diseÑo, simulaciÓn y desarrollo del sistema de …
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TESIS
DISEÑO, SIMULACIÓN Y DESARROLLO DEL
SISTEMA DE CONTROL ELECTROMECÁNICO
AUTOMATIZADO JMJLUC- AVAT- 01 DE UNA
MÁQUINA DE TERMOFORMADO PARA LA
PEQUEÑA Y MEDIANA EMPRESA
PARA OBTENER EL TITULO DE
INGENIERO MECÁNICO
PRESENTA
JUÁREZ LÓPEZ JOSE MANUEL
ASESORES:
M. en C. Carman Avendaño Samuel
Ing. Alejandro López Torrecillas
MÉXICO D.F. 2015
2
3
Para saber que sabemos lo que sabemos, y saber que
no sabemos lo que no sabemos, hay que tener cierto
conocimiento.
Nicolás Copérnico
No creo que haya alguna emoción más intensa para un inventor
que ver alguna de sus creaciones funcionando. Esa emoción
hace que uno se olvide de comer, de dormir, de todo.
Nikola Tesla
Todos podemos hacer algo, no importa el sitio que en la
escala social estemos ocupando; siempre comprendamos que
la obra que emprendemos es fecunda y realmente necesaria
para apoyar una iniciativa benigna para la patria.
Miguel Bernard Perales
4
A mis amigos y camaradas que me apoyaron en este
Proyecto sobre encima de las dificultades que tuvimos
para realizarlo. Así como al grupo estudiantil de
Energías Verdes Aplicadas (EVA).
A mi bonita, por su cariño, afecto, compañía
y amor incondicional para sobrepasar los problemas
que se presentan y se presentaran en el camino
Agradecimientos A mis padres que aun en sus últimos momentos se encargaron de
darme un lugar en donde me pudiera desarrollar como persona de
la mejor manera y llegar a tener una profesión.
Verónica López Torrecillas
Alfonso Juarez Hernández A los nuevos padres y madres que tuve a los 5
años de edad, que pese a todo me enseñaron los
diferentes senderos que tiene la vida y como elegir
el mejor para mi, y a como nunca decir no puedo.
A mi abuelita materna, con orgullo para ti este tributo, y es
que tú supiste ser una madre para mí y te encargaste
hasta el último momento de que yo sea alguien en la vida
otorgándome el camino para ser un Ingeniero.
Teresa Torrecillas Medina
Al Instituto Politécnico Nacional por crear dos grandes
escuelas de las cuales soy un orgulloso egresado.
CECyT 2 Miguel Bernard Perales
ESIME Culhuacan
A los profesores M. en C. Samuel Carman, Ing. Alejandro
López Torrecillas, que me apoyaron y aconsejaron
incondicionalmente, durante mi educación superior.
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CONTENIDO
Introducción ......................................................................................................................1
Planteamiento del Problema .............................................................................................2
Objetivo General ...............................................................................................................3
Objetivos Específicos .........................................................................................................3
Justificación ......................................................................................................................4
CAPÍTULO 1. DIAGNÓSTICO ......................................................................................5
Sectores solicitantes de productos de Termoformado. ............................................................5
Aplicaciones industriales..........................................................................................................5
Industria del empaque ......................................................................................................................... 5
Industria médica .................................................................................................................................. 7
Agricultura y horticultura .................................................................................................................... 8
Transporte ........................................................................................................................................... 8
Señalización y anuncios ...................................................................................................................... 9
Construcción y vivienda .................................................................................................................... 10
Polímeros aptos para el Termoformado ................................................................................ 11
Ejemplos de moldes de Termoformado ................................................................................. 12
Termoformadoras en el mercado Nacional ........................................................................... 14
CAPÍTULO 2. MARCO REFERENCIAL ..................................................................... 16
Máquina de termoformado .................................................................................................... 16
Blíster ............................................................................................................................................... 16
Skin pack .......................................................................................................................................... 16
Propiedades térmicas de los polímeros .................................................................................. 17
Lámina polimérica ............................................................................................................................ 18
Caldeo de polímeros .......................................................................................................................... 18
La Radiación en el termoformado ...................................................................................................... 18
Automatización ...................................................................................................................... 19
Automatización fija ........................................................................................................................... 19
Automatización programable ............................................................................................................. 19
Automatización flexible .................................................................................................................... 20
6
Sistema de control y fuerza de un sistema automatizado ...................................................... 20
Elementos de señal ............................................................................................................................ 21
Elementos de control ......................................................................................................................... 21
Elementos de mando ......................................................................................................................... 22
Elementos de fuerza .......................................................................................................................... 22
Diagrama eléctrico ............................................................................................................................ 22
Diagrama de fuerza ........................................................................................................................... 23
Diagrama espacio-fase ...................................................................................................................... 23
CAPÍTULO 3. DISEÑO, SIMULACIÓN Y DESARROLLO DEL SISTEMA
ELECTROMECÁNICO AUTOMATIZADO JMJLUC-AVAT-01 .................................. 24
Movimientos de una máquina de termoformado de una sola área de trabajo ..................... 24
Diagrama espacio fase de una máquina de termoformado de una sola área de trabajo ...... 25
Diagrama de control electromecánico automatizado JMJLUC-AVAT-01 .......................... 27
Diagrama de fuerza del sistema electromecánico automatizado JMJLUC-AVAT-01 ......... 29
Subsistema de bloque maestro ............................................................................................... 31
Simulación y funcionamiento ................................................................................................. 33
Protección ............................................................................................................................... 39
Costo de material ................................................................................................................... 40
CAPÍTULO 4. DISEÑO, SIMULACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE LA MÁQUINA DE
TERMOFORMADO ....................................................................................................... 42
Plan de trabajo ....................................................................................................................... 43
Diseño de la estructura........................................................................................................... 43
Sistema neumático.................................................................................................................. 46
Red neumática .................................................................................................................................. 46
Compresor ........................................................................................................................................ 46
Tratamiento del aire .......................................................................................................................... 47
Consumo de cada pistón neumático ................................................................................................... 48
Bomba de vacío ................................................................................................................................ 49
Desarrollo del banco de resistencias ...................................................................................... 53
Análisis térmico de las resistencias eléctricas ..................................................................................... 53
Circuito de conexión de las resistencias ............................................................................................. 57
7
Adaptación del sistema JMJLUC-AVAT-01 en la máquina de termoformado de doble área
................................................................................................................................................ 58
Diagrama de fuerza de la máquina de termoformado de doble área ..................................................... 60
Diagrama de control del sistema JMJLUC-AVAT-01 en la máquina de termoformado de doble área .. 60
Planos del diseño del prototipo .............................................................................................. 64
Presupuesto de Implementación ............................................................................................ 70
Construcción del prototipo .................................................................................................... 74
Conclusiones ................................................................................................................... 82
ANEXOS ......................................................................................................................... 84
Anexo 1 ................................................................................................................................... 85
Anexo 2 ................................................................................................................................... 86
Bibliografía ..................................................................................................................... 87
1
Introducción
A principios del siglo XX se empezaron a conocer y utilizar algunas técnicas del formado
de láminas, con materiales de aleaciones de metales, otras de vidrio y fibras naturales.
Pero con la alta demanda del incremento de la población y las nuevas necesidades que
se presentaron con el pasar del tiempo, se comenzó a buscar otras alternativas para
reducir costos y satisfacer la demanda.
El Termoformado o termoconformado es un proceso que consiste en precalentar una
lámina polimérica perdiendo su estado de rigidez hasta ser lo bastante maleable y
posteriormente colocarla sobre un molde de tal manera de que la lámina adopte la forma
del mismo mientras se enfría, recuperando su rigidez pero ahora con la forma deseada.
Los inicios del termoformado se dieron con el desarrollo de los termoplásticos, lo cual fue
durante la segunda Guerra Mundial en la producción de cabinas para los aviones. Los
años de postguerra trajeron los grandes volúmenes de comercialización y el rápido
desarrollo de equipos y maquinaria capaces de adaptarse a métodos modernos de
manufactura.
Las maquinarias termoformadoras han sido significativamente sofisticadas produciendo,
diseños de alta velocidad, productivos y con controles cada vez más complejos.
Al inicio de los años 60's se cimentan las bases del futuro desarrollando la industria del
termoformado. En los 70's, los grandes consumidores y la competencia entre productos,
demandaron máquinas de alta velocidad y productividad. Los productores de equipo
satisficieron tales necesidades con máquinas capaces de producir cerca de cien mil
contenedores individuales de lámina polimérica termoformada por hora lo que condujo a
la necesidad de sofisticar los controles para incrementar la producción. Desde la década
de los 80's hasta la fecha, la maquinaria de termofomado ha ganado tal confianza en su
proceso, que han ido más allá de sus expectativas, estableciendo líneas continuas
capaces de producir artículos terminados termoformados a partir ya no de lámina, sino
del pellet de resina; además de reciclar su desperdicio con un mínimo de control. Los
equipos se han computarizado y hoy en día permiten un automonitoreo y funciones de
diagnóstico. Actualmente, los equipos sofisticados no requieren más de una persona para
su manejo y control gracias a la electrónica, pero tienen un costo elevado para las
empresas.
2
Planteamiento del Problema
Existe una gran demanda para productos termoformados lo que crea una opción para
creación de pequeñas y medianas empresas que se dediquen a este giro, pero se
presenta el problema de que muchas maquinas son costosas dentro del mercado nacional
en comparación con las que se encuentran en el extranjero. Además de que las
refacciones de las maquinas extranjeras no se encuentran en el mercado nacional, por lo
que se tienen que mandar pedir al país de origen de dicha máquina.
Otro problema más, que presentan las maquinas en el mercado nacional y extranjero, es
que mientras más complejo sea el grado de control electromecánico de la máquina, se
tiene que solicitar un técnico especializado que le de los diferentes tipos de
mantenimiento, ya sea preventivo, predictivo o correctivo.
En la actualidad existe en el país la problemática de compra de maquinaria barata de
segunda mano que no cuenta con la seguridad que una máquina nueva, puesto que
contiene partes de otras máquinas en pésimas condiciones y que además son modelos
muy viejos, lo que la hace insegura tanto para la misma maquina como para el operador.
Por esta razón en este trabajo se presenta una solución como alternativa para la
automatización de diversas máquinas de termoformado, un sistema electromecánico
universal y estandarizado a gran parte de equipo de este tipo, con la menor cantidad de
componentes electromecánicos, y construido con elementos del mercado nacional. El
diseño propuesto además destaca por sus características de ahorro de energía e
innovador, por ser un reto para el mercado de la industria del termoformado.
3
Objetivo General
Diseñar y construir un control electromecánico automatizado para una máquina de
Termoformado que permita facilitar e incrementar el proceso de producción en pequeñas
y medianas empresas, teniendo especial cuidado en la reducción de tamaño de la
maquinaria, de los tiempos y movimientos que se deban realizar en esta unidad de
trabajo, además de incrementar la seguridad con la aplicación de elementos eléctricos y
electrónicos que incrementen la eficiencia del equipo, a un precio accesible.
Objetivos Específicos
Documentar el funcionamiento de las máquinas de termoformado más
convencionales en el país.
Indagar sobre las características de los materiales aptos para el proceso de
termoformado.
Investigar en que sectores se necesitan productos de termoformado y qué
aplicaciones industriales se les da a estos.
Realizar un estudio del costo de maquinarias de este tipo en el mercado nacional.
Analizar los problemas que presentan las pequeñas y medianas empresas que se
dedican a realizar productos de termoformado.
Diseñar y desarrollar un sistema de control electromecánico que se pueda emplear
en diferentes máquinas de termoformado de una sola área de trabajo con
componentes que se encuentren en el mercado nacional.
Diseñar y construir una máquina de termoformado de doble área de trabajo que
reduzca el consumo eléctrico.
Aplicar el sistema de control electromecánico diseñado a la máquina de
termoformado de doble área.
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Justificación
Hoy en día el trabajo de manufactura manual ha sido sustituido por la tecnología de las
maquinas, y se han encontrado métodos de elaboración de piezas por medio de procesos
automatizados y semiautomatizados más eficientes; sin embargo, llegan a ser muy
complejos y extremadamente costosos incluyendo el mantenimiento que éstos necesiten.
En el caso de las refacciones, algunas no se encuentran en el país teniendo la necesidad
de importar y solicitar la intervención de servicio técnico especializado.
Los resultados de este trabajo se enfocan en un prototipo rentable, debido a que al ser un
sistema electromecánico automatizado, el número de operarios se reduce a uno por
estación, optimizando los tiempos, movimientos y disminución del tamaño de la
maquinaria. Otra ventaja es que al disminuir los procesos de producción se reducen los
accidentes, así como contratiempos que pueden presentarse, asegurando la integridad de
la maquinaria y lo más importante, la del operador.
La industria que prevalece en México se caracteriza por ser en su mayoría del tipo
mediana, pequeña y micro, la cual aún no está completamente automatizada por lo que
es necesario para su modernización contar con maquinaria accesible, que permita elevar
la calidad y la producción a costo reducido
Al diseñar el sistema de control electromecánico versátil para el termoformado, en
comparación con los de las máquinas que se encuentran en el mercado, se plantea la
construcción de un prototipo de doble área que reduzca tiempos y movimientos, además
de reducir el consumo energético que se presenta normalmente en los bancos de
resistencias eléctricas para precalentar la lámina polimérica.
5
CAPÍTULO 1. DIAGNÓSTICO
Sectores solicitantes de productos de Termoformado.
Los productos derivados de un proceso de termoformado se han vuelto de uso cotidiano
para la sociedad, aunque no se percibe que estén ahí pero son una parte importante para
la comodidad humana.
En el siguiente diagrama, se proporcionan los sectores más generales en los que se
requieren productos obtenidos de procesos termoformados:
Figura 1.1. Sectores solicitantes de productos obtenidos de un proceso Termoformado
Aplicaciones industriales
El listado que a continuación se proporciona indica los sectores en orden de mayor a
menor que requieren la mayor cantidad de producción de producto termoformado.
Industria del empaque
Desde el inicio del proceso de Termoformado, la industria del empaque ha sido la más
beneficiada debido a la alta demanda que ofrece y por ende el costo-beneficio que se
INDUSTRIA DEL EMPAQUE
•ALIMENTOS
•BEBIDAS
•MEDICAMENTOS
• COSMETIOS
•PAPELERIA
• FERRETERIA
INDUSTRIA AUTOMOTRIZ Y DE TRANSPORTE
SEÑALIZACIONES
CONSTRUCCIÓN
AGRICULTURA
INDUSTRIA MEDICA
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obtiene. Actualmente, la mayor parte de los equipos de empacado (blíster) son de manera
automática a una alta velocidad.
Estos equipos se denominan "forma-llena-sella" y sirven para el empaque de mayor
demanda:
Cosméticos.
Carnes frías.
Refrescos.
Dulces.
Artículos de papelería.
Las condiciones actuales de la Industria del Empaque en México ofrecen un gran
potencial de crecimiento. Datos de la Asociación Mexicana de Envases y Empaques
(AMEE) presentan que en el año 2012 la industria generó más de 12 mil millones de
dólares en ventas, con más de 9 mil 500 toneladas de producto generado.
Figura 1.2. Crecimiento de ventas en empaques y envases del 2009 al 2012
Además de que destacan datos como los siguientes:
Existen más de 450 empresas en México que se dedican al Termoformado.
Se produjo 9, 565,910 toneladas de producto, 4.2% más que el año anterior.
Generó ventas por 12,774.3 MDD, lo que significa un incremento de 13.3%
respecto al 2011.
Emplea a más de 70,000 personas de manera directa y a más 3, 380,000 de
manera indirecta.
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
2009 2010 2011 2012
8890 9499
10831
12774
Crecimiento de ventas por año
7
Represento 8.7% del PIB manufacturero y 1.6% de PIB nacional.
Lo anterior según datos de la asociación manufactura: Información estratégica para la
industria, en su sitio web
Los supermercados son los grandes usuarios de contenedores termoformados. Los
materiales utilizados son termoplásticos de bajo costo. Estos contenedores están
diseñados para ser apilados o acomodados en diferentes formas. Ejemplos: contenedores
para carne, frutas, huevo, verduras.
Figura 1.3. Recipientes de Termoformado para alimentos
Industria médica
La industria médica requiere de una gran variedad de productos y empaques esterilizados
para hospitales, clínicas y consultorios. Las especificaciones de estos productos suelen
ser muy estrictas y el uso del reciclado de materiales, es inaceptable.
El uso del acrílico, por ser un material fisiológicamente inocuo, se está incrementando día
con día. Ejemplos: equipo quirúrgico, jeringas y agujas, mesas quirúrgicas, gabinetes,
incubadoras, sillones dentales y plataformas de ejercicio, etc.
Además de que también se emplea para el encapsulamiento de las pastillas para su venta
comercial.
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Figura 1.4. El Termoformado en la industria medica
Agricultura y horticultura
La comercialización de plantas de ornato en supermercados y tiendas especializadas ha
generado, desde hace tiempo, la necesidad de fabricar macetas y pequeños
contenedores, inclusive hasta de múltiples cavidades para la exposición y venta. Este tipo
de contenedores son fabricados con plásticos reciclados y a bajo costo. Como ejemplos
se pueden citar: macetas, contenedores de diferentes tamaños de una o varias cavidades,
pequeños invernaderos, charolas para crecimiento de semillas, contenedores para
siembra, etc.
Figura 1.5. Semilleros de PVC realizados por proceso de Termoformado
Transporte
El transporte público y privado como el camión, tren, metro, avión, automóvil, etc., cuenta
dentro de su equipo con numerosas partes de plásticos termoformados; la mayoría de
estos son usados para el acabado de interiores o partes externas que no sean
estructurales. Entre otros: asientos, respaldos, descansabrazos, vistas de puertas, mesas
de servicio, parabrisas, protectores de instrumentación, guardas, spoilers, etc.
Cabe destacar que este sector es difícil de cuantificar, por lo que solo se menciona para
fines informativos, ya que muchos de los ejemplos anteriores no tienen una
estandarización además, muchas veces son al gusto y diseño del conductor, o la empresa
que lo necesite, en este caso para la Ciudad de México.
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Figura 1.6. Tapetes, asiento para niño y medallón de carro realizados por un proceso de
Termoformado
En aplicaciones más específicas de la industria automotriz, se realizan modelos a escala
de carrocerías que ya fueron previamente diseñados y simulados en diferentes softwares,
pero que se realizan para comprobar los datos arrojados por dicho programa mediante
aplicaciones de pruebas aerodinámicas en túneles de viento.
Figura 1.7. Aplicaciones de Termoformado para modelaje de carrocerías
Señalización y anuncios
Son fabricados generalmente en acrílico y pueden ser de una sola pieza y de grandes
dimensiones. En estos anuncios o señalizaciones, usualmente se emplea acrílico
transparente (cristal) y el color es pintado por el interior con pinturas base acrílica.
El uso del acrílico en exteriores hace que los anuncios sean resistentes a la intemperie y
virtualmente libres de mantenimiento, además de soportar condiciones extremas de frío o
calor. Como ejemplos de éstos se tienen los anuncios luminosos exteriores, interiores,
señalamientos en lugares públicos, oficinas, etc.
En este sector se observa que se tiene empresas dedicas a la elaboración de anuncios y
carteles de señalización en toda la República Mexicana, en lo que respecta de nueva
cuenta no existe una estandarización de formas y tamaños, por lo que el cliente lo elige a
su elección. En los carteles señalización se tiene un control más específico y tamaño en
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base a normas designadas en manuales dependiendo al área que se le desea asignar, en
este caso el sector es muy diversos y muchas veces difícil identificar el origen ya que en
el mercado informal se venden de manera mayorista.
Figura 1.8. Anuncios publicitarios termoformados
Construcción y vivienda
La industria de la construcción ha empleado productos termoformados desde hace varios
años, acelerándose rápidamente la popularidad de éstos. Hay una gran cantidad de
productos que fácilmente se han sustituido por piezas termoformadas; de hecho, hay
productos que no se podrían fabricar de otra forma, como los domos. El acrílico en este
sector se ve ampliamente utilizado por sus propiedades de resistencia a la intemperie.
Ejemplos de estos son: domos, tinas de hidromasaje, módulos de baño, lavabos, mesas,
sillas, bases para lámparas, artículos de cocina, relojes, fachadas, escaleras, divisiones,
acuarios, etc.
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Figura 1.9. Artículos de vivienda y construcción realizados en un proceso de Termoformado
La gran gama de productos que se pueden realizar a través de procesos de
Termoformado hace que muchas empresas que se dedican a este sector, se unan a
diversas empresas ensambladoras que dependen de estos productos, ya sea
exclusivamente para la elaboración de esos productos o solo una parte de su producción.
Polímeros aptos para el Termoformado
Básicamente, todos los polímeros termoplásticos son adecuados para el proceso de
Termoformado. Dichos materiales, cuando son sometidos a un calentamiento presentan
una variación en su módulo de elasticidad, dureza y capacidad de resistencia bajo carga.
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Con un incremento de calor que rebase el alto punto de temperatura, el comportamiento
del material tiende a volverse en un estado ahulado, teniendo como valor crítico la
temperatura de revenido del polímero termoplástico. Esto puede observarse en el cambio
de forma de la lámina u hoja polimérica calentada, cuando la fuerza de gravedad se
vuelve suficiente para causar esta deformación.
POLÍMEROS
TEMPERATURA DE
DEFLECCIÓN AL CALOR
TEMPERATURA DE
TERMOFORMADO
A 264 PSI
(ºC)
A 66 PSI
(ºC)
SIN CARGA
(ºC)
TEMP. DE
LA HOJA
(ºC)
TEMP DEL
MOLDE
(ºC)
TEMP DE
AYUDA
(ºC)
Acrílico extruido 94 9 120-150 135-175 65-75
Acrílico cell-cast 96 110 100 160-180 65-75
Acetobutirato de celulosa 65-75 75-80 140 140-160
Polietileno de alta densidad 55-65 60-80 100 145-190 95 170
Polipropileno 70-95 110-115 120 145-200
Poliestireno 85-95 70-100 95 140-170 45-65 90
Poliestireno alto impacto 100 90-95 110 170-180 45-65 90
SAN 75-115 105 160 220-230
ABS 70 80-120 120-180 70-85 90
Polivinilo de cloruro (RV.C.) 130 75 135-175 45 80
Policarbonato 140 180-230 95-120 140
Tabla 1. Polímeros adecuados y comunes para el Termoformado, con temperatura de
formado. Fuente: PLASTIGLAS de México S.A. de C.V. Año 2011, Manual técnico
Termoformado, ISO 9001 BUREAU VERITAS
De esta manera se puede deducir el material que se debe seleccionar para trabajar, así
como las características y condiciones de trabajo de la máquina de Termoformado. Con
esto se hace un estudio sobre la capacidad que se puede tener de los materiales y como
se pueden emplear.
Ejemplos de moldes de Termoformado
Existen miles de usos designados para una máquina de Termoformado, por lo que se
muestran algunos de los moldes más utilizados en algunos de los sectores industriales.
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Ejemplos de moldes de Termoformado
Moldes para jabones
Moldes de juguetes
Molde de anuncio de cerveza
Molde de huellas de perrito (juguete)
Molde para diseño de postes de luz
Moldes para recipientes de comida
Molde para realización de mascaras
Molde para la creación de cascos de
seguridad
Tabla 2. Ejemplo de moldes para Termoformado
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Termoformadoras en el mercado Nacional
Debido a la demanda que se presenta en el país existen varias empresas que realizan
máquinas de Termoformado de manera artesanal, pero que no cuentan con un proceso
totalmente automatizado y/o semiautomatizado. A continuación se muestran algunos
ejemplos:
Figura 1.10. Máquina de Termoformado de una sola área de trabajo semiautomatizado
Figura 1.11. Máquina de Termoformado manual de una sola área de trabajo de
dimensiones pequeñas
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Además de que se presenta la opción de comprar este tipo de maquinaria en lugares
donde se dedican a la compra y venta de maquinaria de segunda mano.
Figura 1.12. Máquina de termoformado manual, de segunda mano a un costo de 12 mil
pesos
Figura 1.13. Maquina de termoformado automatica, de segunda mano a un costo de 250
mil pesos
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CAPÍTULO 2. MARCO REFERENCIAL
Máquina de termoformado
Es una máquina herramienta que realiza un proceso de termoformado o
termoconformado, el cual consiste en calentar una hoja o lamina de plástico
termoformable, hasta que pase de ser rígida a ser lo bastante blanda para que al
colocarla sobre un molde, esta adopte la forma del mismo mediante la aplicación de vació
para que se copien todos los detalles en un tiempo muy corto, recuperando su estado de
rigidez al enfriarla con turbinas de aire, y obtener así la pieza deseada en lamina
polimérica.
Con una máquina de termoformado es posible hacer dos tipos de acabados el blíster y el
Skin pack.
Blíster
Es un embalaje o empaque que contiene uno o más productos que se pondrán a la venta
pero que no se pueden exponer al ambiente, hasta que lleguen con el usuario o
comprador.
Este acabado consiste en una hoja de cartón u otro elemento que cuente con una rigidez
similar, sobre el cual se sellará una lámina de plástico transparente que cubra el producto
que se venderá, permitiendo así poderlo exhibir al mercado, libre de suciedad y golpes.
Las láminas de plástico con las que se sella y se protege al producto, ya cuentan con una
geometría termoformada en función de la forma del producto o el diseño propio que
proponga y desee el vendedor.
Skin pack
Es un proceso en el cual el producto es empacado al vacío utilizando una película
polimérica flexible que se adhiere a una tarjeta o cartón que puede o no estar perforado, y
que cuenta con un adhesivo en toda su área, de tal manera que la película queda
adherida a los productos como si fuese una piel. La ventaja de este tipo de empacado es
que no se requieren de moldes.
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Figura 2.1. Producto de Skin pack
Propiedades térmicas de los polímeros
Uno de los aspectos que menos se toma en cuenta en la práctica del termoformado, es el
de las propiedades térmicas de los polímeros, siendo éste uno de los aspectos más
relevantes y críticos del proceso. La comprensión de estos factores disminuirá el riesgo de
largos procesos de pre-producción o la mala adecuación del producto al entorno. AI
hablar de propiedades térmicas es indispensable establecer los conceptos relacionados
con este tema. En primer lugar es necesario recordar que la energía es frecuentemente
disipada a través de la fricción y entonces aparece en forma de calor o de la energía
térmica interna de un cuerpo. Desde luego algunas veces en forma deliberada se
incrementa el calor a una substancia para cambiar su temperatura o para alterar su forma.
El calor específico y la conductividad térmica son dos de las propiedades físicas de los
polímeros que se usan extensivamente en el termoformado. Los plásticos son pobres
conductores de calor; por lo tanto, las láminas de espesores gruesos requieren un tiempo
de calentamiento considerablemente largo.
En el termoformado de plásticos es importante tomar en consideración la elección del
método de calentamiento y el tamaño del equipo de calentamiento. En algunos casos, el
tiempo de calentamiento puede ser reducido si la hoja es precalentada y mantenida en
una temperatura intermedia, sin embargo, esto rara vez se emplea en materiales de
menos de 6 mm de espesor.
Para estimar el calor requerido en una hoja polimérica o lámina, se puede calcular
mediante la siguiente ecuación:
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Calor Requerido = Largo * Ancho * Espesor * Densidad del Material * (Calor específico *
Diferencia de temperatura + Calor de fusión) Ecuación (1)
Lámina polimérica
El polímero termoplástico del metacrilato de metilo, tiene una estructura molecular de tipo
lineal y amorfo, que no forma enlaces transversales. El acrílico es un material
termoplástico utilizado en aplicaciones donde se requiere estabilidad a la intemperie, alta
transmisión de luz, peso ligero, resistencia a ciertos agentes químicos y estabilidad de
color.
Caldeo de polímeros
En el proceso de termoformado, la operación de calentamiento es una de las etapas que
emplea más tiempo y en la que se pueden presentar las mayores dificultades,
ocasionando el mal aprovechamiento de recursos materiales y humanos. Aun cuando los
científicos han dividido la transferencia de calor en tres fenómenos distintos: conducción,
convección y radiación, ya en la práctica los tres son concurrentes.
La Radiación en el termoformado
Es la transferencia de calor de un cuerpo a otro que no se encuentra en contacto con él,
por medio del movimiento ondulatorio a través del espacio. Para propósitos del proceso
de termoformado, se consideran tres medios para la transmisión de calor, éstos son:
a) Contacto con un sólido, líquido o gas caliente.
b) Radiación infrarroja.
c) Excitación interna o por microondas.
Los dos primeros son muy empleados en el termoformado de plásticos y para varios de
ellos el rango de temperatura es entre 120° C y 205° C (250° F y 400° F).
En caso de la radiación se tiene que considerar que la emisión de radiación puede ser el
proceso dominante para cuerpos relativamente aislados del entorno o para muy altas
temperaturas. Así un cuerpo muy caliente como norma general emitirá gran cantidad
de ondas electromagnéticas.
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La cantidad de energía radiante emitida o calor radiado viene dada por la Ley de Stefan-
Boltzmann, de acuerdo con esta ley dicho calor radiado es proporcional a su temperatura
absoluta elevada a la cuarta potencia.
𝑃 = 𝛼 ∙ (𝜎 ∙ 𝑇4) ∙ 𝑆
Dónde:
P es la potencia de energía radiada en watts.
α es un coeficiente que depende de la naturaleza del cuerpo, α = 1 para un cuerpo negro perfecto.
S es el área de la superficie que radia en m2.
σ es la constante de Stefan-Boltzmann con un valor de 5,67 × 10-8 W/m²K4
T es la temperatura absoluta
Automatización
El concepto de automatización se puede expresar como la realización de uno o diversos
procesos, en donde se tenga el control de todas las variables posibles (tiempo,
temperatura, humedad, presión, volumen, caudal, flujo de corriente eléctrica, tensión
eléctrica, intensidad luminosa, intensidad de sonido, etc.) con la mínima o casi nula
intervención humana más que para la supervisión o aplicación de algún tipo de
mantenimiento, en donde se emplean diferentes tipos de energías.
Automatización fija
Se utiliza cuando el volumen de producción es muy alto, y por tanto es adecuada para
diseñar equipos especializados para procesar el producto (o un componente de producto)
con alto rendimiento y con elevadas tasas de producción. Sus desventajas son que su
costo de inversión inicial es elevado, y que una vez que se acaba el ciclo de vida del
producto es probable que el equipo quede obsoleto.
Automatización programable
Se emplea cuando el volumen de producción es relativamente bajo y hay una diversidad
de producción a obtener. Los equipos de producción se diseñan para ser adaptable a las
variaciones de configuración de los productos en lotes. Cuando se completa un lote de
productos se programan los equipos para procesar el siguiente lote con diferentes
características al anterior.
20
Automatización flexible
Es una extensión de la automatización programable. Su concepto se ha desarrollado en
los últimos 15 o 20 años, y sus principios siguen evolucionando. Un sistema automatizado
flexible es aquel que puede producir una variedad de productos (o partes) con
virtualmente ninguna pérdida de tiempo para cambios entre un producto y el siguiente. No
hay tiempo de producción perdido mientras se reprograma el sistema y se cambia la
preparación física (herramientas, aditamentos, parámetros de las máquinas). En
consecuencia, el sistema puede producir varias combinaciones y programaciones de
productos, en lugar de requerir que se hagan en lotes separados. Este tipo de
automatización presenta las siguientes características:
Alta inversión en un sistema diseñado bajo requerimientos específicos
Producción continúa donde se consideran variables para la realización de
productos
Tasas de producción medias
Flexibilidad para adaptarse a variaciones en el diseño del producto
Sistema de control y fuerza de un sistema automatizado
Los sistemas de control tienen diversas combinaciones de dispositivos que emplean
diferentes elementos, todos ellos con una jerarquía para cualquier sistema automatizado.
Figura 2.2. Esquema de la configuración de un sistema automático
21
Elementos de señal
Son los elementos que se denominan de entrada y que detectan o perciben cualquier
magnitud física del entorno donde trabaja el sistema y la transforman en otra, por lo
regular de tipo eléctrico, que se direcciona hacia un elemento de control o si es necesario
a un elemento de mando. Existen dos tipos de señales en estos elementos, los de señal
analógica y digital. Ejemplo de estos elementos son los botones pulsadores, interruptores
de limite y la gran gama de sensores que existen.
Tabla 3. Tipos de sensores
Elementos de control
Elementos o dispositivos que controlan el sistema, ejerciendo una etapa de evaluación de
la acción a realizar dependiendo de las señales que reciban de los elementos de entrada,
enviando una señal de acción a los elementos de mando.
Los elementos de control son monitoreados por un operador, a esto se le denomina
interfaz humana, debido a que él condiciona o programa a estos elementos dependiendo
de los parámetros que se requieran en el proceso automático.
22
Ejemplo de estos elementos son los Controladores Lógicos Programables (PLC), los
Controles de Interfaz Periférico (PIC), pirómetros y relevadores de control por tiempo.
Elementos de mando
Son los elementos electromecánicos que reciben una señal en forma de energía de un
elemento de control, y que la transforman en una fuerza mecánica o magnética. Los
ejemplos más comunes son las electroválvulas neumáticas e hidráulicas, así como los
relevadores de control eléctrico.
Elementos de fuerza
Son todos elementos que están directamente en el área del proceso de producción y que
ejercen directamente el trabajo o la acción a realizar deseada, dependiendo del tipo de
señal que reciban, ya sea neumática, hidráulica o eléctrica.
Ejemplos de estos elementos son los cilindros neumáticos e hidráulicos, bombas
hidráulicas, motores eléctricos, ventiladores, motores de combustión interna, dispositivos
eléctricos, etc.
Diagrama eléctrico
Un diagrama eléctrico, también conocido como un esquema eléctrico o esquemático es
una representación pictórica de un circuito eléctrico.
En él se muestran los diferentes componentes del circuito de manera simple y con
pictogramas uniformes de acuerdo a normas, y las conexiones de alimentación y de señal
entre los distintos dispositivos. El arreglo de los componentes e interconexiones en el
esquema generalmente no corresponde a sus ubicaciones físicas en el dispositivo
terminado.
A diferencia de un esquema de diagrama de bloques o disposición, un esquema de
circuito muestra la conexión real mediante cables entre los dispositivos. (Aunque el
esquema no tiene que corresponder necesariamente a lo que el circuito real aparenta).
Los estándares o normas en los esquemáticos varían de un país a otro y han cambiado
con el tiempo, los más comunes son el ANSI perteneciente al Instituto Nacional
Estadounidense de Estándares (ANSI, por sus siglas en inglés: American National
Standards Institute) y el DIN que proviene del acrónimo de Deutsches Institut für
Normung ("Instituto Alemán de Normalización", en idioma alemán).
23
Diagrama de fuerza
Es el diagrama de funcionamiento de un circuito ya sea neumático, hidráulico, eléctrico o
una mezcla de los tres, que se emplea para representar la secuencia de movimientos que
tendrá cualquier elemento de trabajo del mismo, en él se muestra la conexión de
elementos como cilindros, motores, turbinas, unidades de servicio, bombas, etc. Así como
también la de los elementos de mando y de señal que intervienen en la secuencia
(interruptores de límite, sensores, contactores, etc.)
Diagrama espacio-fase
También llamado diagrama de proceso, y en él se representan los movimientos o estados
de los elementos de trabajo en función de las fases o pasos del ciclo o programa. Por
ejemplo el vástago de un cilindro saliendo o entrando sin tomar el tiempo de entrada o
salida.
24
CAPÍTULO 3. DISEÑO, SIMULACIÓN Y DESARROLLO DEL SISTEMA ELECTROMECÁNICO AUTOMATIZADO JMJLUC-AVAT-01
Movimientos de una máquina de termoformado de una sola área de trabajo
Basándose en el funcionamiento de una máquina de termoformado convencional que es
de una sola área de trabajo, como se mencionó en el Capítulo 2, se procede a la
realización de una detección de los movimientos que emplean este tipo de maquinaria y
determinar con que elementos de señal, de control y de mando se puede llegar a realizar
el proceso de termoformado.
Figura 3.1 Elementos de trabajo de una máquina convencional de termoformado
Las máquinas de termoformado convencionales se rigen bajo la siguiente rutina de
trabajo:
1. La lámina polimérica se coloca sobre un bastidor que estará alejado de la
bancada, pero este deberá subir, bajar y volver a subir en un solo ciclo de trabajo,
por lo cual el elemento que contienen algunas máquinas para realizar esta función
25
es un cilindro neumático de doble efecto, esto debido a que el sistema de aire
comprimido es más fácil de usar y se requiere menos mantenimiento que un
sistema hidráulico. A su vez no se realiza con sistema electromecánico por que se
eleva el costo de maquinar un engranaje especial además de incluir el costo del
motor eléctrico y su consumo eléctrico.
2. Una vez que el bastidor que contiene la lámina polimérica está en la parte de
arriba, se debe de acercar y alejar el banco de resistencias que calentarán al
polímero para que así pierda su estado de rigidez, esto en un tiempo determinado
en función del tipo de material que se emplee así como su espesor. Para realizar
esta acción muchos deslizan el banco de resistencias en unas vigas y lo acercan
de manera manual, otras lo hacen mediante un cilindro neumático.
3. El bastidor deberá bajar una vez terminado el tiempo de calentamiento, esto para
que se coloque el plástico sobre el molde. Por lo que se sigue empleando el
mismo cilindro neumático del punto 1.
4. Para que el polímero adopte la geometría del molde se debe de realizar una
succión de aire mediante una bomba de vacío, esto tiene que ocurrir en el instante
en el que el bastidor haga contacto con la bancada donde se encuentra el molde.
El tiempo de succión de aire dependerá de la geometría de la pieza que se desee
obtener, se tiene que tener precaución debido a que si se excede el tiempo se
puede llegar a romper la lámina polimérica.
5. Una vez que se haya terminado el tiempo de succión, se deberá activar el
enfriamiento a través de una turbina, esto para que la lámina polimérica recupere
su rigidez.
6. Se deberá de subir el bastidor por medio del cilindro neumático para poder extraer
la lámina polimérica termoformada con la geometría deseada, sin dañar o golpear
el molde.
Así es como termina un ciclo de trabajo de una máquina de termoformado.
Diagrama Espacio - Fase de una máquina de termoformado de una sola área de
trabajo
Una vez detectados los movimientos necesarios para el trabajo de termoformado, se
procede a realizar un diagrama espacio fase en donde se consideren los pasos de rutina
de la máquina de termoformado.
26
Fig
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27
Diagrama de control electromecánico automatizado JMJLUC-AVAT-01
Una vez obtenido el diagrama espacio fase, se desarrolla con ayuda de un software para
simulación de esquemas electroneumáticos el diseño del sistema de control
electromecánico automatizado JMJLUC-AVAT-01 basándose en la simbología que se
establece en la norma DIN debido a que es muy accesible al momento de conectar
debido a la similitud de los elementos reales con su simbología.
Para facilitar la lectura del diagrama se proporciona esta lista con los elementos que
componen al diagrama de control electromecánico, en donde se indica con una etiqueta el
sobrenombre del elemento que le corresponde.
Etiqueta Elemento
L1 Línea de voltaje
N Línea neutra
CR1 Relevador de control 1
CR2 Relevador de control 2
INICIO A Botón pulsador de inicio (normalmente abierto)
PARO A Botón pulsador para paro de emergencia (normalmente cerrado)
S1 Sensor de límite de carrera (normalmente cerrado)
S2 Sensor de límite de carrera (normalmente cerrado)
S3 Sensor de límite de carrera (normalmente abierto)
SOL1 Solenoide 1
SOL2 Solenoide 2
SOL3 Solenoide 3
SOL4 Solenoide 4
SOL5 Solenoide 5
T1 Temporizador a la conexión
T2 Temporizador a la conexión
T3 Temporizador a la conexión
R TURBINA Relevador de arranque de la turbina
Tabla 4. Lista de elementos de señal, control y mando eléctricos del sistema automático
JMJLUC-AVAT-01
28
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La ventaja del diagrama de control del sistema de control electromecánico automático
JMJLUC-AVAT-01, es que se puede adaptar a cualquier tipo de corriente y voltaje que se
desee trabajar, puesto que lo único que se tiene que conseguir son los elementos del
sistema. Por ejemplo trabajar todo a 220 VCA, a 120 VCA, 48 VCC y 24VCC.
Diagrama de fuerza del sistema electromecánico automatizado JMJLUC-AVAT-01
Este diagrama se obtiene en conjunto con el diagrama de control electromecánico y es en
donde se colocan los elementos de trabajo determinados por el diagrama espacio-fase,
así como algunos elementos de señal como son los sensores de fin de carrera que es
necesario que se encuentren en la salida y retroceso de los cilindros neumáticos, también
los elementos de mando neumáticos como las válvulas. Todo esto de una manera
esquematizada basándose en la simbología de la norma DIN.
La mayoría de los elementos de trabajo y de mando que se representan en este diagrama
ya se encuentran en muchas maquinas en el mercado que tienen un proceso manual o
semiautomático, por lo que solo se tienen que direccionar con el diagrama de control
electromecánico. En caso de que se quiera dar algún tipo de mantenimiento, en especial
el correctivo, el diagrama de fuerza es de gran ayuda puesto que indica cómo deben de ir
conectados los elementos de trabajo y de mando, eléctricos y neumáticos.
Si se presenta la necesidad de reemplazar algún elemento de este sistema se tiene que
adquirir uno con las mismos requisitos de trabajo o el más parecido que se encuentre en
el mercado siempre y cuando se pueda adaptar a la maquina dependiendo de sus
dimensiones.
Para facilitar la lectura del diagrama se proporciona esta lista con los elementos que
componen al diagrama de fuerza, en donde se indica con una etiqueta el sobrenombre del
elemento que le corresponde.
Etiqueta Elemento
L1 Línea de voltaje
N Línea neutra
V1 Válvula neumática 3 vías 2 posiciones (normalmente cerrada)
V2 Válvula neumática 3 vías 2 posiciones (normalmente cerrada)
V3 Válvula neumática 3 vías 2 posiciones (normalmente cerrada)
30
V4 Válvula neumática 3 vías 2 posiciones (normalmente cerrada)
V5 Válvula neumática 3 vías 2 posiciones (normalmente cerrada)
C1 Cilindro neumático de doble efecto
C2 Cilindro neumático de doble efecto
S1 Sensor de límite de carrera (normalmente cerrado)
S2 Sensor de límite de carrera (normalmente cerrado)
S3 Sensor de límite de carrera (normalmente abierto)
ENTRADA DE VACIO Succión de aire de la bomba de vacío
VACIO Área donde se hará el vacío
TURBINA Turbina de aire para enfriar
R TURBINA Contactos del relevador para accionar la turbina de aire
Tabla 5. Lista de elementos de trabajo, señal y de mando neumáticos y eléctricos del
diagrama de fuerza
Figura 3.4 Diagrama de fuerza de una máquina de termoformado de una área de trabajo
31
Subsistema de bloque maestro
El sistema se puede llegar a complementar con un subsistema de bloque maestro que
consiste en colocar elementos que permitan seleccionar el estado de trabajo de una
manera manual o automática. El trabajar de manera manual sirve para tener una
producción más específica y que además es apto para trabajar el blíster, puesto que en
este embalaje no se tiene una geometría predeterminada por un molde, puede llegar a
variar el tiempo de calentamiento, de vacío y el de enfriamiento en esta línea de
producción.
Teniendo en cuenta esas necesidades se modifica el diagrama de control.
Etiqueta Elemento
SELECTOR Interruptor selector de 3 posiciones
RSA Relevador de control para modo manual
RA Relevador de control para modo automático
IL Indicador luminoso
Tabla 6. Lista de elementos del bloque maestro
32
Fig
ura
3.5
Dia
gra
ma d
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lectr
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33
Simulación y funcionamiento
El sistema en automático funciona al conectar todo y colocar al interruptor selector en la
posición de automático, de esta manera el sistema no entrara en conflicto con el modo
manual.
Al estar en este estado se energizará en el bloque maestro el relevador RA y SOL1, lo
que hará que el vástago del cilindro C1 se extienda y mantenga arriba al bastidor para
poder colocar la lámina polimérica.
Figura 3.6 Funcionamiento “Selector en estado automático”
Se procede a presionar el botón pulsador de INICIO para que comenzara el proceso,
energizando el relevador CR1 que a su vez hará un enclavamiento mediante uno de sus
contactos abiertos en el mismo botón pulsador, esto para retener la señal y no mantener
presionado botón pulsador.
Un segundo contacto de CR1 energizará la segunda línea del diagrama, haciendo que el
SOL5 se energice accionando el cambio de posición de la válvula V5, permitiendo que se
extraiga el vástago del cilindro C2. Este cilindro será el que permita el desplazamiento del
banco de resistencias.
A su vez en la tercer línea del diagrama se encuentra un tercer contacto de CR1 que
energizara al temporizador a la conexión T1, la función de este temporizador es la de
contar el tiempo en la que se calentará la lámina polimérica.
34
Figura 3.7 Funcionamiento “botón inicio”
Cuando el vástago del cilindro C2 se haya extendido totalmente, accionara al sensor S2
que se encuentra en un estado normalmente cerrado, que al ser presionado desenergiza
la línea 2 del diagrama deshabilitando a SOL 5 de la válvula 5.
Figura 3.8 Funcionamiento “activación S2”
Una vez que llegue al tiempo programado, el temporizador T1 cambiará de estado dos de
sus contactos normalmente abiertos a normalmente cerrados en las líneas del diagrama
5 y 6. Estos contactos permitirán energizar a SOL 2 y a SOL 4 respectivamente, para
poder regresar los vástagos de cada cilindro neumático. Con esto, el bastidor operado por
el cilindro C1 regresará a la bancada con el molde para poder ejercerle vacío. El banco de
resistencias regresará a su posición neutra operado por C2, en donde no hay peligro de
contacto o quemadura.
En la línea 2 y 4, hay dos contactos normalmente cerrados del temporizador T1 que
también cambiarán su estado a normalmente abiertos. El de la línea 2 es necesario para
35
que cuando se deje de hacer contacto con S2, él interrumpa de nuevo el circuito para no
energizar a S5 y salga de nuevo el banco de resistencias ocasionando un accidente.
Respectivamente en la línea 4 es necesario para que no se energice SOL1 y con esto se
mantenga el bastidor.
Figura 3.9 Funcionamiento “accionamiento del temporizador T1”
Regresando el vástago de C2 a su posición inicial, este activara al sensor S1 en la línea 6
del diagrama, el cual estaba en un estado de normalmente cerrado y cambiara a
normalmente abierto permitiendo des energizar a SOL 4.
A su vez el regresar el vástago de C1, será detectado por S3 el cual estaba en un estado
de normalmente abierto, cambiando a normalmente cerrado en la líneas 7 y 8.
Permitiendo que uno de los contactos de S3 en la línea 7 energice al temporizador T2
correspondiente al tiempo de vacío apropiado, que se ejercerá para que la lámina
polimérica adopte la forma del molde en caso de que se esté trabajando un proceso de
Blíster, o adopte la forma del producto siendo el caso de Skin Pack.
En la línea 8 se energizará a SOL 3 correspondiente a la válvula 3 mediante la
energización temporánea de un contacto en estado normalmente abierto del temporizador
T2, cambiando a normalmente cerrado en el lapso de tiempo programado, permitiendo el
paso de la succión de aire para hacer vacío y hacer con esto que la lámina polimérica
adopte la forma deseada.
36
Figura 3.10 Funcionamiento “detección de S3 y accionamiento del temporizador T2”
Terminando su tiempo programado, el contacto que energiza a SOL 3 de la válvula 3,
regresa a su estado de normalmente abierto lo que hace que se cierre el paso de la
succión del aire entre la lámina polimérica y el molde o producto.
A su vez uno de los contactos de T2 en la línea 9, energiza al temporizador T3 el cual
estará programado para el tiempo de enfriamiento por parte de la turbina de aire.
Un contacto más de T2 energizará de manera directa a la turbina en la línea 10 mediante
el relevador de control denominado R TURBINA. El cual está alimentado en directo a 120
VCA en la L1 y su neutro N, respectivamente. Si es que se quiere hacer el sistema a
24VCC, los contactos se deben de conectar respectivamente a L1 y N, en conjunto con
las terminales de la turbina para que por ellas fluyan los 12VCA, y la bobina DE R
TURBINA energizarla a 24 VCC.
Figura 3.11 Funcionamiento “accionamiento de la turbina de enfriamiento”
37
Una vez terminado el tiempo, regresará a su estado de normalmente abierto, uno de los
contactos de T3 que abrirá el circuito de la línea 10 para desconectar al relevador de la
turbina y así apagarla.
Un contacto extra de T3 energizará a un relevador de control denominado CR2 en la línea
11 que servirá para resetear al sistema y regresarlo a su estado inicial, mediante el
cambio de estado del contacto normalmente abierto a cerrado de este relevador de
control, ubicado en la primera línea del diagrama de control.
Con esto el cilindro neumático C1 extenderá su vástago que contiene a la lámina
polimérica termoformada, lista para su extracción y seguir con la línea de producción.
Figura 3.12 Funcionamiento “accionamiento de CR2 y reseteo del sistema”
Figura 3.13 Fin del proceso
38
Para utilizar el modo manual, se debe de colocar al botón selector en la posición de
manual para desactivar el sistema automático y así evitar conflictos con sus elementos de
mando y control.
Figura 3.14 Bloque maestro en posición de manual
De esta manera se podrá activar y desactivar cualquier elemento.
Para extender el vástago de C1 del bastidor, se debe de presionar el botón
pulsador ARRIBA, para su regreso se presiona el botón pulsador ABAJO.
Para extender el vástago de C2 del banco de resistencias, se debe de presionar el
botón pulsador ENFRENTE, para su regreso se presiona el botón pulsador
ATRAS.
Para energizar la turbina se debe de presionar el botón pulsador ENCENDIDO y
APAGADO para des energizarla.
Para accionar la bomba de vacío, se presiona el botón pulsador ON, y OFF para
detener la extracción de aire se presiona OFF.
39
Figura 3.15 Sistema manual
Protección
Para evitar cualquier corto circuito o una sobre tensión se tiene que conectar el bloque
maestro a una caja de fusibles de 10 amperios, que son los que se encuentran
estandarizados en el mercado. Esto debido a que a partir del bloque maestro se
desencadena el resto del sistema.
Figura 3.16 Uso de fusibles en el sistema
40
Costo de material
El costo del sistema de control JMJLUC-AVAT-01 aproximado es de $ 17 000.00
De acuerdo al resultado de la suma del valor unitario de cada uno de los componentes
que integran al sistema a 120 volts y que a continuación se detallan:
ETIQUETA CONCEPTO PRECIO
M.N.
FUSIBLE FUSIBLES 20
FUSIBLE FUSIBLES 20
CAJA DE FUSIBLES 800
CR1 RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 71,5
CR2 RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 72,5
BASE EUROSIN PYF 14E MY4 62,814
BASE EUROSIN PYF 14E MY5 62,814
INICIO A BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.O. 120VCA. A 15 A. MAX. 35
PARO A BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.C. 120VCA. A 15 A. MAX. 35
S1 MICROSWITCH XZ 15 GBW3-B 51,04
S2 MICROSWITCH XZ 15 GBW3-B 51,04
S3 MICROSWITCH XZ 15 GBW3-B 51,04
T1 RELEVADOR DE TIEMPO DE ESTADO SÓLIDO A LA CONEXIÓN
MY4 120VAC 850
T2 RELEVADOR DE TIEMPO DE ESTADO SÓLIDO A LA CONEXIÓN
MY4 120VAC 850
T3 RELEVADOR DE TIEMPO DE ESTADO SÓLIDO A LA CONEXIÓN
MY4 120VAC 850
BASE RELEVADOR DE TIEMPO MY4 120 VAC 150
BASE RELEVADOR DE TIEMPO MY4 120 VAC 150
BASE RELEVADOR DE TIEMPO MY4 120 VAC 150
R TURBINA RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 72,5
SELECTOR INTERRUPTOR SELECTOR 240 VCA./15 A. MAX 50
RSA RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 72,5
RA RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 72,5
BAS RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 73,5
ARRIBA BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.O. 120VCA. A 15 A. MAX. 35
ABAJO BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.C. 120VCA. A 15 A. MAX. 35
41
BRES RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 73,5
ENFRENTE BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.O. 120VCA. A 15 A. MAX. 35
ATRÁS BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.C. 120VCA. A 15 A. MAX. 35
R TURBINA RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 73,5
ENCENDIDO BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.O. 120VCA. A 15 A. MAX. 35
APAGADO BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.C. 120VCA. A 15 A. MAX. 35
VACIO RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 73,5
ON BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.O. 120VCA. A 15 A. MAX. 35
OFF BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.C. 120VCA. A 15 A. MAX. 35
ALAMBRE CALIBRE 18 AWG 500
TORNILLERIA 250
IMPLEMENTACION DE INGENIERIA 10000
TOTAL 16677,248
Tabla 7. Lista de costo de materiales del sistema
42
CAPÍTULO 4. DISEÑO, SIMULACIÓN Y CONSTRUCCIÓN DE LA MÁQUINA DE TERMOFORMADO
Las especificaciones para la creación de una máquina termoformadora varían,
dependiendo del producto terminado que se pretende obtener y por lo tanto es necesario
considerar diversas especificaciones:
Voltaje
Potencia eléctrica
Corriente eléctrica
Área útil de formado
Número de calefactores (inferior y
superior)
Turbinas para el enfriamiento de la
lámina polimérica
Controles reguladores de
temperaturas por zonas
Grado de automatización
Tipo de sujeción de la lámina
(Clamps mecánicos, neumáticos,
Etc.)
Capacidad de producción
Costo-beneficio.
Lo propuesta de máquina de termoformado que se plantea en este capítulo es una en la
que se reduzca el consumo eléctrico demandado por los calefactores o resistencias
eléctricas, además de que con un solo banco de resistencias se pueda trabajar para dos
áreas de trabajo.
La ventaja del diseño que se esquematiza, es que al reducir el número de elementos de
trabajo neumáticos y al ser reemplazarlos por un mecanismo eléctrico, se disminuye el
costo de la máquina.
Figura 4.1 Vista frontal de la máquina de termoformado de doble área
43
Plan de trabajo
La realización de este proyecto se realizara mediante la siguiente esquematización de
etapas de trabajo:
Elaboración de diseño y simulación de la máquina con sus componentes en
software CAD
Selección de los componentes de la red de sistema neumático
Desarrollo del banco de resistencias
Adaptación del sistema electromecánico automatizado JMJLUC-AVAT-01 a la
máquina de termoformado de doble área.
Construcción de la maquinaria
Diseño de la estructura
La estructura debe estar dimensionada para dos áreas rectangulares de termoconformado
de 85 x 55cm, esto es para poder termoformar grandes cantidades del producto deseado.
Además de que el área de trabajo debe de tener una altura de 60 cm para poder
considerar un libre movimiento durante el tiempo de producción. Asimismo esto beneficia
a poder ejercer trabajos de termoconformado más específicos si es que surge la
necesidad.
Igualmente debe de ser capaz de amortiguar las vibraciones que se generen por el
desplazamiento de los elementos de trabajo dentro de ella, y no producir una serie de
movimientos en cadena que afecten a la misma, al operario y a la producción.
En la estructura se proyecta realizarla con tubular PTR (Perfil Tubular Rectangular), esto
puesto que es un perfil que llega a tener un óptimo comportamiento en base a su
geometría y propiedades mecánicas, lo que lo hace apto para soportar esfuerzos
mecánicos de compresión y tensión.
Empleando PTR de 1” con un espesor de 1.94 mm catalogado como de color azul, esto
para tener un diseño más estético, práctico y económico. ANEXO 1.
Para el desplazamiento del banco de resistencias se necesita un riel que facilite el
movimiento de va y bien, por lo cual se utiliza el perfil denominado monten, a una medida
44
de 4 pulgadas con un patín de 2” calibre 10, esto para soportar el peso del banco de la
resistencias térmicas gracias al tipo de perfil que tiene en forma de “C”. ANEXO 2.
En las bancadas donde se colocaran los moldes se realizaran de perfil Angulo de 1” color
azul, para soportar el peso del bastidor y del sube y baja del mismo bastidor.
Figura 4.2. Perfil monten
Figura 4.3 Estructura de la máquina de termoformado
45
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46
Sistema neumático
Red neumática
Las tuberías requieren un mantenimiento y vigilancia periódicas, por cuyo motivo no
deben instalarse dentro de obras ni en emplazamientos demasiado estrechos. En estos
casos, la detección de posibles fugas se hace difícil de notar.
En el tendido de las tuberías debe cuidarse, sobre todo, de que la tubería tenga un
descenso en el sentido de la corriente, del 1 al 2% de altitud.
Red abierta
En consideración a la presencia de condensado (agua) en la compresora que alimentara
de aire a la máquina de termoformado, las derivaciones para las tomas aire en el caso de
que los conductos, deben estar tendidos horizontalmente. Con esto se evita que el agua
condensada que posiblemente se encuentre en la tubería principal llegue a través de las
tomas a los diferentes elementos neumáticos.
Figura 4.5. Red neumática para la máquina de termoformado
Compresor
La adecuada elección de un compresor para una instalación dada va estrechamente
ligada a las necesidades que se demanden, y es frecuente tener que hacer varios tanteos
antes de encontrar la combinación idónea.
Los parámetros fundamentales a considerar son: el caudal aspirado y la presión deseada
a la salida.
47
La presión que necesita la instalación deberá ser superior a la de servicio, ya que de otra
forma no se podrá mantener dicha presión.
La selección de un compresor dependerá de una presión máxima de 0.8 MPa y un caudal
de 0.25 m3/min debido a que se tiene un caudal por pistón de 0.1262 m3/min.
Tratamiento del aire
Para garantizar la habilidad de mando es necesario que el aire alimentado al sistema
tenga un nivel de calidad por ello es necesario considerar los siguientes factores:
• Presión correcta
• Aire seco
• Aire limpio
En caso de no acatar estas condiciones, originaria tiempos prolongados de inactivación
de los elementos de trabajo, aumentando los costos de servicio y disminuyendo los
tiempos de producción.
La generación del aire a presión empieza por la compresión del aire; pasando a través de
una serie de elementos antes de llegar hasta su punto de consumo.
El tipo de compresor y su ubicación en el sistema inciden en mayor o menor medida en la
cantidad de partículas de lubricante y agua condensada, incluidos en el sistema
neumático. Por lo cual para el acondicionamiento adecuado del aire es recomendable
utilizar las siguientes unidades de servicio:
• Filtro de aspiración
• Compresor
• Acumulador de aire a presión
• Secador
• Filtro de aire a presión con
separador de agua
• Regulador de presión
• Lubricador
• Puntos de evacuación del
condensado
El aire que no ha sido acondicionado debidamente provoca un aumento de la cantidad de
fallos y en consecuencia disminuye la vida útil de los sistemas neumáticos. Estas
circunstancias se manifiestan de las siguientes maneras: Aumento del desgaste de juntas
y de piezas móviles de válvulas como lo son los carretes internos, así como de los
48
cilindros, además de que en las válvulas se impregne aceite y existe suciedad en los
silenciadores.
Consumo de cada pistón neumático
Para saber que cilindro neumático es el más adecuado es necesario saber que fuerza o
peso se va levantar, para lo cual esto es posible calcularlo en base a un cálculo teórico,
sabiendo que el acero ASTM-A36 correspondiente al perfil PTR de 1” x 1”tiene un
espesor de 1.94 milímetros. El peso correspondiente por cada metro es de 1.99 kg, por lo
cual es posible deducir el peso del marco de sujeción.
𝑊 =1.99𝑘𝑔
𝑚(2)((0.90𝑚 ∗ 2) + (0.5492𝑚 ∗ 2)) = 𝟏𝟏. 𝟓𝟑𝟓𝟔 𝑲𝒈. Ecuación (2)
De donde la suma 0.9m y 0.5492m son las dimensiones del marco multiplicadas por dos
por ser un marco cuadrado y esta adición se multiplica por dos debido a que son dos
marcos para sujetar el polímero.
Para lo cual ahora es necesario calcular la fuerza:
𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑎 = 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑠𝑜 + 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 Ecuación (3)
Cálculo de la fuerza del peso:
𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑒𝑠𝑜 = 11.5356 𝑘𝑔 ∗ 9.81 𝑚𝑠2⁄ = 𝟏𝟏𝟑. 𝟏𝟔𝟒𝟐 𝑵 Ecuación (4)
Cálculo de la fuerza de la aceleración:
𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝟏𝟏. 𝟓𝟑𝟓𝟔 𝒌𝒈 ∗ 𝑲 Ecuación (5)
Cálculo de los ciclos:
𝐾 = 4𝑚
𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜 (
1 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜
60 𝑠𝑒𝑔) =
𝟏
𝟏𝟓 𝒎/𝒔𝟐 Ecuación (6)
K son los ciclos que realiza al subir y bajar el marco en un minuto, sustituyendo de la
ecuación 5, resulta:
𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 11.5356 𝑘𝑔 ∗1
15
𝑚
𝑠2= 𝟎. 𝟕𝟔𝟗𝟎𝟒 𝑵
Retomando la ecuación 3:
𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑛𝑒𝑐𝑒𝑠𝑎𝑟𝑖𝑎 = 113.1642 𝑁 + 0.76904 𝑁 = 𝟏𝟏𝟑. 𝟗𝟑𝟑𝟐𝟒 𝑵
49
Si manejamos una presión de 40 KPa, es posible deducir el área del embolo a utilizar del
cálculo de la presión
𝑃 = 𝐹
𝐴 Ecuación (7)
Despejando el área de la Ecuación (7), obtenemos la ecuación (8)
𝐴 =𝐹
𝑃 Ecuación (8)
Obteniendo los componentes del área es posible obtener el diámetro del embolo con la
Ecuación (9):
𝜋𝐷2
4=
𝐹
𝑃; 𝐷 = √
4𝐹
𝜋𝑃 Ecuación (9)
Por lo tanto, se obtiene:
𝐷 = √4(113.93324 𝑁)
𝜋(40 000 𝑁/𝑚2= 𝟎. 𝟎𝟔𝟎𝟐𝟐 𝒎 ≈ 𝟔 𝒄𝒎
Lo que nos da el diámetro del embolo a utilizar.
Se debe de tener en cuenta que el número de ciclos que realice el pistón es variable en
función del tipo de material que se vaya a termoformar, así como la geometría del
producto.
El montaje del sistema de fuerza neumático se realizara en base a como se simulará en el
diseño por computadora, esto para tener mejor estética y mejor funcionabilidad.
Bomba de vacío
No existe ninguna bomba de vacío capaz de evacuar el sistema desde la presión
atmosférica hasta la presión última requerida, siempre que esta sea menor de 10-3mBar.
Parámetros característicos de la bomba de vacío
Los parámetros característicos de la bomba de vacío son:
Velocidad de bombeo, es decir el volumen de gas que evacua por unidad de
tiempo.
50
Carga de gas (throughput o rendimiento), es decir la masa de gas que evacua por
unidad de tiempo.
Presión última o presión más baja que puede adquirir.
Presión de salida o presión máxima a la que puede descargar la bomba.
Las bombas de émbolo son adecuadas para grandes presiones de succión o vacío pero
con pequeños caudales, que es lo que se busca para esta máquina, y que a comparación
de las bombas rotodinámicas son para presiones reducidas de succión y gastos elevados.
Concepto Valor numérico Concepto Valor numerico
Voltaje 120 volts Potencia 2200 watts / 3 HP
Desplazamiento 0.25 m3/min Presion maxima 0.8 Mpa
Revoluciones 1050 rpm Diametro de boquilla de aspiración
1.905cm
Figura 4.6. Bomba de vacio (Partes )
51
Figura 4.7. Bomba de vacio (Transmisión y extracción de aire)
Consumo de la bomba de vacio
Conociendo el caudal y el area de cada piston es posible conocer la velocidad con la que
se obtendra el vacio por parte de la bomba de vacio:
Caudal total (QT) = 0.25 m3/min;
𝑄𝑇 = 250𝑙
𝑚𝑖𝑛; 𝑄𝑇 = 0.25 𝑚3
𝑚𝑖𝑛⁄ (1 𝑚𝑖𝑛
60 𝑠𝑒𝑔) ; 𝑄𝑇 = 𝟒. 𝟏𝟔𝟔𝟔𝟕 𝒙𝟏𝟎−𝟑 𝒎𝟑
𝒔𝒆𝒈⁄
Caudal por pistón, de ecuacion10:
𝑄𝑃 =4.16667𝑥10−3
2= 2.0833𝑥10−3 𝑚3
𝑠𝑒𝑔⁄ Ecuación (10)
Obteniendo el caudal por cada piston es posible obtener la velocidad, con la ecuacion 11;
𝑄 = 𝑉𝑝𝐴; 𝑉𝑝 =𝑄
𝐴; Ecuacion (11)
Por lo tanto, sustiyendo:
52
𝑉𝑝 =2.0833 𝑥10−3 𝑚3
𝑠𝑒𝑔⁄
𝜋(0.01905𝑚)2
4
; 𝑉𝑝 = 𝟕. 𝟑𝟎𝟗𝒎
𝒔𝒆𝒈
La velocidad del pistón (Vp) se debe de multiplicar por dos debido a que la bomba de
vacío con la que se trabajo es de doble pistón, dándonos la velocidad de aspiración por la
bomba, de la ecuación 12:
𝑉𝑇 = 𝑉𝑝(2); Ecuación (12)
Y sustituyendo tendremos:
𝑉𝑇 = (7.309𝑚
𝑠𝑒𝑔) (2); 𝑽𝑻 = 𝟏𝟒. 𝟔𝟏𝟖𝟒 𝒎/𝒔𝒆𝒈
La fuerza de aspiración máxima se calcula en función de la presión máxima que es de 0.8
MPa para cada pistón, dentro de la ecuación 13:
𝑃 =0.8𝑥106 𝑃𝑎
2; 𝑷 = 𝟎. 𝟒 𝒙𝟏𝟎𝟔 𝑷𝒂 Ecuación (13)
De esta forma obtendremos la ecuación 14:
𝐹 = 𝑃𝐴; 𝐹 = 𝟎. 𝟒 𝒙𝟏𝟎𝟔 𝒌𝒈𝒎
𝒔𝟐 Ecuación (14)
Para determinar la potencia de la bomba es necesario calcular el trabajo ejercido en
función de los siguientes parámetros, de la ecuación 15:
−𝑊 = 𝑍∗𝐾∗𝑅∗𝑇
𝑀(𝐾−1)((
𝑃1
𝑃2)
𝐾−1
𝐾− 1) (
1
𝜂) Ecuación (15)
Dónde:
Z= 1 por considerarlo gas ideal
T= 27°C = 300 K
R= 8.31 J/mol K
M= 28.9 g/mol peso molecular (aire idóneo)
P1=0.8 MPa = 8 bar
P2= -2 bar
53
Para K es necesario calcular el calor específico Cp. = 8.6 cal / K mol = 35.83 J/ K mol, de
la cual se puede utilizar la ecuación 16:
𝐾 = 35.83
35.83−8.31= 1.3 Ecuación (16)
Sustituyendo de la ecuación 15:
−𝑊 = 1 ∗ 1.3 ∗ 8.31 ∗ 300
28.9 ∗ 1.3 − 1((
8
−2)
1−3−11−3
− 1) (1
0.9) ;
−𝑊 = −𝟒𝟎𝟒. 𝟗𝟐𝟎𝟑𝟑𝟖𝟒𝟏𝟒𝟖𝟎𝟓 𝑲𝒋/𝒌𝒈
Para obtener la masa específica, se obtendrá de la ecuación 16:
�̇� = 𝜌 ∗ 𝑄 Ecuación (16)
�̇� = (1.29𝑘𝑔
𝑚3) (4.16667 𝑥10−3 𝑚3
𝑠𝑒𝑔⁄ ) = 𝟎. 𝟎𝟎𝟓𝟑𝟕𝟓𝒌𝒈
𝒔𝒆𝒈
De esta manera, conforme a los cálculos previos se podrá obtener la potencia máxima, de
la ecuación 17:
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 = 𝑊 ∗ �̇�; Ecuación (17)
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 = (404.920338414805𝐾𝑗
𝑘𝑔) ( 0.005375
𝑘𝑔
𝑠𝑒𝑔) ;
Potencia máxima de la bomba, sustituyendo de la ecuación 17:
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 = 2.17𝐾𝑗
𝑠𝑒𝑔 ≈ 𝟐. 𝟐 𝑲𝑾
Desarrollo del banco de resistencias
Análisis térmico de las resistencias eléctricas
Conociendo el rango de temperaturas en el que trabajan las láminas poliméricas como se
mencionó el capítulo 2. Se proponen resistencias de 1100 watts a 120 volts por un arreglo
eléctrico en delta para realizar el banco de resistencias. Debido a que estos calefactores
54
son comunes en el mercado nacional y tiene un costo bajo, además de que en conjunto
con otros iguales dan el rango de temperatura deseada.
De la ecuación (18):
𝑃 = 𝛼 ∗ 𝜎 ∗ 𝑇4 ∗ 𝑆; Ecuación (18)
De donde conocemos que P= 1100 Watts.
𝛼 Es un coeficiente que depende de la naturaleza del cuerpo, en este caso se considera
que α = 1 como un cuerpo negro perfecto. 𝜎 Sabemos que tiene el valor de 5.67 x 10-8
W/m²K4
Para calcular el área “S” de que emite radiación se realizara el siguiente cálculo, utilizando
la ecuación (19) y la ecuación (20):
S = 𝜋(20𝑐𝑚)2
4 = 314.159265358979cm Ecuación (19)
314.159265358979𝑐𝑚 (1𝑚
100𝑐𝑚2) = 0.0314159265359 𝑚2 Ecuación (20)
Por lo tanto, con la ecuación (21) y ecuación (22) se obtiene:
1100 𝑊 = 1 ∗ 5.67𝑥 10−8 𝑤
𝑚2𝐾4 ∗ 𝑇4 ∗ 0.0314159265359 𝑚2 Ecuación (21)
𝑇 = √1100𝑊
(1)(5.67𝑥 10−8 𝑤
𝑚2𝐾4)(0.0314159265359 𝑚2)
4 Ecuación (22)
Sustituyendo de la ecuación 22, se tendrá una temperatura de:
𝑇 = 𝟖𝟖𝟔. 𝟒𝟕𝟖𝟑𝟔𝟒𝟑𝟔𝟎𝟑𝟖𝟗 𝑲
*T=613.478364360389 °𝐶 Temperatura máxima que proporciona la resistencia
55
Figura 4.8. Resistencia eléctrica
Para regular la entrada de energía al equipo, es recomendable utilizar dispositivos tales
como transformadores variables o medidores de porcentaje que ayuden al control de
temperatura. En nuestro caso se utilizaran pirómetros electrónicos.
Para tener una mejor eficiencia térmica se optó por crear una cubierta interna en el banco
de resistencias de PYROGEL, el cual es un material que difunde e incrementa la
temperatura, proporcionando una mayor eficiencia reduciendo las pérdidas de calor,
llegando a trabajar a más de 750°C. Antes de situar las resistencias eléctricas, se colocó
una capa de pega azulejo, así como azulejos para incrementar y mantener la temperatura
en un mayor tiempo y con esto evitar el accionar las resistencias eléctricas en grandes
periodos de tiempo.
Realizando tomas de lecturas con un termómetro se obtuvo un incremento del 20% en la
temperatura con la aplicación del PYROGEL, el pega azulejo y
56
Figura 4.9. Pyrogel
Figura 4.10. Comparación de temperaturas
0
100
200
300
400
500
600
700
800
220 440 660 880 1100
TEM
PER
ATU
RA
(ºC
)
POTENCIA ELECTRICA (WATTS)
RESISTENCIAS
PYROGEL
57
Circuito de conexión de las resistencias
En la elaboración del circuito eléctrico se emplean 6 resistencias eléctricas de 14 ohm a
1100 watts 220 VCA, en dos conexiones trifásicas DELTA para calentar en el banco de
resistencias.
Figura 4.11 Conexión de resistencias eléctricas
La conexión en DELTA presenta las siguientes ventajas:
𝑉𝑇 = 𝑉1 = 𝑉2 = 𝑉3
𝐼𝑇 = 𝐼1 = 𝐼2 = 𝐼3
Al ser un tipo de conexión DELTA balanceada con las resistencias eléctricas del mismo
valor.
𝑅𝑇 = 𝑅1 = 𝑅2 = 𝑅3
Planteando la ecuación de la potencia para sistemas trifásicos
𝑃𝑇 = ( √32
)(𝑉𝑇)(𝐼𝑇)
Sustituyendo la ley ohm en la ecuación de potencia de sistemas trifásicos se obtiene.
58
𝑃𝑇 = ( √32
)(𝑅𝑇)(𝐼𝑇)2
Es posible obtener la corriente de las resistencias así como la de conexión delta
𝐼𝑇 = √𝑃𝑇
( √32 )(𝑅𝑇)
2
Sustituyendo valores, se obtiene la corriente de cada conexión trifásica:
𝐼𝑇 = √1100 𝑤𝑎𝑡𝑡
( √32
)(14 𝑜ℎ𝑚)
2
𝐼𝑇 = 6.73 𝑎𝑚𝑝
Al ser dos conexiones en DELTA, se les considera conexiones en paralelo por lo que se
multiplicaría la corriente IT por 2, obteniendo 13.46 amp de consumo eléctrico para todo el
banco de resistencias.
En las maquinas convencionales se conecta otro tipo de resistencia cerámica de mayor
costo, con un consumo menor, pero que no alcanza la temperatura necesaria y por ende
es necesario conectar más resistencias, lo que hace que tengan un consumo promedio de
25.8 amperios.
Figura 4.12 Resistencias eléctricas de máquinas de termoformado convencionales
Adaptación del sistema JMJLUC-AVAT-01 en la máquina de termoformado de doble
área
La propuesta que se trabaja en esta máquina es la de reemplazar los cilindros neumáticos
que le dan movimiento al banco de resistencias en las maquinas convencionales de
59
termoformado, por un moto reductor que contara con un engranaje a través de una
cadena a todo lo largo de la máquina. De esta manera al encender el motoreductor, este
desplazara al banco de resistencias donde se encuentra montado el motoreductor a la
zona de trabajo donde se requiera para calentar la lámina polimérica. El motoreductor
cuenta con la ventaja de que estar configurado eléctricamente para poder ejercer cambio
de giro en el rotor lo que le permite realizar el desplazamiento de va y bien de un extremo
de la maquina a otro.
Figura 4.13 Motoreductor del banco de resistencias
Tomando en cuenta esa consideración es posible realizar adaptar el sistema de control
electromecánico a la máquina de termoformado de doble área. Solo se reemplazara en el
diagrama mostrado en el capítulo 3, los solenoides SOL 4 y SOL 5 correspondiente a las
válvulas neumáticas V4 y V5, por arrancadores que estarán conectados al motoreductor
para ejercer el cambio de giro.
60
Diagrama de fuerza de la máquina de termoformado de doble área
Figura 4.14. Diagrama de fuerza de la máquina de termoformado de doble área
En este caso no es necesario realizar un diagrama de espacio fase debido a que es el
mismo para el que está realizado el sistema JMJLUC-AVAT-01. Si es necesario su
consultar el diagrama se puede localizar en la figura 3.2 del capítulo 3
Diagrama de control del sistema JMJLUC-AVAT-01 en la máquina de termoformado
de doble área
Para facilitar la lectura del diagrama se proporciona esta lista con los elementos que
componen en al diagrama de control electromecánico, en donde se indica con una
etiqueta el sobrenombre del elemento que le corresponde.
Etiqueta Elemento
L1 Línea de voltaje
N Línea neutra
CR1 Relevador de control 1
CR2 Relevador de control 2
INICIO A Botón pulsador de inicio (normalmente abierto)
61
PARO A Botón pulsador para paro de emergencia (normalmente cerrado)
S1 Sensor de límite de carrera (normalmente cerrado)
S2 Sensor de límite de carrera (normalmente cerrado)
S3 Sensor de límite de carrera (normalmente abierto)
SOL1 Solenoide 1
SOL2 Solenoide 2
SOL3 Solenoide 3
M1 Arrancador del motoreductor
M2 Arrancador del motoreductor
T1 Temporizador a la conexión
T2 Temporizador a la conexión
T3 Temporizador a la conexión
R TURBINA Relevador de arranque de la turbina
SELECTOR Interruptor selector de 3 posiciones
RSA Relevador de control para modo manual
RA Relevador de control para modo automático
IL Indicador luminoso
FUSIBLE Fusible de protección
BAS Relevador de control del bastidor
ARRIBA Botón pulsador de inicio (normalmente abierto)
ABAJO Botón pulsador para paro de emergencia (normalmente cerrado)
BRES Relevador de control del banco de resistencias
ENFRENTE Botón pulsador de inicio (normalmente abierto)
ATRÁS Botón pulsador para paro de emergencia (normalmente cerrado)
ENCENDIDO Botón pulsador de encender la turbina de viento
APAGADO Botón pulsador para apagar la turbina de aire
ON Botón pulsador de inicio para encender el vacío
OFF Botón pulsador para apagado
CR1.2 Relevador de control 1
CR2.2 Relevador de control 2
INICIO A2 Botón pulsador de inicio (normalmente abierto)
S4 Sensor de límite de carrera (normalmente cerrado)
S5 Sensor de límite de carrera (normalmente abierto)
62
SOL4 Solenoide 1
SOL5 Solenoide 2
SOL6 Solenoide 3
T1.2 Temporizador a la conexión
T2.2 Temporizador a la conexión
T3.2 Temporizador a la conexión
R2 TURBINA Relevador de arranque de la turbina
SELECTOR 2 Interruptor selector de 3 posiciones
RSA 2 Relevador de control para modo manual
RA 2 Relevador de control para modo automático
BAS 2 Relevador de control del bastidor
ARRIBA 2 Botón pulsador de inicio (normalmente abierto)
ABAJO 2 Botón pulsador para paro de emergencia (normalmente cerrado)
BRES 2 Relevador de control del banco de resistencias
ENFRENTE 2 Botón pulsador de inicio (normalmente abierto)
ATRÁS 2 Botón pulsador para paro de emergencia (normalmente cerrado)
ENCENDIDO 2 Botón pulsador de encender la turbina de viento
APAGADO 2 Botón pulsador para apagar la turbina de aire
ON 2 Botón pulsador de inicio para encender el vacío
OFF 2 Botón pulsador para apagado
Tabla 8. Lista de elementos de trabajo, señal y de mando neumáticos y eléctricos del
sistema para la máquina de termoformado de doble área
63
Fig
ura
4.1
5. D
iag
ram
a d
e c
on
tro
l d
el sis
tem
a J
MJL
UC
-AV
AT
-01
de la
má
qu
ina
de
te
rmofo
rma
do
de d
ob
le á
rea
64
Planos del diseño del prototipo
65
66
67
68
69
70
Presupuesto de Implementación
En el siguiente enlistado se menciona la lista de materiales y su costo.
Estableciendo un costo total de $ 180 000.00
ETIQUETA DESCRIPCIÓN COSTO
FUSIBLE FUSIBLES 20
FUSIBLE FUSIBLES 20
CAJA DE FUSIBLES 800
CR1 RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 71,5
CR2 RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 72,5
BASE EUROSIN PYF 14E MY4 62,814
BASE EUROSIN PYF 14E MY5 62,814
INICIO A BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.O. 120VCA. A 15 A.
MAX. 35
PARO A BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.C. 120VCA. A 15 A.
MAX. 35
S1 MICROSWITCH XZ 15 GBW3-B 51,04
S2 MICROSWITCH XZ 15 GBW3-B 51,04
S3 MICROSWITCH XZ 15 GBW3-B 51,04
M1 ARRANCADOR 120 VCA A 15A. MAX 250
BASE ARRANCADOR 125
M2 ARRANCADOR 120 VCA A 15A. MAX 250
BASE ARRANCADOR 125
T1 RELEVADOR DE TIEMPO DE ESTADO SÓLIDO A LA CONEXIÓN
MY4 120VAC 850
T2 RELEVADOR DE TIEMPO DE ESTADO SÓLIDO A LA CONEXIÓN
MY4 120VAC 850
BASE RELEVADOR DE TIEMPO MY4 120 VAC 150
BASE RELEVADOR DE TIEMPO MY4 120 VAC 150
BASE RELEVADOR DE TIEMPO MY4 120 VAC 150
BASE RELEVADOR DE TIEMPO MY4 120 VAC 150
T3 RELEVADOR DE TIEMPO DE ESTADO SÓLIDO A LA CONEXIÓN
MY4 120VAC 850
R TURBINA RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 72,5
SELECTOR INTERRUPTOR SELECTOR 240 VCA./15 A. MAX 50
RSA RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 72,5
RA RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 72,5
BAS RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 73,5
BASE RELEVADOR DE TIEMPO MY4 120 VAC 150
BASE RELEVADOR DE TIEMPO MY4 120 VAC 150
71
BASE RELEVADOR DE TIEMPO MY4 120 VAC 150
ARRIBA BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.O. 120VCA. A 15 A.
MAX. 35
ABAJO BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.C. 120VCA. A 15 A.
MAX. 35
BRES RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 73,5
ENFRENTE BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.O. 120VCA. A 15 A.
MAX. 35
ATRÁS BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.C. 120VCA. A 15 A.
MAX. 35
ENCENDIDO BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.O. 120VCA. A 15 A.
MAX. 35
APAGADO BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.C. 120VCA. A 15 A.
MAX. 35
BASE RELEVADOR DE TIEMPO MY4 120 VAC 150
VACIO RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 73,5
ON BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.O. 120VCA. A 15 A.
MAX. 35
OFF BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.C. 120VCA. A 15 A.
MAX. 35
ALAMBRE CALIBRE 18 AWG 500
TORNILLERIA 250
FUSIBLE FUSIBLES 20
FUSIBLE FUSIBLES 20
CAJA DE FUSIBLES 800
CR1.2 RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 71,5
CR2.2 RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 72,5
BASE EUROSIN PYF 14E MY4 62,814
BASE EUROSIN PYF 14E MY5 62,814
INICIO A2 BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.O. 120VCA. A 15 A.
MAX. 35
S4 MICROSWITCH XZ 15 GBW3-B 51,04
S5 MICROSWITCH XZ 15 GBW3-B 51,04
S3 MICROSWITCH XZ 15 GBW3-B 51,04
T1.2 RELEVADOR DE TIEMPO DE ESTADO SÓLIDO A LA CONEXIÓN
MY4 120VAC 850
T2.2 RELEVADOR DE TIEMPO DE ESTADO SÓLIDO A LA CONEXIÓN
MY4 120VAC 850
BASE RELEVADOR DE TIEMPO MY4 120 VAC 150
BASE RELEVADOR DE TIEMPO MY4 120 VAC 150
BASE RELEVADOR DE TIEMPO MY4 120 VAC 150
T3.2 RELEVADOR DE TIEMPO DE ESTADO SÓLIDO A LA CONEXIÓN
MY4 120VAC 850
BASE RELEVADOR DE TIEMPO MY4 120 VAC 150
R2 TURBINA RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 72,5
72
SELECTOR 2
INTERRUPTOR SELECTOR 240 VCA./15 A. MAX 50
RSA 2 RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 72,5
RA 2 RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 72,5
BAS 2 RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 73,5
BASE RELEVADOR DE TIEMPO MY4 120 VAC 150
BASE RELEVADOR DE TIEMPO MY4 120 VAC 150
BASE RELEVADOR DE TIEMPO MY4 120 VAC 150
ARRIBA 2 BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.O. 120VCA. A 15 A.
MAX. 35
ABAJO 2 BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.C. 120VCA. A 15 A.
MAX. 35
BRES 2 RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 73,5
ENFRENTE 2
BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.O. 120VCA. A 15 A. MAX.
35
ATRÁS 2 BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.C. 120VCA. A 15 A.
MAX. 35
ENCENDIDO 2
BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.O. 120VCA. A 15 A. MAX.
35
APAGADO 2 BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.C. 120VCA. A 15 A.
MAX. 35
BASE RELEVADOR DE TIEMPO MY4 120 VAC 150
VACIO 2 RELEVADOR EUROSSIN MY4 120VAC 73,5
ON 2 BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.O. 120VCA. A 15 A.
MAX. 35
OFF 2 BOTÓN PULSADOR MOMENTÁNEO N.C. 120VCA. A 15 A.
MAX. 35
ALAMBRE CALIBRE 18 AWG 500
TORNILLERIA 250
TURBINA TURBINA DE AIRE 120 VCA 500
TURBINA 2 TURBINA DE AIRE 120 VCA 500
M MOTOREDUCTOR 2500
MANGUERA CALIBRE 6 400
COMPRESOR 4000
BOMBA DE VACIO 4000
C1 CILINDRO NEUMATICO 60 CM DE LARGO A 6 BAR 2000
C2 CILINDRO NEUMATICO 60 CM DE LARGO A 6 BAR 2000
V1 ELECTROVALVULA NEUMATICA 3 VIAS 2 POSICIONES A
24VCC 400
V2 ELECTROVALVULA NEUMATICA 3 VIAS 2 POSICIONES A
24VCC 400
V3 ELECTROVALVULA NEUMATICA 3 VIAS 2 POSICIONES A
24VCC 400
V4 ELECTROVALVULA NEUMATICA 3 VIAS 2 POSICIONES A
24VCC 400
V5 ELECTROVALVULA NEUMATICA 3 VIAS 2 POSICIONES A
24VCC 400
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10 VIGAS DE PTR 1"X1" 2200
VIGA DE REDONDO 1/4" 180
2 VIGAS DE MONTEN 4"X2" 600
VIGA DE ANGULO 1" 250
VIGA DE PTR 3/4" X 3/4" 250
VIGA DE SOLERA 1" 150
CHAROLA DE VACIO CALIBRE 12 1000
CARROS DESLIZADORES DE BASTIDOR 500
ESPARRAGO 3/4" ROSCA ESTANDAR 250
TORNILERIA PARA ESPARRAGO 300
LAMINA PERFORADA 800
CADENA PASO 40 350
CATARINAS PASO 40 250
CHUMACERAS 1" 550
CARROS DESLIZADORES BANCO DE RESISTENCIAS 200
UNIDAD DE SERVICIO NEUMATICO 800
PEGAAZULEJO 100
AZULEJO 200
BANCO DE RESISTENCIAS 1000
PYROGEL 1500
RESISTENCIAS ELECTRICAS 220VCA 1100 WATTS 700
PYROMETRO 3000
ARRNCADORES RESISTENCIAS 3000
ALAMBRE CALIBRE 10 AWG 800
THINER 200
PRIMARIO 350
ESMALTE 500
IMPLEMENTACION DE INGENIERIA 128203,504
TOTAL 180000
Tabla 9. Lista de costos de materiales de la máquina de termoformado
74
Construcción del prototipo
Proceso de Unión o Soldadura
Todo el proceso de soldadura eléctrica se realizó con electrodos convencionales 6013, de
1/8” a un voltaje de 120 volts con una corriente de 80 a 100 amperes, esto en base a las
especificaciones de este tipo de material de aporte.
Figura 4.16. Soldado de la estructura
75
Figura 4.17. Esmerilado de la estructura
Figura 4.18. Bastidor
76
Figura 4.19. Presentación del monten (perfil C) para la carrera del banco de resistencias
Figura 4.20. Charola de banco de resistencias con cubierta interna de Pyrogel
En la colocación de las resistencias eléctricas dentro del banco de resistencias, se realizó
una plancha de azulejo.
Existirán pérdidas de calor hacia el exterior pero estas serán mínimas, por lo que se
coloca el azulejo, ya que al ser un material refractario, reflejara las ondas de calor hacia
abajo, de tal manera que aumentara el calor y se tendrá una mayor eficiencia térmica.
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Figura 4.21. Marco interno del banco de resistencias con pega azulejo
Figura 4.22. Introducción de la plancha de azulejo en la charola del banco de resistencias
Una vez que se colocó la plancha de azulejo, se colocaron 6 resistencias eléctricas de
manera distribuida para tener calor de manera equitativa, y encima se colocó una lámina
de aluminio, esto debido a que cuenta con un coeficiente de difusión térmica óptimo para
tener el calor de manera uniforme dentro de una área .
78
Figura 4.23. Banco de resistencias terminado
4.24. Calibrado de electroválvulas neumáticas
79
4.25. Rectificado de los carretes de las electroválvulas
Figura 4.26. Puesta en marcha de la maquina hacia el área de trabajo 1
80
Figura 4.27. Calibración del motoreductor
Figura 4.28. Colocación neutral del banco de resistencias
81
Figura 4.29. Productos de prueba de Skin pack y Blíster, realizados para la pequeña
empresa J4T, Juguetes 4 Torres
82
Conclusiones
El proceso de diseño del prototipo así como la simulación, se apoyó con información
técnica, manuales especializados y principalmente con la ventaja de la simulación por
computadora gracias al programa AUTOCAD, lo que facilito el análisis estructural, los
mecanismos necesarios, así como su visualización en tres dimensiones. Estos elementos
contribuyeron a construirla con mayor eficiencia y desempeño.
Las herramientas computacionales no solo se utilizaron en la construcción de la maquina
sino también en la aplicación de la automatización, ya que esta se realizó mediante la
aplicación de un software de simulación para circuitos electroneumáticos AUTOMATION
STUDIO donde se observó el funcionamiento completo del sistema propuesto y el
adaptado a la máquina de termoformado de doble área.
El prototipo presentado en este trabajo reduce significativamente el costo, debido a que al
automatizarlo el número de operarios se reduce a uno por estación, lo cual optimiza los
tiempos y movimientos, además de disminuir el tamaño de la maquinaria.
Otra ventaja de este diseño es que no solo contempla los costos de producción, sino que
también se intenta reducir el número de accidentes y contratiempos que pueden
presentarse, asegurando la integridad de la maquinaria y lo más importante, la del
operador.
Con el fin de crear una maquina termoformadora automatizada de doble área, se busca
revolucionar la industria mexicana encaminada hacia este sector, ya que las máquinas de
esta naturaleza que actualmente se encuentran en el mercado, son convencionales y
debido a esto los precios de esta así como de su mantenimiento y operación se elevan, al
automatizarla se reduce considerablemente el gasto a largo plazo porque principalmente
se reduce el número de operadores que la tienen que manipular a solo uno por
estación de trabajo, también los tiempos y movimientos que debe realizar el operador de
esta maquinaria y del mismo modo disminuir el tamaño de la maquinaria para volverla
más óptima.
El prototipo aún no está terminado en su totalidad debido al costo de elementos con los
cuales está conformado. Hasta el momento se lleva una inversión de 60 mil pesos, esto
claro sin tomar la mano de obra y los conocimientos de ingeniera, puesto que es un
diseño adaptativo de máquinas de termoformado que ya existían pero no con estas
83
cualidades lo que aproxima un valor de venta cerca de 250 mil pesos, a comparación de
máquinas de un área de trabajo, Lo que la hace una maquina competitiva en el mercado
mexicano, además de tener esa ventaja, el ser una maquina 100% mexicana.
84
ANEXOS
85
Anexo 1
86
Anexo 2
87
Bibliografía
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88
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