsable de la descarga de las bolsas,

ya que estas caerían por su propia cuenta, al final de la última estación, dentro de una

canasta receptora.

3.5.3. Evaluación y Selección del Modelo

Para la evaluación de este tipo de máquina se generaron dos matrices de decisión, una

técnica y otra económica. En cada una de estas tablas, al igual que en las tablas anteriores,

se evaluaron una serie de criterios seleccionados por los diseñadores. Las tablas 3.8.

Matriz de Decisión Función Total Técnica y la tabla 3.9. Matriz de Decisión Económica

muestran los distintos criterios que se utilizaron para evaluar los dos tipos de máquinas.

Una vez generadas la tabla, se realizó el mismo procedimiento detallado en la sección de

metodología, donde se ponderaron los criterios para obtener el Puntaje Máximo, el

Puntaje Total de la variante o PTV y las notas técnicas y económicas de cada variante. Para

la nota final de utilizó la ecuación 3.1.

44

Luego de revisar las tablas, se obtuvo lo siguiente:

Indexación Rotativa:



o Nota Final: 7.74

Indexación Lineal:



o Nota Final: 7.66

Con las notas finales y un método de evaluación justificado, se concertó una reunión con

el supervisor del proyecto, el ing. Nick Bienz de Empakando S.A de C.V, para discutir el

método utilizado para la elección de las variantes y del tipo de máquina a desarrollar.

En esa reunión que se llevó a cabo el día 30 de abril del 2011 se aprobó el método

utilizado y se acordó, entre ambas partes, que el tipo de máquina a desarrollar sería la de

tipo indexadora rotativa.

45

Tabla 3.8. Matriz de Decisión Función Total Técnica

Criterio Valor de

Ponderación

Indexadora Rotativa Indexadora Lineal con banda

transportadora


Puntaje Obtenido


Puntaje Obtenido

Técn

ico

s

Dimensiones 6 5 30 3 18

Peso 5 4 20 3 15

Facilidad de movimiento y ajuste en planta 6 4 24 3 18

Capacidad de manejo de distintas presentaciones 7 5 35 5 35

Facilidad de ajuste para diferentes presentaciones 7 3 21 4 28

Accesibilidad a cambio y limpieza de piezas 7 3 21 4 28

Integración de piezas y sistemas ya existentes en Empakando S.A. de C.V.

8 4 32 5 40

Ergonomía 6 4 24 5 30

Facilidad de operación 7 4 28 5 35

Precisión 7 5 35 3 21

Confiabilidad 8 4 32 4 32

Vida útil 8 4 32 4 32

Mantenimiento 7 3 21 5 35

Rendimiento de producción 8 5 40 5 40

Montaje e instalación 5 4 20 5 25

Grado de protección al ambiente (humedad, polvo, agua, derrames, etc.) 8 4 32 3 24

Complejidad del Control 6 5 30 4 24


Nota Técnica: 8.22 Nota Técnica: 8.28

46

Criterio Valor de

Ponderación

Indexadora Rotativa Indexadora Lineal con banda transportadora


Puntaje Obtenido


Puntaje Obtenido

Eco

nó

mic

os

Costo de Fabricación 10 4 40 3 30

Disponibilidad local de materiales y piezas 7 3 21 3 21

Disponibilidad en el extranjero de materiales y piezas 6 5 30 5 30

Costo de Mantenimiento de la máquina 6 3 18 4 24

Costo de Operación 6 4 24 4 24

Tiempo de Fabricación 7 3 21 3 21

Competencia local 6 4 24 4 24




Tabla 3.9. Matriz de Decisión Función Total Económica

47

3.5.4. Justificación de la Selección

El modelo de máquina que pasa a la etapa de diseño final debe tener las siguientes

características:

Funciones:

Abrir Bolsa. La apertura de la bolsa será con un abridor cónico que inyectará aire a

la bolsa para poder abrirla y que sea apta para el llenado. Esté aire, por estar en

contacto directo con el empaque, debe ser totalmente sanitario.

Llenado con sistema de dosificación LP-3 con válvula 3 vías y actuador

neumático, boquilla antigoteo (sistema propiedad de Empakando S.A. de C.V.). El

llenado del empaque se hará con sistemas ya existentes en la empresa. En este

caso, el diseño consistirá en el acople y control de este sistema en la máquina. Se

buscará el fácil acceso, funcionalidad, integración a la máquina, fácil limpieza y

demás requerimientos. La válvula 3 vías y la boquilla antigoteo permiten un

manejo versátil y cómodo del producto, siendo la mejor opción.

Sellado con sistema de calor permanente. Se decidió adoptar este tipo de sellado

ya que es el más común para el tipo de empaque a llenar. Debe ser automático y

regulable.

Despacho de Bolsa Manual. El operario será el encargado de retirar la bolsa ya

llena y sellada de la máquina. Esta es la opción más adecuada según los

requerimientos.

Indexación con Motoreductor controlado con Variador de Frecuencia y sensor. Se

ha elegido esta opción al ser la más equilibrada, tanto en aspectos técnicos como

económicos. Los márgenes de precisión se encuentran dentro de los permitidos

para la aplicación sin ser demasiado caro.

48

Integración de las funciones (Función Total):

Máquina Indexadora Rotativa para abrir / llenar / sellar bolsas prefabricadas tipo

Doypack. De la evaluación técnica y económica, el modelo rotativo es el más

conveniente para nuestra aplicación. Cumple e integra de manera adecuada todas

las funciones y requerimientos. Además lo hace de manera económica, respetando

los límites dados por la empresa. Su construcción es relativamente más sencilla y

compacta que el sistema lineal.

Estas serán las soluciones guía para que la máquina cumpla los requerimientos necesarios,

por lo tanto las respuestas a que hará la máquina y como lo hará ya se tienen. El siguiente

paso es personalizar y detallar cada función e integrarla en un prototipo virtual.

49

CAPÍTULO 4. DESARROLLO DEL DISEÑO DEL MODELO DE MÁQUINA EMPACADORA

Como se mencionó al final del capítulo 3, se determinó que la variante de máquina a

diseñar o desarrollar, sería la tipo indexadora rotativa con funciones de apertura, llenado

y sellado de bolsas de empaque tipo doy pack.

Dentro del contenido de este capítulo, se explica detalladamente el proceso de diseño de

la variante seleccionada, donde se incluye el diseño preliminar y los cambios que se

fueron realizando a lo largo del proceso.

4.1. Elaboración del Modelo Virtual Preliminar

Para la elaboración del modelo virtual de la máquina empacadora, se utilizaron

herramientas de dibujo asistido por computadora o CAD por sus siglas en inglés. Las

herramientas que se utilizaron fueron: Autodesk Inventor, AutoCAD LT y AutoCAD

Mechanical.

Una vez seleccionadas las herramientas de dibujo, se acordó que la elaboración del diseño

virtual sería por sub-ensambles, para al final realizar un ensamble total de la máquina. Los

sub-ensambles que se diseñaron son: Pedestal, Mecanismo de Indexación, Mecanismo de

Dosificación y Llenado, Mecanismo de Sellado y Mecanismo de Apertura de Bolsas. Cada

uno de estos sub-ensambles esta o puede estar formado por una o más partes.

4.1.1. Materiales Utilizados

Para la fabricación de las partes que están o podrían estar en contacto directo con el

producto se eligieron materiales aprobados por al menos una norma alimenticia (FDA u

otra).

Los materiales seleccionados son:

Acero Inoxidable grado AISI 304.

Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (UHMW-PE, por sus siglas en inglés).

50

Acero Inoxidable AISI 304

El acero inoxidable es uno de los materiales más utilizados en la industria alimenticia. Esto

se debe a su composición química, la cual puede variar según el grado y tipo del acero,

que lo hace resistente a la corrosión y sus propiedades mecánicas, las cuales dependen de

la composición química, lo hacen resistente a los esfuerzos mecánicos y térmicos. Estas

propiedades lo hacen ideal para el manejo y manipulación de productos alimenticios y

farmacéuticos.

El Acero Inoxidable cumple con la Norma Framework Regulation no. 1935/2004/EC de la

Unión Europea, que define los requerimientos básicos que deben cumplir los materiales

pensados para el contacto directo con productos alimenticios. Esta norma sin embargo no

hace restricciones en cuanto a qué grado de acero inoxidable utilizar. La norma Americana

NSF/ANSI Standard 51-2007, que define a los aceros AISI 200, AISI 300 y/o AISI 400 con

porcentajes de cromo mayores al 16%, como adecuados para el contacto con alimentos.

Las leyes japonesas Food Sanitation Law No. 233 del 24 de diciembre de 1947 y la última

enmienda No. 24 del 26 de julio de 2005. Estas leyes, no hacen ninguna especificación

acerca de los Aceros Inoxidables [Commercial Food Equipment: The Ferritic Solution,

International Stainless Steel Forum (ISSF)].

Tabla 4.1. Composición Química de los Grados Estándar de Acero Inoxidable *“New 200-Series” steels: An

opportunity or a threat to the image of Stainless Steel, International Stainless Steel Forum (ISSF),

Noviembre 2005.]

51

Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular (UHMW-PE)

El Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular, es un polímero que está teniendo un auge de

crecimiento importante en la industria alimenticia.

Este material tiene una superficie de baja fricción, la cual permite un deslizamiento suave,

libre de materiales en polvo o cohesivos y también evita que se maltraten o rayen objetos

como botellas y otros empaques. Dado que aún no existen adhesivos que se le peguen, la

instalación de este material debe ser mecánica, lo que facilita su instalación y desmontaje.

Otras propiedades de este material que lo hacen muy competitivo son:

La resistencia al desgaste, que gracias a su estructura molecular lo hacen

resistente a los desgastes por fricción.

Resistencia al impacto.

Resistente a la corrosión y a químicos, no absorbe humedad, lo que lo hace ideal

para aplicaciones alimenticias.

Fácil de maquinar, la figura 4.2. Ejemplos de Piezas de UHMW-PE Maquinadas.

Figura 4.1. Ejemplos de Piezas de UHMW-PE Maquinadas

El UHMW-PE cumple con las regulaciones de la FDA para su utilización en procesos

alimenticios y farmacéuticos [Sin Autor, Sin Fecha, Folleto Comercial UHMW-PE-TIVAR ™,

Mar Industrial Distribuidora S.A. de C.V].

52

La Tabla 4.2. Propiedades Principales del UHMW-PE, muestra algunas de las propiedades

principales del UHMW-PE.

Tabla 4.2 Propiedades Principales del UHMW-PE [Fuente: Mar Industrial Distribuidora S.A. de C.V.,

Monterrey, N.L, México.]

4.1.2. Pedestal

El pedestal es una estructura metálica que tendrá la función de soportar el peso total de

todos los componentes de la máquina, además de ser capaz de acomodar cada uno de los

sub-ensambles.

Está diseñado para ser fabricado con tubo cuadrado de Acero Inoxidable grado AISI 304 de

1 ¼” x 1 ¼” y calibre 12. Como se mencionó en la sección anterior, el acero inoxidable esta

aprobado por las normas de la Unión Europea, Estados Unidos y Japón para la

construcción de equipos para la industria alimenticia.

Todos las partes del pedestal irán soldadas con soldadura TIG. El detalle de fabricación de

la estructura se muestra en el Anexo C. Planos de Detalle.

La figura 4.2 Pedestal, muestra el diseño virtual realizado en Autodesk Inventor 2011:

Student Version.

53

Figura 4.2. Pedestal

Las dimensiones finales del pedestal son 1000 x 1000 x 1000 (Alto x Ancho x Profundidad)

y se estima que se utilizarán alrededor de 24 metros de tubo cuadrado de acero

inoxidable.

Algunos de los datos importantes del pedestal son:

Masa aproximada: 100kg.

El centro de gravedad está ubicado en 639.3mm en el eje de las Z, -28.6mm en

el eje Y y -29.3mm en el eje X.

Estos datos se calcularon y determinaron con el mismo software en que se realizó el

diseño virtual.

La extensión de patas que salen del pedestal en la parte inferior izquierda, son para

soportar el sistema de dosificación y aumentar la estabilidad de la máquina al reducir el

efecto del momento de flexión generado por el peso del producto dentro de la tolva.

54

La extensión del marco en la parte superior izquierda sirve para soportar el peso de la

tolva llena y así aliviar el momento flector en la válvula 3/2 del sistema de dosificación.

En el Anexo B. Memoria de Cálculo, se presentan los resultados de las simulaciones

realizadas al pedestal para ver si la estructura aguanta el peso total de los componentes.

En esta simulación se muestra la ubicación del esfuerzo principal, el desplazamiento o

flecha y como resultado se obtiene el factor de seguridad. Estas simulaciones se realizaron

en el Software Autodesk Inventor 2011: Student Version.

4.1.3. Sistema de Indexación

El sistema de Indexación es el encargado de hacer girar el plato transportador y cumplir

con la función de paro y arranque de la máquina.

Este sistema está compuesto por un moto-reductor marca Sumitomo Hyponic, modelo

RNYM02-1430YC-80, el eje, la brida de acople entre el eje y el plato transportador, el plato

estacionario, las bases de las bolsas, las placas sensores que mandan la señal para detener

la máquina y la placa para acoplar el moto-reductor al pedestal. (Ver anexos C para planos

de detalle).

La figura 4.3. Sistema de Indexación, muestra el ensamble virtual del sistema de

indexación completo.

Figura 4.3. Sistema de Indexación

55

Figura 4.4. Sistema de Indexación

Moto-reductor

Como se menciono anteriormente, el moto-reductor seleccionado es uno marca

SUMITOMO HYPONIC modelo RNYM02-1430YC-80, el cual ofrece el torque de salida

necesario para vencer la inercia del plato transportador con todos sus anexos y las bolsas

llenas.

Los cálculos para el dimensionamiento del moto-reductor y el resultado de las pruebas se

presentan en el Anexo B. Memoria de Cálculo.

Con los cálculos de dimensionamiento, se calcularon las rpm necesarias para obtener un

rendimiento que cumpliese con los requerimientos propuestos por la empresa

Empakando S.A. de C.V. Se calculó el torque necesario de salida para mover el plato con

sus adaptes y con seis bolsas de 5lb. Con estos datos se obtuvo la potencia requerida del

motor en HP (caballos de fuerza).

Estos cálculos se realizaron siguiendo los pasos para el dimensionamiento de mecanismos

de indexación propuestos en la guía de ingeniería de CamCo, fabricante de mesas de

indexación.

56

Una vez obtenidos y revisados los resultados, se procedió a la elección del modelo con la

ayuda del catálogo de productos del fabricante.

La figura 4.4. Moto-reductor con Placa, muestra el modelo virtual del moto-reductor. Este

modelo es cortesía del fabricante.

Figura 4.5. Motoreductor con eje y placa

Los resultados obtenidos de los cálculos son:

RPM Necesarios para un rendimiento teórico mínimos de 10 bpm de 5lb: 21.88

Torque Necesario para vencer la Inercia del Plato Transportador cargado:

223.32 lb.-in.

Potencia del motor: 0.09 hp

Para elegir el Moto-reductor se realizaron los siguientes pasos:

Se tomó en cuenta todos los datos calculados y factores como :

Aplicación de paro y arranque continúo

Horas de operación estimadas por día (8)

Eje acoplado

Motoreductor

Placa de Montaje a Pedestal

57

20 Rpm o próximo mayor, y Torque necesario mínimo de 223.32 lb.-in.

Conexión a la red

Estándares de montaje (eje, flange, etc.)

Se seleccionó la clase AGMA, que por la aplicación debe ser clase III

De la tabla de rango de productos del fabricante, se selecciono potencia, rpm y

tamaño de flange correctos.

Se configuró el número de modelo correcto de la gama de productos del

fabricante.

Eje

El eje es la pieza encargada de transmitir el trabajo mecánico del moto-reductor al plato

transportador.

Se decidió que el eje sería fabricado a partir de una barra de acero sólida de 1 1/2”. Para

sus medidas finales se tomo en cuenta el flange 1430YC del motoreductor y los

requerimientos geométricos del montaje de la máquina. En la figura 4.5. Eje, se muestra el

modelo virtual del eje desarrollado en Autodesk Inventor.

Figura 4.6. Eje

Como se puede observar en la figura 4.5. Eje, el eje diseñado consta de 2 secciones. Cada

una diseñada para soportar los esfuerzos a los que está sometido y el ajuste necesario de

los elementos q ensamblar.

58

Plato Transportador

El plato transportador, como su nombre lo dice, es el encargado de transportar las bolsas

de estación en estación. El plato está diseñado para ser fabricado a partir de una

placa/lámina de Polietileno de Ultra Alta Densidad o UHMW-PE color blanco de ½”de

espesor.

La figura 4.7 muestra el diseño virtual del plato.

Figura 4.7. Plato Transportador

Como se puede observar, el plato transportador está diseñado para transportar 6 bolsas al

mismo tiempo. Las secciones rectangulares son los espacios reservados para colocar las

bolsas y se encuentran separados 60 grados entre ellos. Estas secciones rectangulares

pueden acomodar bolsas dentro de un rango de 8 a 3 pulgadas de ancho.

Bajo las secciones circulares, se colocarán las placas sensores que cerrarán el circuito con

un sensor inductivo para dar la señal de paro al moto-reductor.

Otra característica que se puede observar en el plato es que para su acople al sistema de

indexación se utilizaran 4 pernos y se utilizaran 24 pernos para sostener las 6 bases para

las bolsas.

59

Para más información sobre la ubicación de los agujeros para los pernos, los tipos de

pernos, las dimensiones de las secciones rectangulares, y el diámetro del plato, referirse al

plano de detalle correspondiente en el Anexo C. Planos de Detalle.

Brida de Acople entre el Eje y el Plato

Para acoplar el plato y el eje, se tuvo que diseñar un acople. Se decidió que el acople sería

tipo brida. Esta brida se diseño a partir de una barra de acero inoxidable de 6 in. de

diámetro y fabricada para soldarse al eje. El modo de sujeción de la brida y el plato

transportador será mediante cuatro pernos 3/8 UNC. La brida tendrá cuatro agujeros

mientras que el plato transportador tendrá cuatro agujeros pasados.

La figura 4.7. Brida de Acople Eje-Plato, muestra el diseño virtual de la brida de acople ya

soldada con el eje.

Figura 4.8. Acople entre eje y plato

Brida

EEEje

U Unión soldada

60

Bases para Bolsas

El diseño en “Z” de las bolsas permite darle más estabilidad a la bolsa durante el

movimiento. Esta placa está sujeta al plato transportador mediante cuatro pernos de ¼”

de diámetro. Debido a qué tanto los agujeros en el plato transportador y la base para las

bolsas son pasados, los pernos se sujetaron utilizando tuercas estándar para pernos de ¼”

y arandelas planas y de presión para el mismo perno.

Figura 4.9. Base para bolsas

Las bases para bolsas presentan un desnivel para darle más estabilidad a las bolsas

durante el movimiento.

Placa Sensores

Las placas sensores, son placas diseñadas a partir de lámina de acero inoxidable calibre de

3mm. Las placas sensores tienen la tarea de cerrar el circuito de control del paro del

moto-reductor cuando son detectadas por el sensor inductivo que está montado bajo la

tapadera de la mesa.

AfAgujeros para sujeción al plato

EsEspacio para ubicar las bolsas paradas

61

Estas placas se sujetan al plato transportador mediante un solo perno y están ubicadas en

cada uno de los extremos con bordes circulares del plato transportador.

Figura 4.10. Placas sensores

Para más información sobre el diseño de esta pieza, se puede consultar el plano de detalle

de la misma en el Anexo C. Planos de Detalle.

Placa Base Moto-reductor 1430-YC

El moto-reductor es una de las partes más importantes de la máquina, y para rendir al

máximo necesita que su instalación y acople a l plato sea lo más exacta posible. Debido a

la diferencia de dimensiones del moto-reductor, resultó imposible montarlo directamente

sobre el pedestal.

62

Otra dificultad que se presento con el moto-reductor es que el eje, no está ubicado en el

centro del mismo. Esto hizo que fuera necesario diseñar algún tipo de acople para poder

montar el moto-reductor y garantizar que su eje quedará alienado justo al centro del

pedestal.

Para poder sujetar el moto-reductor al pedestal, fue necesario diseñar una placa base.

Esta placa se diseño a partir de una platina de aluminio de ½” de espesor. Esta placa está

diseñada para el montaje de cualquier motoreductor que posea el mismo número de

flange 1430YC.

Figura 4.11. Placas base Motoreductor 1430-YC

Como se puede ver en la figura, la placa no es simétrica. Esto se debe a que se tuvo que

buscar un diseño que permitiera que el eje del moto-reductor quedara justo al centro de

la mesa.

4.1.4. Sistema de Dosificación

El sistema de dosificación que se utilizó en el desarrollo del modelo virtual preliminar, es

un sistema de dosificación LP-3 con válvula de bola de 3 vías y actuador neumático. Este

sistema de dosificación es propiedad de Empakando S.A. de C.V. y ya está detallado, por lo

tanto no se entrará en detalles sobre este sistema.

63

La figura 4.11. Sistema de Dosificación, muestra los distintos elementos que conforman

este sistema.

Figura 4.12. Sistema de dosificación

Según la lista de requerimientos recibida por parte de Empakando S.A de C.V, la máquina

tiene que ser capaz de ubicar componentes o sistemas disponibles en la Empresa. Este es

el caso del sistema de dosificación, por lo tanto, lo que se hizo con este sistema fue

integrarlo a la máquina de tal manera que la tolva quedase accesible y a una altura tal que

su llenado fuera lo más cómodo posible y que se pudiera conectar al sistema de llenado. El

sistema de llenado se encuentra ubicado sobre la tapa de la mesa.

A continuación se explica un poco el funcionamiento de cada uno de los componentes del

sistema de dosificación.

Tolva

La tolva tiene forma de embudo, está construida en lámina de acero inoxidable y tiene

una capacidad para almacenar 12 galones de producto.

Como se ha mencionado antes, la tolva es propiedad intelectual de Empakando S.A de

C.V, por lo que no se puede entrar en detalles de fabricación. La salida de la tolva se

conecta directamente a la entrada de la válvula de 3 vías.

64

Válvula de Bola de 3 vías

Se eligió el modelo de Empakando con válvula de 3 vías, ya que este permite el manejo de

un mayor rango de productos. Durante la circulación del producto por la válvula, la válvula

se abre completamente y evitando que los productos con sólidos en suspensión o

granulados se atoren dentro de la válvula.

Figura 4.13. Diseño virtual de Válvula 3 vías

La válvula de 3 vías funciona de la siguiente manera:

Durante el llenado del cilindro volumétrico, permite el paso del producto desde la

boquilla de Tolva hacia la boquilla del cilindro volumétrico. Durante este proceso,

la válvula cierra la boquilla de salida.

Durante la descarga del cilindro volumétrico, permite el paso desde el cilindro

volumétrico hacia la boquilla de salida. Durante este proceso, cierra el paso hacia

la tolva.

65

Cilindro Volumétrico

El Cilindro volumétrico es un cilindro estándar de la empresa Empakando S.A de C.V. En

este cilindro se almacena la cantidad exacta de producto. El Sistema LP-3 cuenta con un

cilindro volumétrico con capacidades de 150-1000ml (4-32oz).

4.1.5. Sistema de Llenado

Figura 4.14. Sistema de Llenado

La figura 4.14 Sistema de Llenado, muestra el diseño virtual del sistema de llenado con

todos sus componentes. De sus componentes, el más importante es la boquilla anti-goteo.

Soporte Boquilla Antigoteo

Boquilla Antigoteo

Pistón neumático guiado

Brida

Tubo de soporte

Abrazadera de tubo

66

Se decidió utilizar una boquilla anti-goteo para evitar el desperdicio del producto y otras

incomodidades que esto genera.

El sistema de llenado se ubicó sobre una de sus esquinas de la tapadera de la mesa. Este

sistema se diseño para ser controlado mediante un sensor óptico que mandará la señal al

sistema de control para activar el cilindro neumático cuando haya detectado que el

empaque está en su posición y está listo para llenarse.

La boquilla anti-goteo es un mecanismo de Empakando S.A de C.V, por lo tanto no se tuvo

que diseñar ninguno de sus componentes.

Sin embargo, se tuvo que pensar en el diseño de un soporte que durante el

funcionamiento estuviese fijo, pero que pudiera adaptarse a distintas presentaciones de

empaque (abrazadera de dos piezas), además de este soporte, se diseñó un mecanismo

capaz de introducir la boquilla de llenado anti goteo dentro del empaque y un soporte

universal que fuese capaz de sostener todos los modelos de boquilla anti-goteo de

Empakando

Mecanismo de Bajada y Subida de la Boquilla Antigoteo

Se estimó que sí la boquilla entraba 25mm dentro del empaque, sería suficiente para

realizar el llenado sin ningún inconveniente. Para esto se diseño el mecanismo de bajada y

subida que se muestra en la figura 4.15. Mecanismo de Bajada y Subida de Boquilla Anti-

goteo. Esta función se logró acoplando un cilindro neumático a un mecanismo guiado por

ejes guía.

67

Figura 4.15. Mecanismo de Bajada y Subida de la Boquilla Anti-goteo

El cilindro Neumático tiene una carrera de 50 mm, que al accionarse baja la placa inferior,

la cual está empernada al soporte universal de la boquilla anti goteo e introduce la

boquilla 25mm dentro del empaque.

El cuerpo Superior esta acoplado y se mantiene fijo a una abrazadera de dos piezas. Los

ejes guía se utilizan para que la placa baje uniformemente y no se desvíe, garantizando así

el descenso vertical de la boquilla anti-goteo.

Las partes del mecanismo de bajada y subida se diseñaron para ser construidas a partir de

bloques de aluminio.

68

Soporte Universal

Además del mecanismo de la figura 4.15, como se mencionó anteriormente, se tuvo que

diseñar las abrazaderas de dos partes y el soporte universal para boquillas de llenado anti-

goteo de Empakando.

Figura 4.16. Soporte Universal

Como se puede observar en la figura 4.16 Soporte Universal, el soporte universal se

diseño a partir de una platina de aluminio. Este soporte funciona como un tipo de

abrazadera con un perno de apriete. Este perno asegura que la boquilla universal de 1

pulgada de diámetro se pueda ajustar y mantener fija al soporte.

Además de estos agujeros, el soporte universal cuenta con cuatro agujeros roscados para

su acople con la placa inferior del mecanismo de bajada-subida.

69

Abrazadera de Dos Piezas

Figura 4.17. Abrazadera de dos Piezas

En la figura 4.17 Abrazadora de dos Piezas, se muestra el diseño virtual de la abrazadera

de dos piezas que sirve para sujetar el mecanismo de bajada-subida y consecuentemente

la boquilla anti-goteo.

Esta abrazadera se diseñó a partir de una platina de aluminio y consta de dos partes, la

pieza 1 y la pieza 2. La pieza 1 es la más pequeña de las dos y cuenta con dos agujeros

pasados. En la imagen de la izquierda de la figura 4.17, se aprecian mejor los agujeros. A

través de cada uno de estos agujeros pasa un perno que se enroscan en la parte 2.

El perno de la izquierda queda fijo en todo momento. El perno de la derecha cuenta con

una mariposa para apretar y aflojar. Al aflojar el perno con la mariposa, se afloja la

abrazadera y permite su desplazamiento en dirección vertical para acomodarse a las

diferentes presentaciones de empaque.

Además de permitir el desplazamiento, al aflojar el perno, se puede mover la abrazadera

en dirección radial para poder ajustar la ubicación de la boquilla.

70

En la imagen derecha de la figura 4.17, se aprecian dos agujeros de menor diámetro que

los de la imagen izquierda. Estos agujeros sirven para roscar los pernos que unen la

abrazadera con el cuerpo superior del mecanismo de bajada-subida.

Tubo de Soporte

El tubo de soporte es un cilindro sólido de 2 pulgadas de diámetro, chapa 12 de acero

inoxidable. Este tubo tiene 500mm de largo y sobre él se desliza la abrazadera de dos

piezas.

Acople tipo Brida.

El tubo se sostiene sobre la tapadera de la mesa mediante la ayuda de un acople tipo

brida. Este acople tipo brida es diferente al diseñado para el eje del moto-reductor. Como

se puede ver en la figura 4.18 Acople tipo Brida para Tubo de Soporte, el acople cuenta

con cuatro agujeros pasados para la ubicación de los pernos de sujeción de la brida a la

mesa. Se puede observar también que cuenta con un agujero para un perno de apriete y

así mantener fijo el tubo de soporte.

La brida de acople es estándar en Empakando, es una pieza fabricada y se utlizará den los

demás sistemas de la máquina.

Figura 4.18. Acople tipo Brida para el Tubo de Soporte

71

Los planos de detalle de cada uno de los componentes del sistema de llenado se pueden

revisar en el Anexo C. Planos de Detalle.

4.1.6. Sistema Neumático de Apertura de Bolsas

Sobre el sistema neumático de apertura de bolsas, se puede decir que es un sistema

independiente.

Este mecanismo será activado mediante un pedal neumático que abrirá una válvula que

dejará pasar un chorro de aire comprimido.

En la figura 4.19. Sistema Neumático para Apertura de Bolsas se pueden apreciar los

componentes que conforman este sistema.

Figura 4.19. Sistema Neumático de Apertura de Bolsas

Como se puede observar en la figura 4.18, el sistema de apertura de bolsas está

compuesto por un cono abridor, placa de soporte y tubo de soporte abridora.

72

Otros componentes que conforman este sistema, pero que no se muestran en la figura

son el pedal neumático, el filtro deshumidificador y los filtros de carbono activado. Debido

a que estos últimos componentes son comerciales no se detallan en este capítulo, ni en

los planos de detalle del Anexo C. Planos de Detalle.

Cono Abridor

Figura 4.20. Cono Abridor

Como se puede observar en la figura 4.20 Cono Abridor, esta pieza consta de un cilindro

de 2 pulgadas de diámetro de 150mm de largo y extremo cónico. El cono abridor tiene un

agujero pasado a lo largo. Este agujero está centrado y en el lado cilíndrico cuenta con una

rosca 3/8-NPT. En este extremo roscado se enrosca el acople para la manguera.

El lado cónico tiene una longitud de 50mm y el diámetro menor es de 1-1/4 de pulgada. El

extremo cónico sirve para facilitar la entrada del cono en la bolsa.

Se puede observar también, que en el extremo izquierdo del lado cilíndrico, hay un corte.

Con este corte se logra obtener una cara plana del largo del diámetro. En esta cara plana

hay dos agujeros roscados para sujetar el cono a la base.

Debido a que el aire comprimido que pasa a través del cono, se considera que estará en

contacto directo con el producto, ya que estará en contacto directo con el recipiente de

empaque [High quality compressed air for the food industry, Food and Beverage

Documents, Parker Hannifin Ltd.: p.18], se seleccionó un material que cumpliera con las

normas o regulaciones para la industria alimenticia. El material escogido fue el UHMW-PE

(Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular).

73

En el plano de detalle de la pieza en el Anexo C. Planos de Detalle, se pueden apreciar

mejor las dimensiones y ubicación de agujeros, etc.

Placa de Soporte del Cono Abridor

Para unir el cono abierto al tubo de soporte del sistema neumático, se diseño una placa de

acero inoxidable calibre 11.

El diseño del modelo virtual realizado en Autodesk Inventor 2011: Student Version, se

muestra en la figura 4.21. Placa de Soporte de Cono Abridor.

Figura 4.21. Placa de Soporte de Cono Abridor

Tubo de Soporte del Sistema Neumático de Apertura de Bolsas

El tubo de soporte está diseñado a partir de un tubo cuadrado de acero Inoxidable igual al

utilizado para la fabricación del pedestal y tiene 350mm de largo.

Como se puede observar en la figura 4.22 Tubo de Soporte del Sistema Neumático de

Apertura de Bolsas, en la parte superior cuenta con dos agujeros pasados para los pernos

utilizados en la sujeción de la base del cono.

74

El tubo se sujetará al pedestal usando soldadura TIG igual a la utilizada para el pedestal.

Figura 4.22. Tubo de Soporte del Sistema Neumático de Apertura de Bolsas

Al igual que las piezas anteriores, este tubo de soporte cuenta con un plano de detalle, el

cual se puede ver en el Anexo C. Planos de detalle.

75

4.1.7. Sistema de Sellado

Figura 4.23. Sistema de Sellado

Para el sellado de bolsas, se seleccionó el sellado por calor permanente. En este tipo de

sellado, las mordazas siempre permanecen calientes, manteniendo la temperatura

mediante una termocupla. Este sello es efectivo en bolsas de calibre grueso y laminadas

con aluminio, que son muy utilizadas en empaques doypack. Cada una de las partes se

detalla en el Anexo C.

Tubo de soporte de gripper

Abrazaderas de tubo

Soporte de Mordazas

Mordazas de sellador por calor permanente

Platinas con resorte para cerrar bolsa antes del sellado

Gripper neumático

76

El funcionamiento del sistema de sellado diseñado es el que describe la figura 4.24.

Figura 4.24. Funcionamiento del Sistema de Sellado

El sistema de fijación por brida es el mismo que en el sistema de llenado. El gripper

neumático es una pieza prefabricada marca Chanto, modelo KHL20D2. Se selecciono de tal

manera que la carrera y dimensiones permitieran recibir el tamaño de empaques

solicitado en los requerimientos y para que fuera capaz de mover las mordazas y logras el

cierre de las bolsas de manera adecuada.

El gripper junta y separa las mordazas utilizando aire comprimido

Antes de sellar, las platinas con resortes aplanan el empaque para evitar que el sello se arrugue

El sistema de fijación con abrazaderas permite el ajuste de empaques de diferentes tamaños.

77

4.1.8. Otros Componentes.

La máquina cuenta con otros elementos, los cuales no forman parte de ningún sub-

ensamble. Las piezas que entran en esta categoría son: Tapadera de la Mesa, placas

laterales y la placa del panel de control.

Tapadera de la Mesa

La tapadera de la mesa se diseño a partir de la placa de UHMW-PE sobrante de la

fabricación del plato transportador. Esta tapadera es rectangular, está compuesta de dos

partes y descansa sobre los tubos superiores del pedestal.

La placa se sujetará al pedestal mediante pernos ubicados estratégicamente. Sobre está

tapadera se empernará el sistema de llenado y sujetará al sensor óptico que activa el paro

del moto-reductor.

Figura 4.25. Tapadera de Mesa

La figura 4.25. Tapadera de Mesa, muestra el diseño virtual de la tapadera. El plano de

detalle de la tapadera se muestra en el Anexo C. Planos de Detalles.

78

Placas Laterales (opcionales)

Las placas laterales sirven para ocultar el moto-reductor y darle un aspecto más estético a

la máquina. Estas placas están ubicadas en cada uno de los costados del pedestal. La

figura 4.24. Placas Laterales, muestra el modelo virtual de estas piezas.

Figura 4.26. Placas Laterales

Como se puede observar en la figura 4.26, las placas cuentan con una serie de agujeros

pasados que permiten el flujo de aire para el enfriamiento del moto-reductor. Además de

esto, la placa cuenta con cuatro agujeros pasados para sujetar las placas al pedestal.

Las placas están diseñadas a partir de una lámina de acero Inoxidable. El plano de detalle

de las placas se muestra en el Anexo C. Planos de Detalle.

Placa del Panel de Control

Para la ubicación del panel de control, en vez de montarlo sobre tubos cuadrados, se

decidió diseñar una placa a partir de una lámina de acero inoxidable de ½ pulgada.

Esta placa además de soportar el panel de control sirve para balancear un poco la

máquina y bajar el centro de gravedad de la misma.

Esta placa irá soldada al pedestal mediante soldadura TIG. El plano de detalle de la placa

se muestra en el Anexo C. Planos de Detalle.

79

4.2. Funcionamiento y control Teórico de la Máquina

Figura 4.27. Diseño Preliminar de la Máquina Completa

Una vez diseñados y elaborados todos los componentes con el software de dibujo

Autodesk Inventor, se procedió a elaborar el ensamble total de la máquina.

La figura 4.27. Diseño Virtual de Máquina Completa, muestra el ensamble del diseño

preliminar de la maquina Abridora/Llenadora/Selladora.

80

Al tener elaborado el ensamble final y tener una mejor percepción de donde están

ubicados todos los componentes se describe el funcionamiento teórico esperado por cada

uno de los sistemas de la máquina y por lo tanto de la máquina en general.

A continuación se describe el funcionamiento teórico de la máquina.

1. La máquina se enciende al mover la maneta de encendido de la posición apagado a

la posición encendido. Cuando esto ocurre la máquina automáticamente comienza

a indexar. El tiempo de indexación dependerá de la capacidad a llenar. Este tiempo

se ajustará desde la pantalla táctil del panel de mando.

2. El Operario debe de abrir una bolsa activando el pedal neumático y colocando la

bolsa en el cono abridor, para luego colocarla sobre una de las bases del plato

transportador.

3. El sensor óptico del sistema de llenado y el sensor óptico del sistema de sellado no

detectan ninguna bolsa, por lo tanto no se activan. El PLC se activa y comienza un

conteo equivalente al tiempo de llenado de las bolsas (tiempo de indexación).

4. El terminar el conteo, el PLC manda la señal al moto-reductor para activarlo. Este

rota 60 grados y luego se detiene cuando el sensor inductivo detecta las placas

sensores ubicadas bajo el plato transportador.

5. Sí los sensores ópticos no detectan bolsas, se repiten los pasos 3 y 4.

6. Si el sensor óptico detecta una bolsa y el reed switch está en posición correcta, se

cierra el circuito de llenado y el PLC manda una señal a la electroválvula neumática

que controla el cilindro neumático del sistema de dosificación, al mismo tiempo

que se activa el mecanismo de la válvula de 3 vías y se llena el cilindro volumétrico.

Cuando el cilindro volumétrico se llena, se activa el otro sensor reed switch, el cual

manda una señal para que el pistón guía del sistema de llenado baje y se abra la

81

boquilla anti-goteo. El cilindro volumétrico es descargado con la ayuda del cilindro

neumático y se llena la bolsa, cuando el otro read switch detecta que el cilindro se

ha descargado manda una señal al pistón guía para que este vuelva a su posición

original. Durante este tiempo, si el sensor del sistema de sellado no detecta

ninguna bolsa, el sistema de sellado no se activa, en cambio si el sensor detecta la

bolsa, se manda una señal a la electroválvula que controla el cilindro doble de la

selladora y se sella la bolsa.

7. Cuando el cilindro volumétrico se ha descargado completamente, se manda una

señal al PLC para activar el variador de frecuencia del moto-reductor y este gira

otros 60 grados hasta que se detiene. Durante el movimiento del moto-reductor,

el cilindro volumétrico se está cargando nuevamente.

8. Para el despacho de las bolsas, el operario es el encargado de quitarlas del plato y

colocar una nueva en la posición libre.

Se calculó que cuando la máquina alcance un funcionamiento estable, es decir que haya

una bolsa en cada una de las posiciones en todo momento, saldrá una bolsa cada 6

segundos, es decir que la máquina tendrá un rendimiento para presentaciones de 5lb de

10 bolsas por minuto.

Estos cálculos se pueden revisar en el Anexo B. Memoria de Cálculo.

4.3. Optimización del Modelo

Como en todo proyecto de diseño, el diseño final no sale al primer intento. Y este

proyecto no es la excepción. Durante el proceso de la elaboración de los componentes,

fueron surgiendo inconvenientes que necesitaban ser resueltos.

Para corregir estos inconvenientes hubo que rediseñar piezas, cambiar dimensiones, crear

piezas nuevas, etc.

82

A continuación se presentan una serie de optimizaciones o cambios que se realizaron

durante el proceso de elaboración del modelo virtual y cambios que hubo que realizar

después de la reunión que se llevo a cabo con el Ing. Nick Bienz de la empresa Empakando

S.A. de C.V.

4.3.1. Pedestal Modificado

El pedestal es uno de los componentes que más cambios sufrió. Como se puede ver en la

figura 4.26. Primer Pedestal, el pedestal tenía unas dimensiones de 800x800x1000 mm

(ancho x profundidad x altura), contaba con unas barras de la cual colgaba el moto-

reductor, no contaba con los anexos para estabilizar el sistema de dosificación y no

contaba con los anexos para montar el sistema de sellado.

Figura 4.28. Simulación Pedestal

En la imagen de la izquierda “Pedestal con Moto-reductor Colgante” de la figura 4.28, se

puede observar qué al inicio se consideró “colgar” el moto-reductor, esto a su vez

restringía la distancia para bajar las bases de las bolsas que luego se determinó que no

tenían las dimensiones necesarias.

83

Para colgar el moto-reductor de estos tubos, fue necesario diseñar unos anillos para que

el nivel de la mesa coincidiese con el nivel de la tapadera de la máquina.

En la imagen de la derecha “Segundo Pedestal” de la misma figura, se puede apreciar el

cambio realizado a los tubos de soporte del moto-reductor para aumentar las

dimensiones de las bases de las bolsas. En esa misma imagen se puede ver que el soporte

del sistema de dosificación no contaba con las patas estabilizadoras, ni con los anexos

para soportar el peso de la tolva llena. Esto generaba que parte del sistema de

dosificación quedara en voladizo.

Esta imagen tampoco muestra los anexos que se agregaron para poder colocar el sistema

de sellado. Este cambio se realizo a petición del Ing. Nick Bienz de Empakando.

La figura 4.27. Pedestal Optimizado muestra como quedó el pedestal después de los

cambios.

Figura 4.29. Optimización Pedestal

84

Como se puede observar en la figura 4.29 el pedestal sufrió cambios importantes durante

la elaboración del diseño.

Los tubos de soporte de la tolva se diseñaron de tal manera que fueran ellos los que

soportaran la carga de la tolva llena y no la unión entre la válvula de 3 vías y el cilindro

volumétrico. Con el soporte para el sistema de dosificación se balanceó la mesa y se evito

que el sistema quedara en voladizo.

El plano de detalle del nuevo Pedestal se muestra en el Anexo C. Planos de detalle.

4.3.2. Tolva de 12 Galones

Al principio se pensó en utilizar una tolva normal sin extensiones de apoyo. Al ver que el

sistema de dosificación quedaba en voladizo y que la unión entre la válvula y el cilindro

volumétrico era la que soportaba la carga de la tolva llena, se diseñaron las extensiones en

el pedestal y unos soportes en la tolva.

En la figura 4.30. Optimización Tolva, se muestran los cambios realizados a la tolva.

Figura 4.30. Optimización Tolva

85

El diseño de la tolva, por ser propiedad intelectual de la empresa Empakando, no tiene

plano de detalle.

4.3.3. Plato Transportador

Con el cambio de dimensiones del pedestal de 800x800x1000 a 1000x1000x1000mm, el

plato transportador pasó de tener un diámetro de 612mm a tener un diámetro de

810mm. Con esto se cambiaron la ubicación de los agujeros para sostener las bases de las

bolsas y los agujeros para sostener la placa del sensor.

Las secciones rectangulares no sufrieron ninguna modificación.

El plano de detalle del nuevo plato transportador se muestra en el Anexo C. Planos de

detalle.

4.3.4. Eje y Brida de Acople Eje-Plato.

En el diseño preliminar, se tenía el eje mostrado en la figura 4.5. Eje y la brida mostrada

en la figura 4.7. Brida de Acople Eje-Plato Transportador. Después de la optimización del

eje y la brida se determinó que estas dos piezas pasarían a ser una sola mediante una

soldadura. Em este cambió también se modificó la forma del eje el cual se muestra en la

figura 4.29. Eje Nuevo. El eje de alargo y la brida pasó de ser de aluminio a ser de acero

inoxidable para poder ser soldada. La nueva brida se muestra en la figura 4.30. Brida

Nueva y la nueva pieza que resultó después de la unión de ambas piezas se muestra en la

figura 4.31 Eje-Brida. El plano de detalle de esta nueva pieza se presenta en el Anexo C.

Planos de Detalle.

Figura 4.31. Eje Nuevo

86

Figura 4.32. Brida Nueva

Figura 4.33. Eje-Brida

87

4.3.5. Base Bolsas

La figura 4.8. Bases para Bolsas, muestra el diseño preliminar de las bases de las bolsas.

Luego de pruebas realizadas en Empakando con una bolsa de 5lb, se determino que el

desnivel de 15mm que tenían las bases para bolsas originales, no ofrecían la estabilidad

necesaria durante el movimiento de traslación de una estación a otra y menos cuando la

bolsa iba llena.

Gracias al resultado de estas pruebas, se modifico el desnivel entre caras de 15mm a

100mm. Con esta modificación las bolsas bolsas de 12 pulgadas de alto estarán

introducidas un poco menos de 4 pulgadas, lo que hace que tengan una mayor estabilidad

durante el traslado de estación a estación.

La desventaja de esta modificación es que la bolsa más pequeña que se podría llenarse en

está maquina es la de 6 pulgadas de alto. Esto se debe a que la de 4 pulgadas de alto, no

deja espacio para el llenado. La figura 4.32. Base de Bolsas Modificada muestra el diseño

virtual de las nuevas bases.

88

Figura 4.34. Base de Bolsas Modificada

Al igual que con las piezas antes mencionadas, el plano de detalle de las nuevas bases se

presenta en el Anexo C. Planos de Detalle.

4.3.6. Tapadera Mesa

En el caso de la tapadera de la mesa sucedió lo mismo que con el plato transportador. Lu

único que se cambió fueron las dimensiones. EL plano de detalle de esta pieza se muestra

en el plano correspondiente en el Anexo C. Planos de Detalle.

4.3.7. Sistema de Sellado

Como se mencionó anteriormente el sistema de llenado sufrió cambios en el soporte. Este

cambio se realizó por petición del Ing. Nick Bienz de Empakando, durante una reunión

programada.

En un principio, el sistema de sellado estaba sujeto a la cara externa del pedestal con un

solo tubo de soporte cuadrado (igual a los utilizados para el diseño del pedestal). Este

89

tubo contaba con una corredera para ajustar el sistema al tipo de empaque que se

estuviese llenando. Este soporte se cambio por uno parecido al del sistema de llenado.

La figura 4.35 muestra el soporte original del sistema de llenado. En la figura 4.23.

Sistema de Sellado, se muestra el nuevo soporte.

Figura 4.35. Sistema de Sellado con Soporte Modificado

El plano de detalle de esta nueva pieza de muestra en el Anexo C. Planos de Detalle.

4.4. Validación del Diseño

La validación del diseño consiste en dos partes:

1. Validación Teórica de los componentes y Mecanismos

2. Aprobación del Modelo por parte del director(es) del Proyecto, en este caso el Ing.

Nick Bienz de Empakando S.A de C.V. y el Ing. Mario Chávez de la Universidad

Centroamericana “Jose Simeón Cañas”, UCA.

4.4.1. Validación Teórica de los componentes y Mecanismos

La validación teórica de los componentes y mecanismos se realizó mediante pruebas y

análisis de esfuerzos en elementos finitos. Los Análisis de esfuerzo se realizaron en

Autodesk Inventor utilizando la herramienta de Stress Analysis o Análisis de esfuerzos.

90

A los elementos que se les realizo estas simulaciones fueron al pedestal, en los tubos de

soporte del moto-reductor y los tubos que soportan la tolva llena, a las bases de las bolsas

y al eje.

Las simulaciones y sus resultados se presentan en el Anexo B. Memoria de Cálculo. El fin

de realizar estos análisis era el de determinar la ubicación del esfuerzo principal y la

deflexión máxima. Los componentes se dieron como aprobados si las cargas no hacían que

el componente fallara. Esto se comprobó mediante el factor de seguridad que resultaba

después de las pruebas.

Para la prueba de mecanismos, el mecanismo que se probó fue el del moto-reductor y su

sistema de paro por sensores. El objetivo de esta prueba era determinar la desviación que

se podía dar en el momento del paro.

4.4.2. Aprobación de los directores de Proyecto.

Con los resultados de los análisis y simulaciones y cuando el diseño de la máquina estuvo

terminado, se sostuvo una entrevista con el Ing. Nick Bienz de Empakando. Durante esta

entrevista, el Ing. Bienz revisó el diseño de la máquina, su funcionamiento teórico y los

resultados de las pruebas y que cumpliera con la lista de requerimientos.

Al finalizar la reunión, el Ing. Bienz dió como aprobado el diseño. Una vez aprobado el

diseño por el Ing. Bienz, se sostuvo una reunión con el Ing. Chávez de la UCA, durante la

cual se revisó el diseño, el funcionamiento teórico y que esta cumpliera con la lista de

requerimientos.

91

CAPITULO 5. CONCRETIZACIÓN DEL DISEÑO

En el capítulo cinco se realiza un recuento del diseño final del modelo de máquina

empacadora y se muestran las listas de partes mecánicas y eléctricas, se cuantifican y

verifican los costos de la máquina (mano de obra y materiales), se verifica que la máquina

cumpla con los requerimientos propuestos por Empakando S.A. de C.V. y se muestran los

resultados del análisis económico (LCC). En este capítulo se pretende dar como finalizado

el proceso de diseño.

5.1 Lista y descripción de partes mecánicas.

Las partes mecánicas de la máquina están clasificadas según la función que cumplen. El

detalle completo se encuentra completamente detallado en el Anexo C. Planos de detalle,

por lo que muestra en la tabla 5.1 Partes Mecánicas, el agrupamiento de piezas por

función. La descripción de cada una de las partes se ha desarrollado en el capítulo 4, por lo

que para concretar el diseño basta con determinar las piezas como se hace en este

apartado. También se determina el material requerido para fabricar la pieza, esto en caso

de que no sea ya fabricada por la empresa Empakando S.A. de C.V.

Tabla 5.1. Partes Mecánicas

Pieza Material (Si no es pieza fabricada en

Empakando S.A. de C.V.)

Sist

ema

de

Ap

ertu

ra Cono Abridor Barra UHMW Ø4"

Soporte Cono Abridor Lámina inox 304, 3mm espesor

Switch final de carrera Servielectric S.A. de C.V.

Soporte sistema de Apertura Sistema de tapa y poste Empakando

Sist

ema

de

Do

sifi

caci

ón

VALVULA GEMINI 309 3 VIAS C/ACTUADOR A512D Válvula importada

Boquilla clamp 3/4 NPT para ACT Pieza ya fabricada en Empakando

Boquilla clamp 3/4" Pieza ya fabricada en Empakando

Tolva 12 Galones Pieza ya fabricada en Empakando

Cilindro LP-3 Pieza ya fabricada en Empakando

Pistón LP-3 Pieza ya fabricada en Empakando

Bástago LP Pieza ya fabricada en Empakando

Pin 7mm LP Pieza ya fabricada en Empakando

Disco de Tope Pieza ya fabricada en Empakando

Abrazadera LP-3 Pieza ya fabricada en Empakando

92

Soporte Cilindro LP-3 Pieza ya fabricada en Empakando

Platina aluminio soporte Pieza ya fabricada en Empakando

Cilindro neumático 50x150 mm Pieza ya fabricada en Empakando

Fijación Cilindro Neumático Pieza ya fabricada en Empakando

Reed Switch Pieza ya fabricada en Empakando

Fijación sensor Reed Switch Pieza ya fabricada en Empakando

o-ring Viton #238 Pieza ya fabricada en Empakando

Abrazadera Clamp 1-1/2" Pieza ya fabricada en Empakando

Empaque clamp EPDM Pieza ya fabricada en Empakando

Boquilla Antigoteo Pieza ya fabricada en Empakando

Clamp para Boquilla antigoteo Platina Aluminio 3/4"x2-1/2"

Cilindro neumático guiado Pieza Importada

Abrazadera de Poste Platina Aluminio 3/4"x2-1/2"

Tubo soporte sistema de llenado Tubo Inox 304 Ø2", chapa 12

Tapa Poste (Brida VG-308-1.5) Pieza Importada

Pernos, arandelas -

Sist

ema

de

Sel

lad

o

Mordazas CFN (Pareja) Cobre u otro material.

Resistencia CFN -

Termocupla CFN -

Timer 881BS -

Gripper KHD-20-D2 Pieza Importada

Resortes Inox Alambre inox para resorte, Ø2mm

Platina Inox 1/4"x1" -

Platina Aluminio 1/2"x6" -

Reed Switch gripper Pieza importada

Abrazadera de Poste Platina Aluminio 3/4"x2-1/2"

Tubo soporte Sistema de llenado Tubo Inox 304 Ø2", chapa 12

Tapa Poste Pieza Importada

Tubo inox 304 1-1/4" cuadrado -

Soldaduras -

Sujetadores (Pernos, arandelas) -

Ind

exac

ión

Motoreductor Hyponic 1/4 hp 1430 21.88 RPM Cotizada en Central de Rodamientos

Eje motor 1320 Barra Inox 304 Ø1-1/2"

Acople de eje para mesa Inox Barra Inox 304 Ø6"

Mesa de Indexación para bolsas Placa UHMW 1/2" espesor, 32"X32"

Bandejas para bolsas Lámina inox 304, 3mm espesor

Soldaduras -

Sujetadores (Pernos, arandelas) -

Pedestal (Incluye patas niveladoras) Tubo cuadrado inox 304 , 1-1/4", 24 metros (4 piezas de 6 metros estándar)

93

5.2 Lista y descripción de partes eléctricas y de control.

Los elementos de control se dividen en dos grupos: elementos de control electrónico y

elementos de control neumático. El control de la máquina será gobernado

completamente por un PLC con el programa adecuado para cumplir la parte operativa.

Este programa será diseñado por la empresa Empakando, ya que detalles de operación y

ajustes serán evaluados y ejecutados por ellos.

5.2.1 Elementos de control electrónico.

Los principales elementos de control electrónico son los siguientes:

PLC

Será el encargado de gobernar el control electrónico mediante un programa lógico. De él

depende la operación y funciones de la máquina.

Variador de Frecuencia

Será el encargado de manejar el motoreductor. La principal función que cumplirá será la

de regular la rotación del plato indexador, ajustando las rpm y la aceleración y

desaceleración del movimiento.

Pantalla Táctil

La pantalla táctil permite cambiar parámetros de operación de manera fácil y rápida. Se

comunica con el PLC para permitir hacer cambios de programación sin tener que modificar

el programa directamente en el PLC.

En la tabla 5.2 se muestra en detalle los elementos de control electrónico. Todos los

elementos son estándar de la empresa Empakando, para intentar que la compatibilidad y

adquisición sea lo más sencilla posible.

94

Tabla 5.2. Elementos de control electrónico

Co

ntr

ol E

léct

rico

Gabinete SR-5320 ABB

CAJA PLASTICA 22MM / 3 / SA107-40SL Automation Direct (Importado)

Pantalla Táctil C-more micro 6" EA1-S6MLW Automation Direct (Importado)

Cable de comunicación PLC-Pantalla Táctil Automation Direct (Importado)

switch selector Automation Direct (Importado)

interruptor principal Automation Direct (Importado)

eje manecilla Automation Direct (Importado)

manecilla interruptor Automation Direct (Importado)

Paro de emergencia Automation Direct (Importado)

placa de indicación emergencia Automation Direct (Importado)

fuente de poder 24vsc Automation Direct (Importado)

automato 2 polos Automation Direct (Importado)

Variador de frecuencia acs150 ABB

PLC koyo DR-05 Automation Direct (Importado)

rele de tarjeta Automation Direct (Importado)

Sensor fotoelectrico diffuse 18mm Automation Direct (Importado)

cable para sensor fotoletctrico Automation Direct (Importado)

Sensor inductivo 12 mm Automation Direct (Importado)

Cable para sensor inductivo Automation Direct (Importado)

Borneras Automation Direct (Importado)

Portafusibles Automation Direct (Importado)

Borna de tierra Automation Direct (Importado)

Puentes 4 polos Automation Direct (Importado)

Cable electrico 18-3,18-2,18-4,14-3, todos AWG

Sujetadores (pernos, etc.) -

5.2.2 Elementos de control neumático.

Aquí se encuentran racores, uniones, válvulas y demás elementos neumáticos. Valga

aclarar que los actuadores neumáticos están incluidos en las partes mecánicas de cada

una de las funciones y no en la parte de control. La tabla 5.3 muestra la lista de las

diferentes partes de control neumático.

95

Tabla 5.3. Elementos de control neumático

Co

ntr

ol N

eum

átic

o

Racor recto 1/4x10mm Proveedor de neumática de Empakando



Racor 90 1/8x6mm Proveedor de neumática de Empakando

Racor regulador de flujo 1/4x6mm Proveedor de neumática de Empakando

Racor regulador de flujo 1/8x6mm Proveedor de neumática de Empakando

Racor regulador de flujo m5x6mm Proveedor de neumática de Empakando

Tapon metálico 1/4 Proveedor de neumática de Empakando

Manifold 6 válvulas Proveedor de neumática de Empakando

Placa de cierre Proveedor de neumática de Empakando

Filtro regulador 1/4 Proveedor de neumática de Empakando

Sistema de Filtros aire sanitario Kaeser El Salvador

Valvula neumatica 24vdc 5/2 1 bobina Proveedor de neumática de Empakando

Manguera Neumática 6 mm Proveedor de neumática de Empakando

5.3 Cuantificación y Verificación de costos

Para cuantificar los costos se hizo una lista detallada de todas las partes, sus cantidades y

costos. La tabla 5.4 muestra en detalle la cuantificación de costos. El costo que aparece en

esta tabla es el costo total de la pieza, que incluye mano de obra, costo de compra, costos

de maquinado, impuestos de importación, etc.

96

Tabla 5.4. Cuantificación de Costos

Pieza Material (Si no es pieza fabricada en

Empakando S.A. de C.V.) *Costo

Unidad de

medición Cantidad Total

Sist

ema

de

Ap

ertu

ra Cono Abridor Barra UHMW Ø4" $ 414.50 Metro 0.2 $ 82.90

Soporte Cono Abridor Lámina inox 304, 3mm espesor $ 10.00 Unidad 1 $ 10.00

Switch final de carrera Surtielectric $ 9.50 Unidad 1 $ 9.50

Soporte sistema de Apertura Sistema de tapa y poste Empakando $ 30.00 Unidad 1 $ 30.00

Sist

ema

de

Do

sifi

caci

ón

VALVULA GEMINI 309 3 VIAS C/ACTUADOR A512D Válvula importada $ 390.80 Unidad 1 $ 390.80

Boquilla clamp 3/4 NPT para ACT Pieza ya fabricada en Empakando $ 15.50 Unidad 3 $ 46.50

Boquilla clamp 3/4" Pieza ya fabricada en Empakando $ 13.20 Unidad 1 $ 13.20

Tolva 12 Galones Pieza ya fabricada en Empakando $ 330.00 Unidad 1 $ 330.00

Cilindro LP-3 Pieza ya fabricada en Empakando $ 148.50 Unidad 1 $ 148.50

Pistón LP-3 Pieza ya fabricada en Empakando $ 25.00 Unidad 1 $ 25.00

Bástago LP Pieza ya fabricada en Empakando $ 10.00 Unidad 1 $ 10.00

Pin 7mm LP Pieza ya fabricada en Empakando $ 1.00 Unidad 1 $ 1.00

Disco de Tope Pieza ya fabricada en Empakando $ 10.00 Unidad 1 $ 10.00

Abrazadera LP-3 Pieza ya fabricada en Empakando $ 20.00 Unidad 2 $ 40.00

Soporte Cilindro LP-3 Pieza ya fabricada en Empakando $ 6.25 Unidad 2 $ 12.50

Platina aluminio soporte Pieza ya fabricada en Empakando $ 40.00 Unidad 1 $ 40.00

Cilindro neumático 50x150 mm Pieza ya fabricada en Empakando $ 40.00 Unidad 1 $ 40.00

Fijación Cilindro Neumático Pieza ya fabricada en Empakando $ 2.00 Unidad 1 $ 2.00

Reed Switch Pieza ya fabricada en Empakando $ 5.00 Unidad 2 $ 10.00

Fijación sensor Reed Switch Pieza ya fabricada en Empakando $ 1.50 Unidad 2 $ 3.00

o-ring Viton #238 Pieza ya fabricada en Empakando $ 0.70 Unidad 1 $ 0.70

Abrazadera Clamp 1-1/2" Pieza ya fabricada en Empakando $ 8.50 Unidad 3 $ 25.50

Empaque clamp EPDM Pieza ya fabricada en Empakando $ 0.70 Unidad 3 $ 2.10

97

Boquilla Antigoteo Pieza ya fabricada en Empakando $ 150.00 Unidad 1 $ 150.00

Clamp para Boquilla antigoteo Platina Aluminio 3/4"x2-1/2" $ 10.00 Unidad 1 $ 10.00

Cilindro neumático guiado Pieza Importada $ 100.00 Unidad 1 $ 100.00

Abrazadera de Poste Platina Aluminio 3/4"x2-1/2" $ 25.00 Unidad 1 $ 25.00

Tubo soporte sistema de llenado Tubo Inox 304 Ø2", chapa 12 $ 30.00 Unidad 1 $ 30.00

Tapa Poste Pieza Importada $ 20.00 Unidad 1 $ 20.00

Pernos, arandelas - $ 40.00 - 1 $ 40.00

Sist

ema

de

Sel

lad

o

Mordazas CFN (Pareja) Cobre $ 100.00 Unidad 1 $ 100.00

Resistencia CFN - $ 20.00 Unidad 2 $ 40.00

Termocupla CFN - $ 10.00 Unidad 1 $ 10.00

Timer 881BS - $ 70.00 Unidad 1 $ 70.00

Gripper KHD-20-D2 Pieza Importada $ 70.00 Unidad 1 $ 70.00

Resortes Inox Alambre inox para resorte, Ø2mm $ 6.00 Unidad 2 $ 12.00

Platina Inox 1/4"x1" - $ 11.00 Metro 0.5 $ 5.50

Platina Aluminio 1/2"x6" - $ 50.00 Metro 0.5 $ 25.00

Reed Switch gripper Pieza importada $ 10.00 Unidad 1 $ 10.00

Abrazadera de Poste Platina Aluminio 3/4"x2-1/2" $ 25.00 Unidad 2 $ 50.00

Tubo soporte Sistema de llenado Tubo Inox 304 Ø2", chapa 12 $ 30.00 Unidad 1 $ 30.00

Tapa Poste Pieza Importada $ 20.00 Unidad 1 $ 20.00

Tubo inox 304 1-1/4" cuadrado - $ 14.00 Metro 0.5 $ 7.00

Soldaduras - $ 6.00 Unidad 10 $ 60.00

Sujetadores (Pernos, arandelas) - $ 40.00 - 1 $ 40.00

Ind

exac

ión

Motoreductor Hyponic 1/4 hp 1430 21.88 RPM Cotizada en Central de Rodamientos $ 850.00 Unidad 1 $ 850.00

Eje motor 1320 Barra Inox 304 Ø1-1/2" $ 30.00 Unidad 1 $ 30.00

Acople de eje para mesa Inox Barra Inox 304 Ø6" $ 200.00 Unidad 1 $ 200.00

Mesa de Indexación para bolsas Placa UHMW 1/2" espesor, 32"X32" $ 600.00 Unidad 1 $ 600.00

Bandejas para bolsas Lámina inox 304, 3mm espesor $ 10.00 Unidad 6 $ 60.00

98

Soldaduras - $ 6.00 Unidad 6 $ 36.00

Sujetadores (Pernos, arandelas) - $ 60.00 - 1 $ 60.00

Pedestal (Incluye patas niveladoras) Tubo cuadrado inox 304 , 1-1/4", 20 metros $ 800.00 Unidad 1 $ 800.00

Co

ntr

ol E

léct

rico

Gabinete SR-5320 ABB $ 100.00 Unidad 1 $ 100.00

CAJA PLASTICA 22MM / 3 / SA107-40SL Automation Direct (Importado) $ 15.00 Unidad 1 $ 15.00

Pantalla Táctil C-more micro 6" EA1-S6MLW Automation Direct (Importado) $ 350.00 Unidad 1 $ 350.00

Cable de comunicación PLC-Pantalla Táctil Automation Direct (Importado) $ 24.00 Unidad 1 $ 24.00

switch selector Automation Direct (Importado) $ 10.00 Unidad 1 $ 10.00

interruptor principal Automation Direct (Importado) $ 27.00 Unidad 1 $ 27.00

eje manecilla Automation Direct (Importado) $ 7.00 Unidad 1 $ 7.00

manecilla interruptor Automation Direct (Importado) $ 8.00 Unidad 1 $ 8.00

Paro de emergencia Automation Direct (Importado) $ 14.00 Unidad 1 $ 14.00

placa de indicación emergencia Automation Direct (Importado) $ 3.00 Unidad 1 $ 3.00

fuente de poder 24vsc Automation Direct (Importado) $ 35.00 Unidad 1 $ 35.00

autómata 2 polos Automation Direct (Importado) $ 20.00 Unidad 1 $ 20.00

Variador de frecuencia acs150 ABB $ 230.00 Unidad 1 $ 230.00

PLC koyo DR-05 Automation Direct (Importado) $ 140.00 Unidad 1 $ 140.00

relé de tarjeta Automation Direct (Importado) $ 31.00 Unidad 1 $ 31.00

Sensor fotoeléctrico diffuse 18mm Automation Direct (Importado) $ 35.00 Unidad 2 $ 70.00

cable para sensor fotoeléctrico Automation Direct (Importado) $ 20.00 Unidad 2 $ 40.00

Sensor inductivo 12 mm Automation Direct (Importado) $ 60.00 Unidad 1 $ 60.00

Cable para sensor inductivo Automation Direct (Importado) $ 20.00 Unidad 1 $ 20.00

Borneras Automation Direct (Importado) $ 0.60 Unidad 16 $ 9.60

Portafusibles Automation Direct (Importado) $ 4.00 Unidad 2 $ 8.00

Borna de tierra Automation Direct (Importado) $ 3.00 Unidad 2 $ 6.00

Puentes 4 polos Automation Direct (Importado) $ 1.00 Unidad 4 $ 4.00

99

Cable eléctrico 18-3,18-2,18-4,14-3, todos AWG $ 30.00 Unidad 1 $ 30.00

Sujetadores (pernos, etc.) - $ 40.00 Unidad 1 $ 40.00 C

on

tro

l Neu

mát

ico

Racor recto 1/4x10mm Proveedor de neumática de Empakando $ 1.50 Unidad 2 $ 3.00



Racor 90 1/8x6mm Proveedor de neumática de Empakando $ 1.50 Unidad 10 $ 15.00

Racor regulador de flujo 1/4x6mm Proveedor de neumática de Empakando $ 8.00 Unidad 10 $ 80.00

Racor regulador de flujo 1/8x6mm Proveedor de neumática de Empakando $ 8.00 Unidad 6 $ 48.00

Racor regulador de flujo m5x6mm Proveedor de neumática de Empakando $ 7.00 Unidad 2 $ 14.00

Tapón metálico 1/4 Proveedor de neumática de Empakando $ 1.00 Unidad 5 $ 5.00

Manifold 6 válvulas Proveedor de neumática de Empakando $ 25.00 Unidad 1 $ 25.00

Placa de cierre Proveedor de neumática de Empakando $ 1.00 Unidad 1 $ 1.00

Filtro regulador 1/4 Proveedor de neumática de Empakando $ 60.00 Unidad 1 $ 60.00

Sistema de Filtros aire sanitario Kaeser El Salvador $ 1,000.00 Unidad 1 $ 1,000.00

Válvula neumática 24vdc 5/2 1 bobina Proveedor de neumática de Empakando $ 35.00 Unidad 4 $ 140.00

Manguera Neumática 6 mm Proveedor de neumática de Empakando $ 0.60 Unidad 40 $ 24.00

Subtotal $ 7,599.30

100

El subtotal es de $7,599.30. Debido al nuevo diseño, se agregará un %10.00 de margen de

contingencia por gastos no tomados en cuenta. Añadiendo esto, el presupuesto final total

de la máquina es de $8,359.23. Dicha cantidad es inferior a los $8,500.00 de límite

especificado en los requerimientos, por lo tanto cumple con este requisito.

5.4 Verificación del cumplimiento de los requerimientos de diseño

En este apartado se muestran las distintas tablas que se generaron para comprobar si el

diseño de máquina propuesto cumple o no con la lista de requerimientos de la empresa

Empakando S.A de C.V.

Las tablas 5.5. Verificación de Cumplimiento de Requerimientos “Tareas a Realizar”, 5.6.

Verificación de Cumplimiento de Requerimientos “Forma de Realizar las Tareas”, 5.7.

Verificación de Cumplimiento de Requerimientos “Requisitos Técnicos de

Funcionamiento”, 5.8. Verificación de Cumplimiento de Requerimientos “Operacionales’’

y 5.9. Verificación de Cumplimiento de Requerimientos “Comerciales” están formadas por

cuatro secciones o columnas. En la columna uno, se presenta el tipo de requerimiento

(Tareas a Realizar, Forma de Realizar las Tareas, Requisitos Técnicos de Funcionamiento,

Operacionales y Comerciales). La columna dos, muestra cada uno de los parámetros que

se verificaron en cada tabla y los cuales dependen de los requerimientos. La columna tres

es para marcar si el diseño cumple o no con el parámetro y la columna cuatro muestra una

breve descripción del porqué se considera que diseño propuesto cumple o no con el

parámetro.

En total se analizaron 31 parámetros, de los cuales solo en 5 parámetros el diseño no

cumple. En otras palabras, el nuevo diseño cumple con el 84% de los requerimientos

solicitados por la empresa Empakando S.A. de C.V. Cada parámetro no cumplido posee su

justificación.

10

1

Tabla 5.5. Verificación de Cumplimiento de Requerimientos “Tareas a Realizar”

Requerimiento

Cumple Observaciones

Si No

Tare

as a

Re

aliz

ar

Apertura del Empaque Manual, utilizando Aire comprimido x

La bolsa se abrirá con un chorro de aire comprimido a través de un cono de UHMW-PE

Presentación del Empaque Manual. x El empaque será presentado por el operario después de abierto

Llenado Automático para fluidos viscosos con y sin partículas y productos secos y granulados. x

Se utilizará el sistema de dosificación y llenado con boquilla antigoteo y válvula de 3 vías LP-3 de la empresa Empakando S.A. de C.V.

Cerrar la Bolsa automáticamente para que esté lista para sellar. x

El mecanismo de sellado se ha diseñado de tal manera que unas platinas harán contacto con la bolsa antes que las mordazas de sellado y la cerrarán momentáneamente para evitar burbujas y/o arrugas en el sellado.

Termo sellar la bolsa automáticamente x

El mecanismo de sellado cuenta con dos mordazas de calor permanente que al hacer contacto con la bolsa la termo-sellarán.

Despacho de Bolsa Manual o Automático. x

El despacho de la bolsa será manual y el operario será el encargado de retirarla de la máquina cuando llegue a la posición final

10

2

Tabla 5.6. Verificación de Cumplimiento de Requerimientos “Forma de Realizar las Tareas”

Requerimiento


Si No

Form

a d

e R

eal

izar

las

Tare

as

Tareas realizadas por estaciones mediante indexación

x Se utiliza un motoreductor con variador de frecuencia controlado por sensores para lograr una función de paro y arranque precisa.

Cada Tarea debe ser independiente de las demás.

x

Cada tarea (llenado y sellado) estará controlada por sensores que lean si hay o no una bolsa en la posición de llenado y sellado. Si el sensor de llenado no detecta bolsa pero el sensor de sellado sí, entonces la máquina sella pero no llena y viceversa.

Debe utilizar 1 operario x La Máquina ha sido diseñada para ser operada por una sola persona

Protección contra llenado y sellado cuando no existan bolsas presentes. x

Las estaciones de llenado y sellado cuentan con sensores para detectar la bolsa. Si los sensores no detectan bolsa, la tarea no se activa.

Debe integrar elementos y sistemas de dosificación existentes en Empakando S.A de C.V.

x

Para la tarea de llenado se utilizará un sistema de dosificación LP-3 de la empresa Empakando S.A de C.V.

10

3

Tabla 5.7. Verificación de Cumplimiento de Requerimientos “Requisitos Técnicos de Funcionamiento”

Requerimiento


Si No

Req

uis

ito

s Té

cnic

os

de

Fun

cio

nam

ien

to Tipo de empaque a llenar: Bolsas

prefabricadas tipo Doy Pack x La máquina se ha diseñado para abrir, llenar y sellar bolsas prefabricadas ipo doy pack.

Temperatura de Operación: 0-45°C x

Temperatura de Producto a Llenar: 0-90°C

Aire comprimido 80 psi máx x

120-240VAC/1/60 x

Medidas de Empaque a llenar: 3x4-8x12in x La máquina ha sido diseñada para empaques de 8in de ancho

Grado de Protección IP-66 para gabinete de control x

Construcción en acero inox 304 y materiales de grado sanitario aptos para contacto con alimentos según normas

x

La máquina ha sido diseñada para construirse en acero inoxidable y UHMW-PE, ambos cumplen con normas y grados alimenticios.

10

4

Tabla 5.8. Verificación de Cumplimiento de Requerimientos “Operacionales”

Requerimiento


Si No

Op

era

cio

nal

es

Debe ser móvil y ajustable en planta x Depende del peso y tiene que ajustarse a las salidas de aire del compresor

Fácil operación x

Control Automático y Semiautomático x Controlado mediante PLC para funcionamiento automático y semiautomático

Indexación y Control Libre de mantenimiento

x

La indexación se hará mediante un motoredutor, el cual necesita un mantenimiento regular cada cierto tiempo

Montable y Desmontable utilizando la menor cantidad de herramientas posibles x

La máquina se ha diseñado para ser ensamblada mediante pernos y tornillos tipo "allen" facilitando así el montaje y desmontaje de los componentes.

Fácilmente Lavable

x

Debido a los sensores y otros componentes electrónicos la limpieza tendrá que hacerse con cuidado, no con una manguera como se hace tradicionalmente

Con acceso a piezas en contacto con el producto x

La tolva de almacenamiento, el cilindro volumétrico, la manguera y la boquilla de llenado, todas son fácilmente desmontables y de fácil limpieza.

10

5

Tabla 5.9. Verificación de Cumplimiento de Requerimientos “Comerciales”

Requerimiento


Si No

Co

me

rcia

les

Costo de Fabricación Máximo:$8,500.00 x

El costo aproximado de fabricación de la máquina incluyendo materiales y mano de obra es de $8,353.23

Dimensiones para la micro, pequeña y mediana empresa x

Las dimensiones máximas de la mesa son 1500x1500x1200mm(Alto x Ancho x Profundidad)

Vida Útil: 10 Años x

Empakando la escoge: Es el tiempo estimado que se espera que el equipo funcione o que tenga respaldo del fabricante

Garantía: 1 Año x Empakando la escoge

Uso de Materiales de proveedores locales preferiblemente x

La mayoría de los componentes se cotizaron con proveedores locales

106

5.5 Análisis Económico.

Teniendo en cuenta los costos involucrados, podemos hacer un análisis del Costo de Ciclo

de Vida (LCC en inglés) del proceso analizado.

El Costo del Ciclo de vida es el costo total de poseer y opera una máquina o proceso,

incluyendo costos de adquisición, operación, mantenimiento, renovación y descarte a lo

largo de la vida útil del equipo. El objetivo del LCC es analizar el verdadero costo de poseer

y operar una máquina y así poder evaluar diferentes opciones, y poder escoger la más

eficaz económicamente.

Generalmente, el costo de operación y mantenimiento excede por mucho la inversión

inicial, es por ello que es una herramienta importante a la hora de evaluar opciones para

nuestros requerimientos.

Mediante una hoja en Excel y teniendo todos los costos necesarios, es posible calcular el

costo del ciclo de vida proyectado para la nueva máquina.

Para ello se necesitan ciertos índices económicos:

Tasa de descuento: Depende de cada empresa al considerar la pérdida de valor del

dinero en el tiempo. Generalmente se encuentra en el rango 10%-13%,

dependiendo del tipo de empresa.

Tasa de inflación: Depende de la situación económica del país de la empresa y las

proyecciones económicas.

Período de vida del proyecto: Puede estudiarse el tiempo de vida útil del equipo a

analizar, o bien el tiempo de duración del proyecto. En este último caso, debe

tomarse en cuenta la adquisición de nuevo equipo y gastos asociados.

Estos datos de entrada se resumen en la tabla 5.10. Datos de entrada LCC.

107

Tabla 5.10. Datos de Entrada LCC

Datos de entrada Período de vida (años) 10.00 Aproximado

Tasa de descuento anual 10.00% Tasa de descuento mensual 0.83% Tasa de Inflación anual 2.70% Producción (empaques/minuto) 10.00 Horas Operación por día 8.00 Depende de la producción

Utilidad por empaque Depende del producto

Se considerará el precio de venta de la máquina de $12,000.00. Los costos de operación y

mantenimiento se detallan en el Anexo B. Memoria de Cálculos. Con estos datos, es

posible obtener el valor de LCC de la nueva maquinaria, que se muestra en la tabla 5.11

Costo de Ciclo de Vida.

Tabla 5.11. Costo de Ciclo de Vida

Costo del ciclo de Vida

Valor Actual neto

Inversión Inicial ($) $12,000.00 $12,000.00

Costos de operación ($/mes) $345.85 $26,170.87

Costos de mantenimiento ($/año) $70.00 $430.12

Valor de Recuperación $2,000.00 $1,241.84

LCC $37,359.15

El costo del ciclo de vida para los parámetros analizados es de $37,359.15. Para obtener

la tasa y período de retorno de la inversión es necesario analizar cada aplicación del

cliente.

Cada caso puede variar, dependiendo de salarios de operarios, costos de limpieza o

mantenimiento en cada planta, etc.

109

CAPITULO 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

6.1 Conclusiones

A pesar de que el diseño de una nueva máquina queda a criterio del diseñador(es),

la lista de requerimientos siempre es importante para que el diseñador pueda

comenzar su trabajo. Esta lista de requerimientos es importante en cualquier

proyecto de diseño para que la persona encargada del diseño pueda poner en

marcha su creatividad sin desviarse del objetivo final y al mismo tiempo hacer

servir de guía.

Todo proceso de diseño debe contar con una investigación profunda de las

distintas opciones para realizar cada una de las tareas y las distintas opciones de

combinación.

Las matrices de decisión son una herramienta útil para evaluar y escoger escoger

variantes o componentes en un proyecto de diseño. Dichas matrices deben de

hacerse de forma consciente, coherente e imparcial, ya que el éxito de la máquina

depende mucho de la correcta evaluación de ellas.

Todo diseñador debe contar con las herramientas necesarias para poder realizar

un trabajo que ofrezca garantías. En este caso, el software Autodesk Inventor

resultó ser de gran ayuda para la validación de piezas mediante análisis asistido

por computadora y para ir visualizando el modelo de la máquina en tres

dimensiones.

110

Toda máquina o proyecto final debe contar con un análisis económico para poder

evaluar si es rentable o no.

6.2 Recomendaciones

Cada vez que se tenga que escoger entre dos o más variantes o componentes para

realizar la misma tarea, realizar una matriz de decisión técnica y económica para

poder encontrar un balance entre estos dos aspectos y así poder determinar cuál

es la mejor opción.

Debido al alto precio de la materia prima, se recomienda que se evalúen nuevas

opciones de proveedores de los materiales de construcción utilizados en el diseño

de esta máquina.

Si se decide sustituir los materiales seleccionados, se revise que estos cumplen

con al menos una de las normas alimenticias aceptadas a nivel internacional, o la

norma que el cliente debe cumplir.

Se recomienda tener presente o a la mano los diferentes materiales y

presentaciones de estos que se pueden conseguir en el mercado. Esta

recomendación se hace para evitar que las dimensiones asignadas a cada parte

sean inconsistentes con el material disponible.

Par los proyectos de diseño, se recomienda tener a la mano las diferentes

herramientas que se pueden utilizar para la fabricación de cada una de las piezas.

No sirve de nada tener una pieza con un diseño llamativo, si no se cuenta con las

herramientas adecuadas para la fabricación de ésta.

111

GLOSARIO

Boquilla Antigoteo: boquilla que evita que producto se derrame después del llenado y el

empaque y la máquina y empaque se ensucie.

Dosificar: se define como la acción de graduar la cantidad o porción de producto y

transmitirlo desde el recipiente de almacenamiento (tolva, tanque) hasta la estación de

llenado utilizando un sistema de dosificación LP-3 de la empresa Empakando S.A. de C.V.

Doy Pack: bolsas prefabricadas con la capacidad de detenerse erguidas por si solas.

Empakando S.A. de C.V.: Empresa dedicada a la fabricación y venta de maquinaria de

empaque.

Frecuencia Natural: La frecuencia natural es la frecuencia a la que un sistema mecánico

seguirá vibrando, después que se quita la señal de excitación.

Grado sanitario: especificación de fabricación donde los acabados (soldaduras, juntas,

maquinados, etc.) y materiales sean adecuados para el contacto directo con el alimento o

empaque que lo contenga, según normas alimenticias para la aplicación.

Gripper Neumático: pinza neumática paralela de movimiento de cierre lineal

Indexar: se define como el paro y arranque de un dispositivo de manera precisa y

repetitiva por estaciones.

Llenar: proceso del depósito del producto dentro del empaque.

Llenadora de Pistón: mecanismo de dosificación que utiliza la acción de un pistón dentro

de un cilindro para determinar el volumen de producto de cada dosis.

Moto-reductor: mecanismo de reducción de velocidad mediante la combinación de

engranajes.

Polietileno de Ultra Alto Peso Molecular: material plástico utilizado generalmente en

maquinaria de empaque. Esta aprobado por la FDA para el contacto con alimentos. Es fácil

112

de maquinar, ligero, posee bajo coeficiente de fricción, es químicamente inerte (no

produce malos olores ni se descompone), auto lubricante y fácil de limpiar con agua tibia

o sustancias jabonosas.

Resonancia: cuando la frecuencia de la fuente emisora de ondas coincide con la

frecuencia natural del resonador (objeto que oscila) se llega a una condición conocida

como resonancia. La resonancia se define como la tendencia de un sistema físico a oscilar

con una amplitud mayor en algunas frecuencias. En condición de resonancia,

una fuerza de magnitud pequeña aplicada por el emisor puede lograr grandes amplitudes

de oscilación en el sistema resonador, creando con ello perturbaciones marcadas en el

sistema resonador.

Termosellar: acción de cerrar las bolsas mediante un proceso térmico durante el cual la

bolsa se derrite parcialmente.

Sellado por calor permanente: proceso de sellado en donde las piezas de calentamiento

se encuentran a temperatura constante.

Válvula Check: válvula anti-retorno utilizada en algunos sistemas de dosificación.

Válvula de bola 3 vías (3/2): mecanismo que sirve para regular el flujo de un fluido

canalizado y se caracteriza porque el mecanismo regulador situado en el interior tiene

forma de esfera perforada.

Variador de Frecuencia: dispositivo electrónico con el cual se puede modificar la

frecuencia eléctrica de trabajo de un componente eléctrico.

http://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia

http://es.wikipedia.org/wiki/Resonador

http://es.wikipedia.org/wiki/Resonancia

http://es.wikipedia.org/wiki/Resonancia

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza

http://es.wikipedia.org/wiki/Oscilaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Esfera

113

BIBLIOGRAFÍA

Norton, R. L., [2004] Design of Machinery: An Introduction to the Synthesis and

Analysis of Mechanisms and Machines, McGraw-Hill Inc., 858 pp., New York.

Shigley, J.E., Budynas, R.G., Nisbett, J.K., [2004] Mechanical Engineering Design,

McGraw-Hill Inc., 1104 pp., New York.

Jensen, C., Helsel, J.D., Short, D.R., [2005] Dibujo y Diseño en Ingeniería, McGraw-

Hill Inc., 870 pp., México D.F.

Industrial Motion Control, LLC.,http://www.camcoindex.com/Catalogs/Camco-NA-

A-Engineering_051408.pdf, marzo 2011.

SITIOS WEB

Wikipedia,http://en.wikipedia.org/wiki/UHMWPE, marzo 2011

http://www.mefsimulacion.com/pdf/AlibreSpanish/infotech/Sheetmetal%20Para

meters.PDF.

MIDSA S.A. de C.V.,http://www.midsa.com.mx/prod_uhmw.php, julio 2011.

http://www.midsa.com.mx/UHMW_Polietileno_de_Ultra_Alto_Peso_Molecular.p

df, julio 2011.

http://www.midsa.com.mx/tablas/prop_uhmw-pe.htm, julio 2011.

http://www.designofmachinery.com/DOM/

http://www.designofmachinery.com/DOM/

http://www.camcoindex.com/Catalogs/Camco-NA-A-Engineering_051408.pdf

http://www.camcoindex.com/Catalogs/Camco-NA-A-Engineering_051408.pdf

http://en.wikipedia.org/wiki/UHMWPE

http://www.mefsimulacion.com/pdf/AlibreSpanish/infotech/Sheetmetal%20Parameters.PDF

http://www.mefsimulacion.com/pdf/AlibreSpanish/infotech/Sheetmetal%20Parameters.PDF

http://www.midsa.com.mx/prod_uhmw.php

http://www.midsa.com.mx/UHMW_Polietileno_de_Ultra_Alto_Peso_Molecular.pdf

http://www.midsa.com.mx/UHMW_Polietileno_de_Ultra_Alto_Peso_Molecular.pdf

http://www.midsa.com.mx/tablas/prop_uhmw-pe.htm

114

http://www.worldstainless.org/NR/rdonlyres/9BF7E850-7425-4E82-B687-

765F33EBF63C/4733/ISSFNew200seriessteelsAnopportunityorathreattothei.pdf,

julio 2011.

http://nsf.org/business/newsroom/pdf/FoodEquipCert_spanish.pdf, marzo 2011.

http://www.tss.trelleborg.com/com/www/media/documents/pdf/Food-

Pharma_Approvals-and-Standards_es_1.pdf, abril 2011.

http://www.worldstainless.org/ISSF/files/issf%20commercial%20food%20equipme

nt%20the%20ferritic%20solution.pdf, abril 2011.

http://www.redwoodplastics.com/brochures/UHMW.pdf, julio 2011.

http://www.worldstainless.org/NR/rdonlyres/9BF7E850-7425-4E82-B687-765F33EBF63C/4733/ISSFNew200seriessteelsAnopportunityorathreattothei.pdf

http://www.worldstainless.org/NR/rdonlyres/9BF7E850-7425-4E82-B687-765F33EBF63C/4733/ISSFNew200seriessteelsAnopportunityorathreattothei.pdf

http://nsf.org/business/newsroom/pdf/FoodEquipCert_spanish.pdf

http://www.tss.trelleborg.com/com/www/media/documents/pdf/Food-Pharma_Approvals-and-Standards_es_1.pdf

http://www.tss.trelleborg.com/com/www/media/documents/pdf/Food-Pharma_Approvals-and-Standards_es_1.pdf

http://www.worldstainless.org/ISSF/files/issf%20commercial%20food%20equipment%20the%20ferritic%20solution.pdf

http://www.worldstainless.org/ISSF/files/issf%20commercial%20food%20equipment%20the%20ferritic%20solution.pdf

http://www.redwoodplastics.com/brochures/UHMW.pdf

ANEXOS

ANEXO A

LISTA DE REQUERIMIENTOS DE DISEÑO

A-1

ANEXO A. LISTA DE REQUERIMIENTOS DE DISEÑO

La lista de Requerimientos de diseño fue proporcionada por la empresa Empakando S.A.

de C.V. En reuniones sostenidas con el ing. Nick Bienz de la empresa, se discutieron y

analizaron dicho requerimientos.

Lista de Requerimientos.

Funcionales

1.1 Tareas a Realizar

Apertura del empaque manual, utilizando aire comprimido.

Presentación del empaque manual.

Llenado automático, con dos opciones : a) Para llenar fluidos viscosos con o sin partículas b) Para llenar productos secos y granulados

Cerrar la bolsa automáticamente, para que esté lista para sellar

Termo Sellar la bolsa automáticamente, según el sello adecuado al material de la bolsa.

Despacho de bolsa manual o automático. 1. 2 Forma de Realizar las Tareas

Tareas Realizadas por estaciones, mediante indexación.

Utilizar el número de estaciones necesarias para cumplir las tareas.

Cada tarea debe ser independiente de las demás.

Debe utilizar 1 operario.

Protección contra llenado y sellado cuando no existan bolsas presentes.

Debe integrar elementos y sistemas de dosificación existentes en Empakando S.A. de C.V. 1.3 Requisitos Técnicos de Funcionamiento

Tipo de empaque a llenar: Bolsas Prefabricadas tipo Doy pack

Temperatura de Operación: 0-45°C

Temperatura del Producto a llenar: 0-90°C (dependiendo del punto de congelación y ebullición del producto)

Energía: a) Aire Comprimido, 80 psi máx. b) Eléctrica, 115-220 VAC Monofásico. 60 Hz.

Dimensiones ajustadas a instalaciones pequeñas (mediana y pequeña empresa).

Partes de Control y funcionamiento (ya sea neumático o eléctrico) de fácil intercambio y reemplazo (deben ser del mismo sistema y norma en la medida de lo posible).

A-2

Medidas de empaques a llenar:

Grado de Protección IP-66 para gabinete de control

Construcción en acero inoxidable 304 y materiales grado sanitario, aptos para el contacto con alimentos según las normas respectivas (FDA, etc.)

Operacionales

Debe ser móvil y ajustable en planta.

Operación

Diseñar pensando en el operador, para personal con poca calificación.

Ergonómica y pensada en la seguridad del personal

Control automático o semiautomático (posibilidad de controlarlo de las dos formas).

Instalación y Operación sencillo y de fácil entendimiento, a manera de construir un manual que guíe al cliente solo.

Indexación y control libre de mantenimiento.

Desmontable sin herramientas (o utilizando las menos y más sencillas posibles).

Debe ser fácilmente lavable, con acceso a piezas en contacto con el producto que deben ser cambiadas o limpiadas.

Comerciales

Costo de Fabricación: Máximo $8,500.00 (debe ser lo más económico posible).

Sus dimensiones deben ajustarse a los espacios en la micro, pequeña y mediana empresa.

Vida útil: 10 años aproximadamente

Garantía: 1 año

Uso de Materiales de proveedores locales preferiblemente.

Facilitar la Fabricación de piezas para la demanda esperada por la empresa.

ANEXO B

MEMORIA DE CÁLCULOS

B-1

ANEXO B. MEMORIA DE CÁLCULOS.

En este anexo se presentan los cálculos y análisis utilizados para la selección de algunos de

los componentes durante el proceso del diseño de la máquina.

En más detalle, los cálculos, análisis y pruebas que se realizaron fueron los siguientes:

Cálculos para el dimensionamiento del moto-reductor

Análisis de esfuerzo estático (ubicación del esfuerzo de Von Mises, deflexión

Máxima y obtención del factor de seguridad) de algunos componentes

Ubicación del Centro de Gravedad de toda la máquina.

Cálculos para determinar el rendimiento teórico de la máquina en bolsas por

minuto (bpm).

Pruebas del sistema de control del moto-reductor.

B.1 Cálculos para el dimensionamiento Moto-reductor

Para el dimensionamiento del moto-reductor, se siguieron los pasos de la guía Engineering

A de Industrial Motion Control, L.L.C.

Para el cálculo del dimensionamiento del motoreductor se asumió que el plato

transportador es un disco de 1/2in de espesor y no se tomó en cuenta la reducción de

masa debido a las estaciones. Esto se compensa con la masa de las bases para las bolsas.

Se asumió también que la bolsa más grande que se va a llenar es de 2.3kg y con esta masa

se dimensionó el motoreductor.

Datos Conocidos:

Densidad del UHMW-PE: ρ=960kg/m3

Diámetro del Plato Transportador: D=812mm=0.812m

Espesor: e=1/2 in=0.0127m

Radio al centro de las bases para las bolsas: 370mm=0.37m

Con los datos anteriores se calcula la masa del plato:

B-2

Cálculo de Inercia Máxima a vencer

Inercia del Plato Transportador

Inercia de las Estaciones

S=Número de Estaciones

We=Masa de cada estación

Re=Radio hasta el centro de la estación o la base de las bolsas

Inercia Total Máxima

Torque Necesario

Para calcular el torque se asumió una aceleración promedio durante el traslado de 60

grados que hace el plato para llevar las bolsas de estación a estación.

Se asumió también que el plato se movería 60 grados en 0.2 segundos.

B-3

RPM de salida

Como punto de partida para calcular las rpm de salida del motoreductor, de tomó el

tiempo que debe tardar la máquina en trasladarse de estación a estación. Se tomo como

tiempo de indexación 2 segundos para rotar 60°, o lo que es igual, 1/3 de revolución por

segundo. Convirtiendo esto, se obtiene que:

Por lo tanto se buscó el motoreductor con rpm de salida más cercano a 20 rpm. Del

catálogo, el radio de reducción de 80 con 1725 rpm de entrada genera 21.88 rpm de

salida, que es el valor más cercano posible.

Las rpm de salida, aceleración y desaceleración de la rotación se controlarán con un

variador de frecuencia, pero elegir el motoreductor con las rpm adecuadas permitirá que

el equipo trabaje más cerca de sus parámetros naturales, evitando sobrecalentamiento

por trabajar a una frecuencia muy diferente a la de la red.

Potencia del motor en HP

Para calcular la potencia del motor del motoreductor se necesita conocer la velocidad de

salida del eje. Debido al rendimiento calculado, se determino que la velocidad de salida

tendría que ser de 20 rpm, de este modo la potencia del motor se calcula con la siguiente

ecuación:

Utilizando un factor de seguridad de 2, la potencia necesaria queda de 0.18HP, por lo

tanto se escogió un motor de 1/4hp.

Selección del Motoreductor

Sabiendo los requerimientos que el motoreductor debe cumplir, se configuró el modelo

más apropiado para nuestra aplicación.

B-4

1. Con 21.88 rpm y ¼ de hp de potencia, se busca en la tabla de rango de productos

del catálogo el tamaño de caja reductora apropiado, siendo la apropiada una caja

1430-YC

2. Se selecciono la clase AGMA del motoreductor. Por ser una aplicación en

maquinaria de alimentos y bebidas, sometida a constantes paros y arranques, un

motoreductor clase AGMA III es el elegido.

3. El eje debe ser hueco, para poder ensamblar el eje diseñado.

4. El motor eléctrico debe ser trifásico.

5. Sin montaje ni ensamble adicionales.

Tomando en cuenta lo anterior, el modelo seleccionado es un motoreductor marca

Sumitomo Hyponic RNYM02-1430YC-80.

B.2 Análisis de Esfuerzo Estático (ubicación del esfuerzo von Mises, Desplazamiento

Máximo y Factor de Seguridad) de Componentes Críticos

Los análisis de Esfuerzo Estático se realizaron con la opción de Stress Analysis de

Audodesk Inventor.

Para realizar este tipo de análisis, se deben establecer ciertas condiciones y valores; como

la carga y su punto de ubicación, el material de la pieza, las restricciones (si está fijo, si

está sujeta a un pin).

Se acordó que el diseño de la pieza se aprobaba, si el factor de seguridad en la ubicación

del esfuerzo máximo era mayor a 2.

Tubos de Soporte del Motoreductor

En el análisis estático de los tubos de soporte del motoreductor, se asumió que toda la

cargar producida por el peso del motoreductor de divide equitativamente en cada uno de

los dos soportes.

B-5

Para el análisis se fijaron ambos extremos de cada uno de los tubos de tal manera que

quedaran como vigas empotradas. La carga se ubicó en el centro de los tubos.

Según el catalogo del fabricante, el motoreductor tiene una masa de 38lb (17.27kg)

Por lo tanto la fuerza aplicada en cada soporte es 84.71N.

Las Figura B.1. Tubos de Soporte Motoreductor “von Mises”, muestra el resultado de la

simulación y la ubicación del esfuerzo máximo.

Como se puede observar en la figura, la carga del motoreductor no genera esfuerzos

significativos en el pedestal. Esto se puede verificar mejor con la imagen B.2. Tubos de

Soporte Motoreductor “Factor de Seguridad” donde se observa que el factor de seguridad

a lo largo de los tubos y en los soportes o zona de fijación es 15.

En cuanto al desplazamiento generado por el motoreductor en los tubos de soporte, se

puede apreciar en la figura B.3. Tubos de Soporte Motoreductor “Desplazamiento”, que el

desplazamiento máximo se da en el lugar donde se aplica la fuerza y es 0.0298mm.

Figura B.1. Tubos de Soporte Motoreductor “von Mises”

B-6

Figura B.2. Tubos de Soporte Motoreductor “Factor de Seguridad”

Figura B.3. Tubos de Soporte Motoreductor “Desplazamiento”

B-7

Tubos de Soporte de la Tolva

Para el Análisis de esfuerzo estático de los tubos de soporte de la tolva se partió del

hecho que la tolva tiene una capacidad de 14 galones (0.053m3) y que la densidad de los

productos a empacar será siempre menor o igual a 1500kg/m3, por lo tanto la masa

máxima que puede contener la tolva es:

Se asumió que la magnitud total de la carga de la tolva se divide equitativamente entre el

número de tubos de soporte. Es decir:

Para el análisis se tomaron ambos tubos como vigas en voladizo.

En la figura B.4. Tubos de Soporte de Tolva “von Mises”, se observa la ubicación del

esfuerzo de von Mises. Como se puede observar en la figura, el valor máximo del esfuerzo

se da en el punto de las uniones pero esté no pasa de los 8MPa. La figura B.6. Tubos de

Soporte de Tolva “Factor de Seguridad”, muestra que el factor de seguridad en los puntos

donde el esfuerzo von Mises es máximo es aproximadamente 15. Con este resultado se da

como aprobado el soporte para la tolva.

Otro resultado que dio este análisis es el desplazamiento que sufren los tubos debido a la

fuerza que genera la tolva. Como se puede observar en la figura B.5. Tubos de Soporte de

Tolva “Desplazamiento”, la deflexión máxima es de 0.263mm y se da en el lugar donde

descansa la tolva.

B-8

Figura B.4. Tubos de Soporte de Tolva “von Mises”

Figura B.5. Tubos de Soporte de Tolva “Desplazamiento”

B-9

Figura B.6. Tubos de Soporte de Tolva “Factor de Seguridad”

Base para bolsas

La figuras B.7. Base para Bolsas (von Mises), B.8. Base Bolsas (Desplazamiento) y B.9. Base

Bolsas (Factor de seguridad), muestran la ubicación del esfuerzo de von Mises en la base

de las placas, el desplazamiento máximo que sufre la placa y el factor de seguridad. Los

valores establecidos para esta simulación fueron:

Carga en Newton igual al peso de las bolsas mas grandes (5lb=2.27kg) x la

aceleración de la gravedad= 22.3N.

La carga se coloco sobre la cara donde se colocarán las bolsas.

El material de la pieza es Acero Inoxidable

Se asumió que las bases estarían actuando como bigas en voladizo y se fijó en

los cuatro agujeros de los pernos.

Para calcular el factor de seguridad, inventor utiliza como límite el esfuerzo al

cual el material entra en fluencia.

B-10

La figura B.7. Base Bolsas (von Mises), muestra la ubicación del esfuerzo de von Mises en

cual tiene un valor máximo de 50.78MPa, en la figura B.9. Base Bolsas (Factor de

Seguridad), se puede observar que en los puntos donde el factor mínimo de seguridad es

de 4.92 y está ubicado en el mismo punto donde el esfuerzo de von Mises es máximo, por

lo tanto, el diseño de la base de las bolsas se aprueba.

La figura B.8. Base Bolsas (Desplazamiento), muestra la ubicación de la deflexión máxima.

Esta se da en el extremo inferior izquierdo y es de 0.257mm.

Figura B.7. Base para Bolsas “Von Mises”

Figura B.8. Bases para bolsas “Desplazamiento”

B-11

Figura B.9. Base Bolsas “Factor de Seguridad”

Frecuencia Natural

Otro análisis que se realizo usando la herramienta de diseño Autodesk Inventor es la del

cálculo de la frecuencia natural del pedestal. Este análisis se realizo únicamente al

pedestal, ya que es la parte más peso de la máquina.

Con este análisis se puede obtener las frecuencias a las cuales el pedestal podría entrar en

resonancia y verificar si están cerca de las frecuencias generadas por el motor y por la caja

de reducción, los cuales giran a 1725rpm y 21.88rpm respectivamente.

Se convirtieron las revoluciones por minuto de entrada del motor y salida de la caja de

reducción a frecuencia en Herz.

Los resultados fueron:

1725 rpm equivalen 28.75Hz

21.88 rpm equivalen 0.36Hz

La figura B.10 Análisis de Frecuencia Natural Pedestal, muestra las distintas frecuencias

según la dirección del movimiento.

B-12

Como se puede observar en la figura, las frecuencias del pedestal son distintas a las

frecuencias generadas por el motoreductor, por lo tanto, el pedestal no entrará en

resonancia.

Figura B.10. Análisis de Frecuencia Natural Pedestal

B.3 Rendimiento Teórico de la Máquina

En funcionamiento continuo, se debe calcular el rendimiento en bolsas por minuto (bpm)

de la máquina. Este rendimiento dependerá del volumen a dosificar en cada empaque. Se

tomará la capacidad máxima del sistema de dosificación LP-3 estándar de Empakando

como referencia para evaluar las dosificaciones por minuto.

Un sistema LP-3 trabajando a su máxima capacidad es capaz de realizar 15 dosificaciones

por minuto, dependiendo del producto. Esto significa que realiza un ciclo de llenado cada

4 segundos, 2 segundos en la carga y 2 segundos en la descarga. El tiempo de indexación

B-13

entre estación es de 2 segundos, por lo que el cilindro se cargará mientras el empaque

llega.

Por lo tanto, el tiempo para que una bolsa salga será el siguiente:

Cuando el sensor detecte la bolsa, la boquilla de llenado bajará. Esto tomará 1

segundo.

Con la boquilla en posición, el producto se descargará. Esto tomará 2 segundos.}

La boquilla sale del empaque y la máquina transporta el empaque a otra estación.

Esto toma 2 segundos.

En total, una bolsa estará lista cada 5 segundos, lo que es equivalente a un rendimiento de

12 bolsas por minuto.

B.4 Pruebas de Indexación con Motoreductor.

Para verificar que la Indexación era posible utilizando un motoreductor, un sensor de

posición y un variador de frecuencia, se hizo una prueba para determinar si estor era

posible, además de determinar si tenía la precisión necesaria.

Figura B.11.Prueba de Indexación

B-14

Las pruebas demostraron que el control de la indexación era posible, y que tenía una

precisión de ±2mm, suficiente para la aplicación requerida, ya que el margen de error en

el llenado y sellado es de ±4mm.

B.5 Centro de gravedad de la máquina.

El centro de gravedad determina la estabilidad de la máquina. Para conocer el centro de

gravedad aproximado del diseño, se utilizo la herramienta “Centro de Gravedad” del

software Autodesk Inventor 2011 Student Version. Se determino que el centro de

gravedad de la máquina brinda la suficiente estabilidad.

Figura B.12.Centro de Gravedad plano X-Z

B-15

Figura B.13.Centro de Gravedad plano Z-Y

Figura B.14.Centro de Gravedad plano X-Y

ANEXO C

PLANOS CONSTRUCTIVOS DE LA MÁQUINA.

C-1

ANEXO C. PLANOS CONSTRUCTIVOS DE LA MÁQUINA.

A continuación se presentan los planos para la fabricación del modelo de máquina

empacadora desarrollado. Hay ciertas consideraciones que se han tomado:

Únicamente se detallan partes o ensambles diseñados en el presente trabajo de

graduación. Piezas ya fabricadas por la empresa Empakando S.A. de C.V. no se han

detallado debido a los derechos de propiedad intelectual de la empresa.

Todos los planos son norma ISO, por lo que las medidas son milímetros a menos

que se especifíque lo contrario.

Variaciones en los estándares de la norma en algunos planos se han hecho debido

a la mejor comprensión para la fabricación, experiencia que la empresa ha

transmitido al grupo de trabajo.

Los planos están pensados para la fácil comprensión y maquinado en talleres

locales.

Se anexa la hoja de reuniones con la empresa Empakando S.A. de C.V. donde se le

ha dado seguimiento al proceso de diseño, y por ende, al fruto final de este Anexo

C. Planos Constructivos de la Máquina.

La forma de presentar este Anexo C: Planos Constructivos de la Máquina, será en formato

digital en CD, y un juego de planos impresos.