REDISEÑO DE UNA MÁQUINA EXTRUSORA PARA RECICLAJE DE PLÁSTICO PRODUCIDO EN LA FACULTAD TECNOLÓGICA DE LA UD CAROL ESTEFANY PIÑEROS TRUJILLO BRYAM STIVEN ACOSTA GUTIERREZ UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA BOGOTÁ D.C.
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REDISEÑO DE UNA MÁQUINA EXTRUSORA PARA RECICLAJE DE PLÁSTICO PRODUCIDO EN LA FACULTAD TECNOLÓGICA DE LA UD
CAROL ESTEFANY PIÑEROS TRUJILLO BRYAM STIVEN ACOSTA GUTIERREZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
BOGOTÁ D.C.
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REDISEÑO DE UNA MÁQUINA EXTRUSORA PARA RECICLAJE DE PLÁSTICO PRODUCIDO EN LA FACULTAD TECNOLÓGICA DE LA UD
CAROL ESTEFANY PIÑEROS TRUJILLO BRYAM STIVEN ACOSTA GUTIERREZ
PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TITULO DE TECNOLOGO EN MECÁNICA
DIRECTOR DEL PROYECTO DE GRADO VICTOR RUIZ ROSAS
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
BOGOTÁ D.C.
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Nota de aceptación:
_________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________ _________________________________
_________________________________ Firma del presidente jurado
_________________________________ Firma del jurado
_________________________________ Firma del jurado
Bogotá D.C 27/Mayo/2019
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AGRADECIMIENTOS A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas por la formación profesional y personal brindada. A nuestro director de proyecto de grado Ing. Víctor Ruiz Rosas, quien estuvo al frente y siempre dándonos el apoyo que se requiere para culminar el proyecto, al Ing. Alex Alvarado y a todos los docentes que nos brindaron su apoyo para la realización del proyecto y a lo largo de la carrera impartieron sus conocimientos y experiencia, también a nuestra familia quienes siempre nos apoyaron en nuestro estudio.
5
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 11
CAPITULO 1. PROBLEMÁTICA ................................................................................ 12
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................... 12
1.2. JUSTIFICACIÓN .......................................................................................... 14
1.3. OBJETIVOS ................................................................................................. 15
1.3.1. General .................................................................................................. 15
1.3.2. Específicos ............................................................................................ 15
CAPITULO 2. MARCO TEORICO Y ANTECEDENTES .............................................. 16
2.1. QUE ES EXTRUSIÓN (Mariano, 2011) ........................................................ 16
2.1.1. Componentes de la extrusora (Rico & Gomis, 2012) ............................. 16
2.2. PARÁMETROS PRINCIPALES DE UNA EXTRUSORA ............................... 19
2.2.1. Husillo y zonas ...................................................................................... 19
2.2.2. Diámetro del husillo. .............................................................................. 21
2.2.3. Longitud del husillo ................................................................................ 21
2.2.4. Huelgo radial tornillo-cilindro:. ................................................................ 21
2.2.5. Angulo de hélice del canal helicoidal:. ................................................... 22
2.2.6. Revoluciones de tornillo. ........................................................................ 22
2.2.7. Dispositivos de mezcla: ......................................................................... 22
2.2.8. El cabezal y boquilla .............................................................................. 23
2.2.9. Tolva de alimentación: ........................................................................... 23
2.2.10. Cilindro ............................................................................................... 23
2.2.11. Calentamiento, enfriamiento y aislamiento. ........................................ 24
2.2.12. Motor .................................................................................................. 25
2.3. SISTEMA DE CONTROL .............................................................................. 28
2.3.1. Control para temperatura ....................................................................... 28
2.3.2. Control para velocidad del tornillo: ......................................................... 29
2.4. DEFINICIÓN DE POLÍMEROS ..................................................................... 29
2.4.1. Propiedades .......................................................................................... 29
2.4.2. Termoplásticos ...................................................................................... 31
2.4.3. Tipos de termoplásticos. ........................................................................ 31
2.4.4. Polietileno .............................................................................................. 32
2.4.5. Comportamiento polimérico. .................................................................. 34
2.5. ANTECEDENTES......................................................................................... 39
6
2.5.1. Diseño de una extrusora de plástico ...................................................... 41
2.5.2. Diseño de una máquina extrusora para la empresa plastik de occidente
42
2.5.3. Diseño de una máquina extrusora de plástico para los productores de
manguera de Ocaña ............................................................................................ 42
2.5.4. Diseño y construcción de una máquina extrusora para implementar el
laboratorio de plásticos en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas ..... 43
2.6. ANALISIS MÁQUINA EXTRUSORA A REDISEÑAR .................................... 43
2.6.2 Parámetros de la máquina extrusora de Precious Plastic. .......................... 45
2.6.2. Despiece de la máquina extrusora de Precious Plastic .............................. 45
CAPITULO 3. REDISEÑO DE MÁQUINA EXTRUSORA ............................................ 49
3.1. CRITERIO DE SELECCIÓN ......................................................................... 49
3.2. TORNILLO DE EXTRUSIÓN ........................................................................ 49
3.2.1. Angulo de hélice del canal. .................................................................... 50
3.2.2. Relación L/D .......................................................................................... 50
3.2.3. Ancho del canal ..................................................................................... 51
3.2.4. Holgura .................................................................................................. 51
3.2.5. Profundidad sección de alimentación (h1) ............................................. 51
3.2.6. Profundidad sección de dosificación (h2) ............................................... 51
3.2.7. Espesor del filete ................................................................................... 51
3.2.8. Longitud del husillo ................................................................................ 52
3.2.9. Comparación de dimensiones de los tornillos de extrusión Precious
Plastic / Rediseño ................................................................................................ 53
3.2.10. Mezclador .......................................................................................... 54
3.2.11. Relación de compresión ..................................................................... 54
3.2.12. Selección material tornillo .................................................................. 55
3.3. FLUJO VOLUMÉTRICO ............................................................................... 56
3.3.1. Constante de la boquilla (K) ................................................................... 56
3.3.2. Calculo de flujos dentro de la extrusora. ................................................ 61
3.3.3. Velocidad del husillo .............................................................................. 62
3.3.4. Flujo volumétrico máximo del tornillo ..................................................... 64
3.3.5. Presión máxima ..................................................................................... 64
3.3.6. Presión del extrusor ............................................................................... 65
3.3.7. Producción de la máquina extrusora ...................................................... 66
3.3.8. Comparación de Producción Máquina Precious Plastic/Rediseño ......... 67
7
3.4. POTENCIA REQUERIDA POR LA MÁQUINA .............................................. 68
3.5. ESFUERZOS DE TORNILLO ....................................................................... 68
3.6. CILINDRO .................................................................................................... 70
3.6.1. Selección material para el cilindro ......................................................... 71
3.7. SOPORTE DE LA MÁQUINA Y CILINDRO .................................................. 72
3.8. TRANSFERENCIA DE CALOR .................................................................... 76
3.8.1. Estimación de pérdidas ......................................................................... 80
3.8.2. Calor necesario para calentar el cilindro ................................................ 81
3.8.3. Potencia requerida en los calefactores (W) ........................................... 81
3.8.4. Resistencia para cada calefactor ........................................................... 81
3.8.5. Temperaturas de operación ................................................................... 82
3.8.6. Selección de la termocupla y resistencias. ............................................ 83
3.9. SISTEMA DE VENTILACIÓN ....................................................................... 84
3.10. TOLVA ...................................................................................................... 85
3.10.1. Selección del material para la tolva .................................................... 86
3.11. MUÑON .................................................................................................... 87
3.12. TRANSMISIÓN DE POTENCIA ................................................................ 92
3.13. SISTEMA DE CONTROL .......................................................................... 94
3.14. ENSAMBLE FINAL DE LA MÁQUINA EXTRUSORA ................................ 96
3.15. COMPARACIÓN DE PARTES MÁQUINA PRECIOUS PLASTIC /
REDISEÑO ............................................................................................................. 97
CAPITULO 4. ANALISIS DE COSTOS DE FABRICACION ...................................... 101
4.1. TORNILLO DE EXTRUSIÓN ...................................................................... 101
4.2. CILINDRO .................................................................................................. 101
4.3. SUJECION TORNILLO-MOTOR ................................................................ 102
4.4. TORNILLERIA ............................................................................................ 103
4.5. VENTILADOR ............................................................................................. 103
4.6. MOTORREDUCTOR .................................................................................. 104
4.7. COMPONENTES DE CONTROL, TRANSFERENCIA DE CALOR, BOQUILLA
Y ESTRUCTURA .................................................................................................. 104
4.8. PRESUPUESTO TOTAL ............................................................................ 105
CONCLUSIONES
BIBLIOGRAFÍA
8
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Radios de compresión típicos comerciales. .................................................. 21
Tabla 2. Tipo de carga ................................................................................................ 27
Tabla 3. Numero de arranques por hora. .................................................................... 27
Tabla 4. Según la temperatura ambiente. ................................................................... 27
Tabla 5. Constante K. ................................................................................................. 28
Tabla 6. Propiedades de los polímeros....................................................................... 30
Tabla 7. Propiedades térmicas de algunos polímeros y cantidad calor necesario para
su procesado. ............................................................................................................. 31
Tabla 8. Cantidad de plástico en la Universidad Distrital Facultad Tecnológica. ......... 41
Tabla 9. Parámetros dimensionales de tornillo extrusor máquina Precious Plastic ..... 45
Tabla 10. Despiece de la máquina extrusora de Precious Plastic. .............................. 48
Tabla 11. Longitudes recomendadas para cada zona ................................................ 52
Tabla 12. Comparación de dimensiones del tornillo de extrusión ............................... 53
Tabla 13. Longitudes distribuidas con mezclador. ...................................................... 54
Tabla 14. Plato rompedor. .......................................................................................... 59
Tabla 15. Velocidades de corte en la boquilla. ........................................................... 60
Tabla 16. Velocidad de corte en el canal del tornillo. .................................................. 60
Tabla 17. Datos tornillo de extrusión rediseño ............................................................ 64
Tabla 18. Viscosidad efectiva del polietileno y polipropileno ....................................... 65
Tabla 19. Producción de la máquina con distintos tipos de plástico. ........................... 67
Tabla 20. Comparativa de la producción extrusora ..................................................... 68
Tabla 21. Longitudes soporte máquina. ...................................................................... 74
Tabla 22. Longitudes soporte cilindro. ........................................................................ 75
Tabla 23. Propiedades del aire a 358,65k. ................................................................. 78
Tabla 24. Valor de resistencias. ................................................................................. 82
Tabla 25. Temperaturas de extrusión en distintas zonas para el polipropileno ........... 83
Tabla 26. Temperaturas de extrusión en distintas zonas para el polietileno ............... 83
Tabla 27. Termocupla tipo J. ...................................................................................... 84
Tabla 28. Datos para el cálculo de la tolva. ................................................................ 85
Tabla 29. Volumen total de la tolva y volumen con espacio vacío. ............................. 86
Tabla 30. Volumen total tolva. .................................................................................... 86
Tabla 31. Datos para el cálculo del muñón. ................................................................ 87
Tabla 32. Propiedades mecánicas del acero 4140. .................................................... 88
Tabla 33. Datos para el cálculo del factor de seguridad del muñón. ........................... 88
Tabla 34. Factor del material. ..................................................................................... 91
Tabla 35. Factor de carga........................................................................................... 91
Tabla 36. Factor de confiabilidad. ............................................................................... 91
Tabla 37. Factor de tamaño. ....................................................................................... 91
Tabla 38 . Tipo de motor reductor. .............................................................................. 93
Tabla 39. Componentes sistema de control. ............................................................... 94
Tabla 40. Comparación de las partes y sistemas de máquina Precious Plastic /
rediseño .................................................................................................................... 100
Tabla 41. Costo tornillo de extrusión. ....................................................................... 101
9
Tabla 42. Costo cilindro. ........................................................................................... 102
Tabla 43. Costo sujeción tornillo motor. .................................................................... 102
Tabla 44. Costo tornillería......................................................................................... 103
Tabla 45. Costo ventilador. ....................................................................................... 103
Tabla 46. Costo motorreductor. ................................................................................ 104
Tabla 47. Costo estructura, boquilla y transferencia de calor. ................................... 105
Tabla 48. Costo total de fabricación de la máquina extrusora. .................................. 106
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Esquema del extrusor. ............................................................................... 16
Figura 2. Tornillo de una extrusora. ............................................................................ 17
Figura 3. Sistema de cilindro de calefacción de tornillos. ........................................... 17
Figura 4. Tipos de tolvas. ........................................................................................... 18
Figura 5. Boquilla anular y cabezal. ........................................................................... 18
Figura 6. Partes diferenciadas en una boquilla de extrusión. ..................................... 19
Figura 7. Partes de una boquilla perfil circular............................................................ 19
Figura 8. Temperatura de la garganta. ....................................................................... 20
Figura 9. Algunos tipos de mezcladores para tornillos de extrusión. .......................... 22
Figura 10. Cilindros acanalados. ................................................................................ 24
Figura 11. Clasificación de los polímeros. .................................................................. 29
Figura 12. Simbología para tipos de plásticos ............................................................ 32
Figura 13. Polietileno de baja densidad muy ramificado. ............................................ 33
Figura 14. Polietileno de alta densidad....................................................................... 34
Figura 15. Polipropileno. ............................................................................................ 34
Figura 16. Comportamiento de polímeros .................................................................. 35
Figura 17. Viscosidad de diferentes polímeros. .......................................................... 36
Figura 18. Viscosidad a diferentes velocidades de corte. ........................................... 36
Figura 19. Gradiente de presión común en un extrusor .............................................. 37
Figura 20. Gradiente de presión a través del tornillo de extrusión. ............................. 38
Figura 21. Característica de extrusor y característica del troquel ............................... 39
Figura 22: Blog Precious Plastic. .............................................................................. 44
Figura 23 . Máquina extrusora Precious Plastic ......................................................... 44
Figura 24. Configuración geométrica del tornillo de extrusión. ................................... 50
Figura 25. Modelado del tornillo de extrusión. ............................................................ 55
Figura 26. Modelado de la boquilla. ........................................................................... 57
Figura 27 y Figura 28. Modelado del boquilla hiladora ............................................. 58
Figura 29. Modelado plato rompedor. ........................................................................ 58
Figura 30. Medidas del Plato rompedor...................................................................... 59
Figura 31. Velocidad de corte para procesos de transformación de plastico. ............. 63
Figura 32. Modelado del cilindro. ............................................................................... 72
Figura 33. Propiedades del acero ASTM A36. ........................................................... 73
Figura 34. Composición química del acero ASTM A36. ............................................. 73
Figura 35. Modelado del soporte de la máquina. ........................................................ 74
Figura 36. Partes del soporte del cilindro. .................................................................. 75
Figura 37. Modelado del soporte del cilindro. ............................................................. 76
10
Figura 38. Propiedades termofisicas de gases a presión atmosférica. ....................... 78
Figura 39. Garganta de alimentación. ........................................................................ 85
Figura 40. Modelado de la tolva. ................................................................................ 86
Figura 41. Fuerza de resistencia. ............................................................................... 88
Figura 42. Factor de concentración de esfuerzos para un eje en torsión. ................... 89
Figura 43. Sensibilidad al entalle. ............................................................................... 90
Figura 44. Máquina extrusora. ................................................................................... 96
11
INTRODUCCIÓN
Los plásticos se pueden encontrar en diversas aplicaciones de la vida cotidiana, son transformables, fáciles de fabricar y son económicos. El uso del plástico ha ido creciendo de manera potencial a través del tiempo puesto que han logrado reemplazar materiales como la madera, metal, caucho, cerámica, vidrio entre otros, en todas las industrias actuales. Pero debido al incremental uso del plástico, los residuos de este han aumentado en las calles o vertederos y diferentes ecosistemas, lo cual está afectando seriamente al medio ambiente, es por esto que se han desarrollado diferentes procesos para dar un uso adecuado a dichos residuos, entre ellos se encuentra la extrusión, uno de los más importantes y utilizados en la industria de plásticos. Esta técnica aplicada a el material de residuo pueden transformarse en productos aprovechados nuevamente, esto se logra previo a distintas fases como selección, limpieza y trituración. La Universidad Distrital, como toda organización debe pensar en el manejo de sus residuos y si pueden ser aprovechables, así como los procesos de transformación y nuevos productos que colaboren a la investigación. Es por ello que el presente proyecto tiene como finalidad el rediseño de una máquina extrusora de plástico que proviene de una causa social internacional “Precious Plastic” que está incentivando al mundo al reciclaje de plástico. El presente proyecto fue desarrollado dentro del semillero de investigación TESLA conformado por estudiantes del convenio 2955, para que esta pueda ser implementada en la Facultad Tecnológica lo que busca darle un tratamiento a los residuos plásticos emitidos por la misma; el trabajo por tanto se conforma por la información teórica acerca de extrusión de los plásticos y las características del mismo, antecedentes del problema y un estudio de componentes y funcionamiento de una extrusora para presentar finalmente un rediseño de una máquina extrusora con sus respectivos cálculos y los planos tecnológicos, la lista de elementos para la construcción de la máquina y el análisis de costos para una posible adquisición por parte de la Universidad.
12
CAPITULO 1. PROBLEMÁTICA
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Como se sabe el plástico es uno de los materiales más versátiles de la industria,
por todas las posibilidades de uso que tiene para los seres humanos, a pesar de
ello, el plástico también tiene sus problemas. El uso intensivo de éste, ha hecho
que sea difícil de manejar por no ser biodegradable como otros materiales, por
ejemplo el papel (Secretaría de cultura, recreación y deporte, 2018); esto
contribuye que el plástico sea el responsable en gran parte de los residuos
contaminantes acumulados en la naturaleza.
Así mismo, como menciona Álvaro Silva Sánchez en el portal LinkedIn “la
mayoría de los plásticos están fabricados de derivados del petróleo; una minoría
es creada a través de materiales reciclables” (Silva Sanchez, 2017); el plástico
al ser un derivado del petróleo está ligado al creciente uso y dependencia del
mismo debido al sistema económico existente, puesto que, de cierto modo, su
fabricación se ha vuelto una forma económica.
Es por ello que la presencia de plásticos en el planeta ha sido inevitable debido
a sus amplios usos, se estima que hasta la fecha se produjeron 8.300 millones
de toneladas de plástico alrededor del mundo, dé los cuales un 79% se
encuentra acumulado en vertederos o entornos naturales según el ecologista
industrial Roland Geyer en la revista Science Advances. (BBC Mundo, 2017). En
consecuencia, se han alcanzado máximos niveles de contaminación sobre todo
en países en vía de desarrollo debido a que no se tiene una disposición
adecuada de sus residuos; el procedimiento común en estos países es llevar
todos los residuos (reciclables o no) a los denominados vertederos, en donde
llega en su mayoría el plástico desechado. La gran diferencia de estos países
con países europeos como es el caso de Suiza, Dinamarca, Alemania, entre
otros., es que en estos se recicla ampliamente todo tipo de material, hay una
separación estricta y un tratamiento posterior que permite aprovechar casi que
todos sus residuos; por ejemplo, en Suiza se recicla un 83% de plástico, mientras
que residuos restantes son utilizados para incineración debido a que se
consideran no reciclables o usados como abono (BCN, 2016). Muchos de estos
países han conseguido utilizar dicho material reciclado, resultante de residuos
plásticos para crear productos tales como sillas, canecas, material para
impresión 3D, entre otros., esto creando una economía circular que disminuye la
existencia de plásticos en la naturaleza y su terrible huella en esta.
El reciclaje del plástico se puede de dos formas: el reciclaje mecánico y el
reciclaje químico (González, 2012). Con respecto a la parte del reciclaje
mecánico se encuentran procesos como : lavado, triturado, extrusión, inyección
y compresión (Mariano, 2011). El proceso de extrusión de plástico consiste en
13
hacer pasar bajo la acción de la presión un material termoplástico a través de un
orificio con forma más o menos compleja (hilos, distintos perfiles), de manera tal,
y continua, que el material adquiera una sección transversal igual a la del orificio
(Interempresas, 2015). Este método se considera una forma muy buena de
aprovechamiento y producción de artículos nuevos en ámbitos como tubería,
bolsas, láminas, productos de aseo en general, etc. (Mariano, 2011).
En Colombia se ha dado la iniciativa de crear empresas de reciclaje pero aun la
fracción que realmente logra una disposición es muy baja. “El país genera unos
12 millones de toneladas al año y solo se es reciclado el 17%” (Dinero, 2017), es
decir queda una considerada cantidad que llega a las calles o los vertederos; el
portal eldinero.com también manifiesta que es preocupante la situación del
botadero de doña Juana y otros lugares de disposición en el país, “La crisis de
los rellenos sanitarios está llegando a niveles peligrosos… es urgente poner al
reciclaje en el centro de la discusión” menciona el portal. En cuanto a fracciones
de plástico reciclado las cifras entregadas son de un 41% promedio según
ranking realizado por Enka de Colombia (Suarez Zarta, 2016).
En este contexto el plástico post-tratado1 resultante se ha usado para crear
productos similares a la industria europea, pero aun estas industrias siguen
siendo muy primitivas y su producción tiene baja eficiencia. Una de las formas
de aprovechamiento y creación de productos nuevos de plástico reciclado es la
extrusión que poco se ha explotado en Colombia, debido al alto costo de equipos
de importación, estos no son accesibles para las industrias de reciclaje de
Colombia, además, el tratamiento previo que requiere los residuos plásticos
generan un coste que no resulta ser rentable, de la forma como hoy se realiza;
aun así dicha aplicación de extrusión se ha intentado y logrado en empresas
como la Productora interamericana de plásticos SAS para el caso de Bogotá, se
generan unas 7.500 toneladas al día y se reciclan entre 14% y 15%, incluso por
debajo del promedio nacional. (Dinero, 2017), la ciudad se destaca por su bajo
nivel de desempeño a comparación de Medellín y Cali (Revista Semana, 2017),
donde el producto no reciclado se emite a los diferentes botaderos de la ciudad
como el botadero de Doña Juana.
La Universidad Distrital Francisco José de caldas en la Facultad Tecnológica,
como toda organización, tiene residuos de plástico, papel, metales, vidrio, entre
otros, para los cuales se tiene un método de separación por bolsas para una
posterior recogida y disposición a los rellenos sanitarios en sus respectivos días
para la localidad de Ciudad Bolívar. Hay un pequeño porcentaje de residuos que
tiene otro destino; la cantidad de residuos emitidos por la Universidad Distrital
son medidos por el plan institucional de gestión ambiental (PIGA) quienes
1 Plástico resultante de los procesos de lavado y triturado, listo para uso en procesos de inyección,
extrusión, entre otros procesos para fabricación de productos.
14
trabajan con ASODIG (asociación de mujeres del reciclaje, una opción digna)
para la recolección y disposición final de los materiales reciclables emitidos, esta
última asociación es quien se encarga de emitir mensualmente la cantidad y tipo
de residuos. La gran problemática que se tiene desde las facultades y desde un
contexto general es la separación en la fuente, puesto que, aunque se realizan
campañas para su correcta implementación, no se ven evidencias que funcione
por lo que se pierde un importante paso para que el material logre ser reciclado.
La mayor emisión de residuos después de papel y cartón en la Universidad es el
plástico encontrado usualmente en envases de bebidas, paquetes de alimentos,
cubiertos desechables, entre otros, quienes así mismo podrían volverse
productos útiles mediante algún proceso de transformación para generar
productos como canecas, productos de aseo, así como puede ser materia de
estudio para crear modelos en 3D, prototipos y demás elementos que hacen
parte diaria de la comunidad universitaria.
1.2. JUSTIFICACIÓN
La incorporación del plástico a la vida cotidiana, ha creado un fenómeno con
presencia indefinida, son residuos que no tienen la utilización o disposición
posterior adecuada, problema que crece constantemente y permanecerá debido
a que el plástico no es biodegradable, es por esto que el reciclaje se ha
convertido en el pilar tanto para el tratamiento de los residuos como para la
creación de nuevos materiales y productos.
Puesto a la falta de tratamiento de residuos plásticos en la Universidad Distrital
Francisco José de Caldas específicamente en la facultad tecnológica ha llevado
al semillero de investigación TESLA realizado por parte del convenio 2955 a
crear este proyecto, encaminados a contribuir en la resolución de dicha
problemática, se pretende contribuir con el rediseño de una máquina extrusora,
económica y posible de implementar, lo cual le permita a la Universidad disponer
de sus propios residuos plásticos de una manera correcta y aprovechable en el
que por medio de la técnica de extrusión se puedan crear nuevos productos en
un futuro. Así mismo, con el fin de dar un uso a la cantidad de plástico emitido
por la Universidad, con la aplicación de conocimientos de diseño, ciencias
térmicas, materiales, química, entre otros provistos por la misma, se concretará
un diseño final analizando cada aspecto de la misma para garantizar un correcto
funcionamiento.
15
1.3. OBJETIVOS
1.3.1. General
Rediseñar una máquina extrusora de plástico para reciclaje como parte de una línea de producción de plástico reciclado dentro del semillero de investigación TESLA en el marco del convenio 2955
1.3.2. Específicos
Establecer condiciones de operación, restricciones y requerimientos para la máquina
Analizar las condiciones técnicas de la máquina actual
Determinar parámetros de diseño que garanticen las condiciones de funcionamiento definidas de la máquina extrusora
Generar la memoria de diseño y la información técnica del producto necesaria para su fabricación.
Realizar un análisis de costos de fabricación.
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CAPITULO 2. MARCO TEORICO Y ANTECEDENTES
2.1. QUE ES EXTRUSIÓN (Mariano, 2011)
Definición: La palabra extrusión proviene del latín "extrudere" que significa forzar
un material a través de un orificio. La extrusión consiste en hacer pasar bajo la
acción de la presión un material termoplástico a través de un orificio con forma
más o menos compleja (hilera), de manera tal, y continua, que el material
adquiera una sección transversal igual a la del orificio (Ver figura 1). En la
extrusión de termoplásticos el proceso no es tan simple, ya que durante el
mismo, el polímero se funde dentro de un cilindro y posteriormente, enfriado en
una calandria, Este proceso de extrusión tiene por objetivos, proceso que es
normalmente continuo, usarse para la producción de perfiles, tubos, películas
plásticas, hojas plásticas ,etc. (Mariano, 2011)
Figura 1. Esquema del extrusor.
Fuente: (Beltran Rico & Marcilla Gomis, 2012)
2.1.1. Componentes de la extrusora (Rico & Gomis, 2012)
2.1.1.1. El tornillo de extrusión: El tornillo o husillo consiste en un cilindro
largo rodeado por un filete helicoidal. El tornillo es una de las partes
más importantes ya que contribuye a realizar las funciones de
transportar, calentar, fundir y mezclar el material. Los parámetros
para su diseño se detallan más adelante.
17
Figura 2. Tornillo de una extrusora.
Fuente: (Beltran Rico & Marcilla Gomis, 2012)
2.1.1.2. Cilindro: El cilindro de calefacción alberga en su interior al tornillo
como se muestra en la figura 3. Está equipado con el sistema de
transferencia de calor quienes tendrán un control independiente,
obteniendo un gradiente de temperatura razonable desde la tolva a la
boquilla.
Figura 3. Sistema de cilindro de calefacción de tornillos.
Fuente: (Beltran Rico & Marcilla Gomis, 2012)
2.1.1.3. Garganta de alimentación: Aquella por donde se da la entrada de
material desde la tolva al tornillo directamente y que también ira
conectado al cilindro. Suele estar provista de un sistema de
refrigeración para mantener la temperatura de esta zona lo
suficientemente baja para que las partículas de granza no se adhieran
a las paredes internas de la extrusora. (Beltran Rico & Marcilla Gomis,
2012)
2.1.1.4. Tolva: La tolva es el contenedor que se utiliza para introducir el
material en la máquina. En la figura 4 se visualizan las formas de tolva
más comunes que aseguran un flujo constante a la garganta de
alimentación. Se recomienda diseñar para albergar 1 a 2 horas de
trabajo.
18
Figura 4. Tipos de tolvas.
Fuente: (Beltran Rico & Marcilla Gomis, 2012)
2.1.1.5. Cabezal y boquilla: El cabezal es la pieza situada al final del
cilindro, su funciones la de moldear el plástico. La figura 5 muestra
una boquilla anular (fabricación de tubería o recubrimientos
cilíndricos), otros ejemplos son boquilla plana (fabricación de
películas, laminado) de la figura 6 y boquillas para perfiles circulares
figura 7.
Figura 5. Boquilla anular y cabezal.
Fuente: (Beltran Rico & Marcilla Gomis, 2012)
19
Figura 6. Partes diferenciadas en una boquilla de extrusión.
Fuente: (Beltran Rico & Marcilla Gomis, 2012)
Figura 7. Partes de una boquilla perfil circular
Fuente: (Morales, 2015)
2.2. PARÁMETROS PRINCIPALES DE UNA EXTRUSORA
2.2.1. Husillo y zonas: Parte central de la máquina, comúnmente tienen 3 zonas
las cuales tendrán funciones distintas que permitan completar la fusión y
compresión del material a extruir, se dividen en:
2.2.1.1. Zona de alimentación. Es la zona del extremo posterior del husillo
junto a la tolva. Esta zona se precalienta y transporta el polímero a las
partes siguientes. En esta parte ocurre el transporte de gránulos
sólidos y comienza la elevación de temperatura del material. La
experiencia en poliolefinas aconseja el uso de 50°C por debajo de la
20
temperatura de fusión del plástico. Una temperatura muy baja impide
la fusión y que el plástico se adhiera al husillo.
Figura 8. Temperatura de la garganta.
Fuente: (Beltran Rico & Marcilla Gomis, 2012)
2.2.1.2. Zona de compresión: Zona donde se produce una disminución del
volumen en el interior del filete provocando una compresión del
material progresiva que provoca calor por fricción y cizalla. Esto ayuda
en la fusión del material y por tanto se produce también un aumento
del volumen específico. En esta zona a través de esta compresión, el
aire que hay entre la granza es desplazado hacia la zona anterior de
alimentación, de esta se obtiene una relación de compresión resultado
de la división de la profundidad de alimentación y la profundidad de
dosificación, que tienden a oscilar entre 2 y 4 para polímeros
termoplásticos. (Beltran Rico & Marcilla Gomis, 2012). Algunos
valores de dicha relación se presentan en la tabla 1.
21
Tabla 1. Radios de compresión típicos comerciales.
Fuente: (Giles, Wagner, & Mount, 2005)
En esta zona la resina se comprime y se calienta hasta su punto de
fusión, se expulsa el aire atrapado entre los gránulos originales,
seguido de una mejora de transferencia de calor desde las paredes
del barril calentado conforme el material se vuelve menos espeso,
posteriormente se da el cambio de densidad que ocurre durante la
fusión. (Giles, Wagner, & Mount, 2005)
2.2.1.3. Zona de dosificación. Zona donde se produce la mezcla y
homogeneización final de la masa fundida dirigida al dado a
temperaturas y presión constantes. En esta zona también se presenta
flujo laminar en la materia, el cual no permite una buena mezcla o
presencia de material sólido, para el cual se destinan mezcladores
especiales.
2.2.2. Diámetro del husillo: De este dependerá la producción del husillo. Se
refiere al diámetro exterior del tornillo.
2.2.3. Longitud del husillo: Longitud total, se refiere a la longitud que contiene
los filetes helicoidales y zona de mezclado. Estará determinada por una
relación L/D que oscila entre 20 A 25.
2.2.4. Huelgo radial tornillo-cilindro: Este se encuentra entre la cresta del
filete del husillo y la superficie interior del cilindro: comúnmente es de
0,002*D para los husillos de diámetro grande y 0,005*D para los de diámetro
22
pequeño. Para poliamidas y algunas clases de polietileno este huelgo no
deberá sobrepasar de 0,1 mm. Por otro lado Giles (Giles, Wagner, & Mount,
2005) recomienda un huelgo radial de 0,025*D, que aunque puede parecer
muy grande, es mejor debido a que no requiere una construcción precisa de
elevado costo, y funciona correctamente.
2.2.5. Angulo de hélice del canal helicoidal: Es el ángulo que se forma desde
una línea perpendicular al eje del tornillo, este no varía a través del tornillo
por lo que para aplicaciones comunes se mantiene constante.
2.2.6. Revoluciones de tornillo: Comúnmente se regula con un variador
mecánico o caja de cambio (cuando la máquina es accionada por un motor
eléctrico asincrónico de corriente alterna). Cuando el accionamiento es por
medio de motores asincrónicos de colector y motores de corriente continua
o hidráulica, el cambio de revoluciones lo realiza directamente el motor.
Para el cálculo de numero de revoluciones del husillo es importante conocer
la velocidad de corte, que para la extrusión se encuentra en una rango de
100-1000 s^-1. (Morton-Jones, 1986)
2.2.7. Dispositivos de mezcla: Usualmente se tendrá después de la zona de
dosificación una zona de mezclado incorporado al final del tornillo que busca
mejorar la dispersión y mejora la homogenización el material por medio de
medio de pernos, ranuras, costillas, entre otros. Existen muchos tipos de
mezcladores entre los cuales destacan:
- Tipo Dulmage
- Tipo pines
- Tipo Maddock
- Tipo pulsante
Figura 9. Algunos tipos de mezcladores para tornillos de extrusión.
Fuente: (Marín Urrego & Romero Escobar, 2008)
23
2.2.8. El cabezal y boquilla: Como se dijo antes este componente será el
encargado de moldear el plástico según el perfil deseado, este contiene el
juego de plato rompedor y malla quienes se encargan de romper el patrón
de flujo en espiral que el tornillo imparte y evitar el paso de material extraño,
polímero no fundido, etc. Se distinguen tres zonas: entrada, relajación y
salida. . Este canal de entrada tiene como objetivo producir la desaceleración
del material e incrementar el tiempo de residencia en la boquilla de manera
tal que el polímero relaje los esfuerzos impartidos por el paso a través de los
paquetes de mallas y plato rompedor. La zona de salida produce el formato
de perfil deseado con las dimensiones requeridas. Las dimensiones de toda
la boquilla determinaran una constante que incidirán en la presión y caudal
a extruir. (Beltran Rico & Marcilla Gomis, 2012)
2.2.9. Tolva de alimentación: Debe tener dimensiones adecuadas para ser
completamente funcional, requiere atención en los ángulos de bajada de lo
contrario puede provocar estancamientos de material y paros en la
producción. (Morales, 2015)
2.2.10. Cilindro: Los cilindros deben ser lo suficientemente sólidos como
para soportar presiones de hasta 70 MN/m^2 (aprox 700 kg/m^2), resistentes
a los efectos térmicos para aguantar temperaturas de hasta 400°C y lo
suficientemente resistentes al desgaste y a la corrosión (Savgorodny, 1973).
Aquí el material puede ser forja o fundición, bimetálicos lo que también
dependerá por el medio de calefacción usado (circulación de agua o vapor –
o eléctrico, es decir resistivo o inductivo). El interior del cilindro será quien
soporte grandes cargas por lo que se recomienda un recubrimiento nitrurado;
una recomendación por las industrias de los EEUU son los cilindros
bimetálicos quienes suelen durar tres veces más que los nitrurados.
(Savgorodny, 1973) Las aleaciones más empleadas:
i) Colmonoy 5 y 6 con el 9 al 17% de Cr
ii) Stellite 6 y 12 con el 27 al 32% de Cr
iii) Xaloy 306, 420 y 600 don 3l 9 al 30% de Cr
Los cañones con materiales bimetálicos xaloy 101, se utilizan para plásticos
severos (resinas con hasta 30% de fibra de vidrio, cargas y aditivos); y
bimetálicos Premium xaloy 800 utilizados para plásticos críticos (fluoropolimeros,
fenólicos, resinas con hasta 30% de vidrio, cargas y rellenos). También indica
que los cilindros encamisados con Xaloy puede durar seis u ocho veces más que
las camisas nitruradas, pueden minimizar costos, y proteger contra el desgaste
con capas que tienen grosores aproximados de 1,5 mm.
24
Con respecto a sus dimensiones, los cilindros se construyen con una relación de
longitud entre 20 y 24. La longitud del cilindro se considera desde el plato
rompedor hasta la parte posterior de la garganta de alimentación, y el diámetro
considerado es el diámetro interno del cilindro (Morales, 2015).
2.2.10.1. Diseño cilindros acanalados: Existe una mejora sustancial
en cuanto a la geometría interna del barril con formas acanaladas a
diferencia de alimentación lisa convencional puesto que la fricción
entre polímero-barril aumenta es decir, la fuerza de arrastre o fricción
es mayor, a menor fricción menor rotación del material junto con el
tornillo, y por lo tanto más movimiento hacia adelante. (Morales, 2015)
El caudal se hace tanto mayor cuanto sea el coeficiente de rozamiento
del solido con la carcasa con respecto al del solido con el eje del
tornillo. Por ello las carcasas de las extrusoras en la sección de
alimentación suelen “rasurarse” según las generatrices del tornillo. En
la revista plásticos se realiza un análisis de mejores resultados con
zonas acanaladas. (Womer, Smith, Wheeler, & Corporation, 2007)
Figura 10. Cilindros acanalados.
Fuente: (Womer, Smith, Wheeler, & Corporation, 2007)
2.2.11. Calentamiento, enfriamiento y aislamiento: El sistema de
calefacción tiene el objetivo de calentar el material por medio de conducción
térmica al barril y que así mismo fluya por el tornillo extrusor para seguir sus
procesos de plastificación y alta presión en el dado. En la mayoría de
industrias para las máquinas de extrusión e inyección se observa el uso de
resistencias eléctricas para el calentamiento del barril, las cuales convierten
la energía eléctrica en calor; La gran mayoría son fabricadas con un alambre
de una aleación de níquel (80%) y cromo (20%). Esta aleación soporta
temperaturas muy altas (1000°C), es resistivo, muy resistente a los impactos
y es inoxidable. (Barbosa Paredes, 2012). El sistema de calentamiento de la
extrusora es responsable de suministrar entre un 20-30% del calor necesario
para fundir la resina.
Como consecuencia de la generación interna de calor originada por la cizalla
a la que se somete al plástico se rebasa la temperatura nominal del proceso
(lo que ocurre normalmente). Para regular la temperatura es necesario
incorporar un ventilador, los cuales son accionados por controladores de
25
temperatura que comandan la operación de los calefactores eléctricos. Estos
entrarían en operación una vez la temperatura de una zona supera el punto
prefijado. Este tiene que darse en todas las zonas del cilindro. Este
sobrecalentamiento pueden darse por:
- Transferencia excesiva de calor por parte de la resistencia Ej. Durante el
arranque de la máquina
- La generación excesiva de calor por parte de los elementos de mezclado
presentes en el tornillo de la extrusora
Adicionalmente debe tenerse en cuenta las perdidas en la transferencia de calor
por radiación y convección hacia el medio ambiente por medio de las resistencias
eléctricas. La solución a esto es el aislamiento de las bandas, que algunas
empresas utilizan resistencias eléctricas cerámicas con cubierta de aislamiento.
Esto reduce hasta en un 45% los costos de operación y se estima que el proceso
de arranque y puesta a punto es un 35% más rápido. (Tecnologia del plastico,
2009)
A su vez para para la mejor conservación de la temperatura a lo largo del cañón
y prevenir cambios en la calidad de la producción por variaciones en la
temperatura ambiente se acostumbra a aislar el cuerpo del cañón con algún
material de baja conductividad térmica como la fibra de vidrio o el fieltro.
(Morales, 2015)
La temperatura de extrusión solo puede ser controlada mediante la acción
combinada de las bandas de calentamiento eléctrico y los ventiladores para cada
zona. (Rojas, 2016)
2.2.12. Motor: El motor es el responsable de suministrar la energía
necesaria para producir la alimentación de resina; los motores incorporados
en las líneas de extrusión son eléctricos y operan a voltajes de 220 V y 440
V. Las extrusoras modernas emplean motores DC, ya que permiten un
amplio rango de velocidades de giro, bajo nivel de ruido y un preciso control
de velocidad (Morales, 2015); por otro lado los motores AC han sido
ampliamente utilizados en el ámbito industrial, por ser económicos por su
montaje eléctrico más fácil, para variar su velocidad se integra un variador,
esto resulta en transmisión de potencia con AC más económica en general.
La potencia requerida dependerá de la potencia que resulte de los cálculos
donde también se debe determinar un factor de servicio; en general deben
conocerse las características del proceso industrial como son:
Información del motor: Potencia, número de polos, frecuencia y tensión
de alimentación.
26
Capacidad de carga, expresada por el par en el árbol de salida. Fijada
por el fabricante.
Par máximo admisible (en el árbol de salida) /medio
Velocidad nominal de funcionamiento (en el árbol de entrada)
Relación de transmisión.
Rendimiento: Potencia nominal (en el árbol de entrada)
Cargas axiales y radiales admisibles en los árboles de entrada y salida.
Ambiente de instalación y grado de protección del entorno de trabajo,
en función de la humedad, temperatura, suciedad, corrosión, etc.
Las variables para el cálculo se ven determinadas por las características del
trabajo a realizar (Universidad Nacional de Mar del plata, 2018):
Duración de servicio horas/día.
Arranques por hora, inversión de marcha
Tipo de carga: uniforme, con choque, continua, discontinua, entre
otras.
Tipo de acople entre el motor eléctrico y reductor: directa,
acoplamiento, correa, cadena… Tanto del eje de entrada como el de
salida.
Eje de salida horizontal, vertical, etc.
2.2.12.1. Opciones de reductor de velocidad: Los sistemas de
transmisión generalmente se dividen entre correas, poleas y
engranajes, que son diferentes alternativas a la utilización de los
reductores de velocidad, aunque en casos de necesidad de una
velocidad inferior a 900 RPM son alternativas poco exitosas, ya que
mientras los convertidores implican una elevada potencia y coste, los
sistemas de cadenas o poleas son poco eficientes. (ROYDISA, s.f.)
2.2.12.2. Potencia del motor reductor: De acuerdo a las condiciones
de trabajo se determinaran tres coeficientes que será los factores de
servicio según tipo de carga (tabla 2), número de arranques por hora
(tabla 3) y temperatura ambiente (tabla 4).
27
Tabla 2. Tipo de carga
Fuente: (Universidad Nacional de Mar del plata, 2018)
El factor de tipo de carga se designará como C1. En la aplicación de
procesamiento de plásticos, según la tabla 2 se tendrá para las extrusoras
una carga mediana, esto se puede ver reflejado en el anexo 7.
Tabla 3. Numero de arranques por hora.
Fuente: (Tametal TP S.A., 2005)
Tabla 4. Según la temperatura ambiente.
Fuente: (Tametal TP S.A., 2005)
El coeficiente C2, será determinado por el número de arranques por hora,
y el coeficiente C3 determinado por la temperatura ambiente. Hallados
28
dichos tres coeficientes, se calcula la potencia que deberá ser
suministrada por el reductor:
Pr= Pma x C1 x C1 x C3
Donde Pr potencia del reductor de salida, Pma potencia de la máquina
accionada(o efectiva)
A su vez el torque está dado por:
T= K x Pr/N x 9,81
Donde T es el torque nominal, N velocidad del reductor en RPM, y K
constante que se determina con la siguiente tabla:
K Pr T N
725 HP Kg-m RPM
9550 kW N-m RPM
63025 HP Lb-Pulg RPM
Tabla 5. Constante K.
Fuente: (Tametal TP S.A., 2005)
Las unidades manejadas por los catálogos de selección normalmente
utilizan unidades de torque en N-m. En estos también piden una relación
de reducción de velocidad i la cual se calcula como:
i= RPM de motor / RPM a la salida
Con base a estas relaciones y datos obtenidos se procede a buscar el
reductor por medio de catálogos y se selecciona el más adecuado para las
condiciones dadas. Normalmente para dichos motores se maneja una
velocidad de entrada de 1750 RPM.
2.3. SISTEMA DE CONTROL
2.3.1. Control para temperatura: El control de las resistencias se realiza por
medio de termopares, los cuales están hechos de una material sensible a la
temperatura, son colocados en el interior del cilindro para tener la medición
real de la temperatura en el metal. Los termopares son conectados a
sistemas de medición de temperatura conocidos como pirómetros, este
sistema tiene como función monitorear la temperatura y realizar diferentes
acciones como aumentar o reducir el calor generado por la resistencia.
(Arian Control & instrumentacion, s.f.)
29
2.3.2. Control para velocidad del tornillo: Variador de velocidad este se
conecta al motor y se regula con el fin de tener aplicabilidad de varios
materiales de similares propiedades térmicas, y así mismo sincronizar la
velocidad del husillo cuando la presión supere los valores determinados para
cada material.
Así mismo deberá conocerse los tipos, características y comportamiento de
los plásticos y dentro de las operaciones unitarias en el procesado de
polímeros, en este caso de extrusión.
2.4. DEFINICIÓN DE POLÍMEROS
Son materiales formados por moléculas muy grandes llamadas polímeros,
formadas por largas cadenas de átomos que contienen materiales de origen
orgánico y de elevado peso molecular. Los tipos de plásticos y su característica
general se clasifican en la siguiente figura:
Figura 11. Clasificación de los polímeros.
Fuente: (edu.xunta, 2015)
2.4.1. Propiedades: Existen diferentes propiedades de los polimeros que
pueden ayudar a dentificar que proceso de transformacion pueden tener,
entre estos valores se encuentra dos temperaturas relevantes que se definen
como:
Tm : temperatura de fusion es aquella temperatura en la cual el
material que se halla en estado solido pasa a un estado liquido.
Tg: La temperatura de transición vítrea es la temperatura a la cual las
propiedades físicas de un polímero cambian de las de un material
similar al cristal a las de un material elástico. Tanto las propiedades
30
mecánicas como las eléctricas se degradan significativamente a
medida que la temperatura aumenta por encima de la Tg. (todo en
polimeros, 2016). Los polímeros amorfos tiene una Tg pero no un
punto específico de fusión, mientras que los polímeros parcialmente
cristalinos se contraen abruptamente al pasar por sus temperaturas de
fusión durante el enfriamiento.
La conductividad térmica: Una baja conductividad térmica es un
inconveniente durante la transformación de plásticos, debido a que su
absorción de calor durante el proceso (extrusión, inyección, etc.) se
absorbe de manera muy lenta, al igual que la etapa de enfriamiento.
Tabla 6. Propiedades de los polímeros.
Fuente: (Giles, Wagner, & Mount, 2005)
La capacidad calorífica de los plásticos y el calor latente de fusión:
tienen valores elevados, de modo que la cantidad de calor que hay que
aplicar para fundir estos materiales es muy alta. En la tabla 7 se
muestra el valor del calor específico de algunos polímeros en estado
sólido y en el caso de los cristalinos se muestra el calor latente de
fusión.
31
Tabla 7. Propiedades térmicas de algunos polímeros y cantidad calor necesario para su procesado.
Fuente: (Beltran Rico & Marcilla Gomis, 2012)
2.4.2. Termoplásticos: Son aquellos que por su estructura interna, formada por
cadenas lineales, se desarman fácilmente con el calor y se reconstruyen al
enfriarse, pueden fundirse y volver a fabricarse muchas veces. Tienen buena
capacidad para el reciclado. Existe una amplia gama de polímeros dentro
de los cuales se encuentran los termoplásticos, quienes se distinguen por
ser quebradizos a temperaturas bajas pero que al ir aumentando su
temperatura o al llegar a la temperatura de transición de estado vítreo se
ablandan y permiten darles una forma que al enfriar se conserva. Lo que los
diferencia de los termoestables quienes deben someterse a condiciones muy
diferentes para volver a reprocesarlos. (Bilurbina & Liesa, 1990)
2.4.3. Tipos de termoplásticos (Pascual, 2018): Se explican los diferentes
tipos de plásticos debido a que debemos conocer su clasificación puesto que
las características varían con respecto al método de reciclaje.
PET (Polietileno tereftalato): El PET se utiliza principalmente en la
producción de botellas para bebidas. A través de su reciclado se
obtiene principalmente fibras para relleno de bolsas de dormir,
alfombras, cuerdas y almohadas.
HDPE (Polietileno de alta densidad): El HDPE normalmente se utiliza
en envases de leche, detergente, aceite para motor, etc. El HDPE tras
reciclarse se utiliza para macetas, contenedores de basura y botellas
de detergente.
PVC (Cloruro de polivinilo): El PVC es utilizado en botellas de champú,
envases de aceite de cocina, artículos de servicio para casas de
comida rápida, etc. El PVC puede ser reciclado como tubos de drenaje
e irrigación.
32
LDPE (Polietileno de baja densidad): El LDPE se encuentra en bolsas
de supermercado, de pan, plástico para envolver. El LDPE puede ser
reciclado como bolsas de supermercado nuevamente.
PP (Polipropileno): El PP se utiliza en la mayoría de recipientes para
yogurt, sorbetes, tapas de botella, etc. El PP tras el reciclado se utiliza
como viguetas de plástico, peldaños para registros de drenaje, cajas
de baterías para autos.
PS (Poliestireno): El PS se encuentra en tazas desechables de
bebidas calientes y bandejas de carne. El PS puede reciclarse en
viguetas de plástico, cajas de cintas para casetes y macetas.
Figura 12. Simbología para tipos de plásticos
Fuente: (Pascual, 2018)
2.4.3.1. Poliolefinas (Bilurbina & Liesa, 1990): Polímeros más significativos
con buenas propiedades de corrosión son las Poliolefinas, bajo esta
denominación se engloban todos los polímeros que se obtienen por
polimerización de olefinas, compuestos con dobles enlaces de la
familia de los hidrocarburos. Entre ellos están:
- Polietileno de baja densidad (LDPE)
- Polietileno de alta densidad (HDPE)
- Polipropileno (PP)
2.4.4. Polietileno
El Polietileno es un polímero sintético termoplástico que se obtiene por polimerización del etileno. Es un material parcialmente cristalino y parcialmente amorfo, de color blanquecino y translucido. Los diversos tipos de Polietileno que se encuentran en el mercado son el resultado de las diferentes condiciones de operación, llevadas a cabo en la reacción de polimerización.
El polietileno es uno de los platicos más conocidos debido a su bajo coste y facilidad en su producción.
Las características del Polietileno son las siguientes: – El polietileno presenta una mayor resistencia térmica a bajas temperaturas y
química
33
–Alta resistencia al impacto y a la flexión
– Es mucho más flexible y elástico.
– Con él se puede crear un tipo de plástico muy fuerte con una gran resistencia
al desgaste, incluidos los impactos y las abrasiones.
– Su precio es muy económico respecto a otros materiales, lo cual tiene una
gran importancia en el mundo del embalaje.
2.4.4.1. Polietileno de baja densidad:
Figura 13. Polietileno de baja densidad muy ramificado.
Fuente: (Bilurbina & Liesa, 1990)
Como todas las poliolefinas tiene una gran resistencia a los agentes químicos,
debido a la naturaleza no polar de los enlaces C-C y C-H. Solamente se disuelve
a temperaturas elevadas (60-140°) en hidrocarburos aromáticos (tolueno, xileno,
etc.) y en derivados halogenados. Le atacan los ácidos oxidantes concentrados
(sulfúrico, nítrico), pero los resiste bien si son diluidos.
Conduce muy poco la corriente eléctrica, de ahí su aplicación como aislante. Su
resistencia dieléctrica es del orden de 10^13 a 10^14.
Aplicaciones Polietileno baja densidad
Sus principales aplicaciones son para la obtención por extrusión de films, por
inyección en la fabricación de menaje, cajas, etc. Un 10% se utiliza como aislante
de cables eléctricos. En general se recurre a este cuando se busca mayor
flexibilidad.
2.4.4.2. Polietileno de alta densidad:
El polietileno de alta densidad se empezó a obtener en 1955, sometiendo
el etileno a bajas presión y en presencia de catalizadores
estereoespecíficos.
34
Figura 14. Polietileno de alta densidad.
Polietileno de alta densidad poco ramificado, es un polímero altamente
cristalino (90%), Sus resistencias químicas y eléctricas son semejantes a
las de LDPE, pero tiene mayor resistencia a la tracción y mayor dureza.
En espesores de 60 micras es prácticamente opaco.
Aplicaciones polietileno Alta densidad
Se utiliza por inyección en la obtención de láminas, films, tuberías y su
principal aplicación transformada por soplado en la fabricación de botellas
y bidones. Se busca generalmente cuando se requiere en el producto
cierta rigidez, mientras que cuando busca flexibilidad se acude a PEAD.
(Bilurbina & Liesa, 1990)
2.4.4.3. Polipropileno (Bilurbina & Liesa, 1990)
Figura 15. Polipropileno.
El polipropileno isostático es un polímero esencialmente lineal, altamente
cristalino, con un punto de fusión de 165°C
Sus resistencias químicas y eléctricas son semejantes a las de los dos
anteriores, aunque es menos estable al calor, la luz y los agentes
oxidantes. Debe utilizarse mezclado con antioxidantes y absorbentes de
luz ultravioleta para su procesado y para que su comportamiento a la
intemperie sea satisfactorio.
2.4.5. Comportamiento polimérico: es necesario estudiar características y
comportamientos de los plásticos cuando son sometidos a un proceso de
transformación que involucra cambios de esfuerzo y temperatura, por lo cual
será necesario conocer que características cambian cuando el material es
sometido a dichas condiciones.
2.4.5.1. Velocidad de corte y viscosidad:
35
Al manipular un fluido, la cantidad de entrada es la velocidad de corte, es decir, el material se moverá, mediante algún recurso adecuado, a una velocidad conveniente para moldear el objeto que se quiera elaborar. Velocidad de corte o un esfuerzo de corte incide directamente en la viscosidad de los polímeros no newtonianos que tienen comportamiento pseudoplastico. Esta viscosidad es aparente na puesto que varía dependiendo valor de esfuerzo de cortadura.
Figura 16. Comportamiento de polímeros
Fuente: (Ramos del Valle, 2012)
2.4.5.2. Viscosidad del polímero:
Teniendo en cuenta que los polímeros fundidos son no newtonianos, por lo común, adelgazan cuando se someten a esfuerzo cortante, y adicionalmente un aumento de temperatura disminuye su viscosidad, se hace complejo determinar un valor exacto de viscosidad para cálculos más prácticos se pueden usar las gráficas quienes indican las curvas características a velocidades de corte distintas.
Para cálculos prácticos se pueden usar las curvas características siguientes para hallar valores adecuados de viscosidad aparente.
36
Figura 17. Viscosidad de diferentes polímeros.
Fuente: (Morton-Jones, 1986)
Figura 18. Viscosidad a diferentes velocidades de corte.
Fuente: (Morton-Jones, 1986)
Adicionalmente en el anexo se muestran algunos valores de viscosidad
dados a una velocidad de corte.
2.4.5.3. Flujo dentro del extrusor, directo e inverso (Savgorodny, 1973)
37
En la zona de dosificación existen tres flujos: el directo y el inverso, a lo
largo del canal helicoidal del husillo, y el correspondiente a las fugas de la
masa, que tienen lugar a través de los huelgos radiales existentes entre las
crestas o vértices de los filetes del husillo y la superficie interior del cilindro.
La producción o caudal de la zona dosificadora es igual a la diferencia entre
el flujo directo e inverso, sumando a este ultimo las fugas.
El flujo directo comúnmente se denomina flujo forzado o arrastre y el
inverso, flujo de presión. El primero constituye un movimiento de arrastre,
originado por el desplazamiento relativo del husillo respecto al cilindro. El
material acumulado en el espacio anular formado por el núcleo del husillo
y la superficie interior del cilindro, es sometido a cizallamiento que las
paredes del canal helicoidal transforman en movimiento de avance, es
decir, en flujo directo. El consumo caudal volumétrico del flujo directo viene
determinado fundamentalmente por la profundidad y anchura del canal,
diámetro del husillo y su velocidad de giro.
El flujo inverso surge como resultado de la presión sobrante acumulada
ante la cabeza de extrusión, que obliga a fluir a la masa en dirección
contraria. La magnitud del flujo inverso depende de la profundidad del canal
helicoidal, diámetro del husillo, longitud de la zona de extrusión, presión por
la masa sobre la cabeza de extrusión a lo largo del barril y de la viscosidad
de la masa.
El gradiente de presión real en el barril es función de la forma del tornillo a
lo largo de su longitud; en la figura 19 se da un perfil común de la presión.
En la aproximación se supone que el perfil es una línea recta, que en la
figura se indica una línea de rayas.
Figura 19. Gradiente de presión común en un extrusor
Fuente: (Groover, 2007)
38
Figura 20. Gradiente de presión a través del tornillo de extrusión.
Fuente: (Morales, 2015)
El flujo de filtración o fugas como se mencionó antes es otra componente
del flujo debido a la presión, producida por el claro entre las hélices del
tornillo y el barril, esta será pequeña en comparación con el flujo de
arrastre y presión, excepto en extrusores mal utilizados. Es así como para
el cálculo del flujo total será la componente resultante de la suma del flujo
de arrastre y flujo de presión con el flujo de filtración.
2.4.5.4. Características del extrusor y del dado: El “Dado” o “troquel”
también denominado el conjunto de cabezal y boquilla. Si el flujo de
presión es igual a cero, de modo que el flujo fundido no tenga
restricción en el extrusor, entonces el flujo sería igual al flujo por
arrastre. Dados los parámetros de diseño y operación; esta es la
capacidad de flujo máximo posible del extrusor. Se denotara caudal
máximo.
Y, si la resistencia máxima es igual a cero, se puede igualar el flujo de
arrastre con el flujo de presión, de donde se podrá obtener la presión P, a
fin de determinar cuál sería la presión máxima para hacer que no hubiera
flujo en el extrusor
Estos dos valores máximos son puntos a lo largo de los ejes del diagrama
conocido como características del extrusor o del tornillo (Ver figura 21).
39
Figura 21. Característica de extrusor y característica del troquel
Fuente: (Groover, 2007)
Las características del troquel tendrá un valor de presión y caudal, los
cuales se pueden representar en la figura 21 y su fórmula está dada por
Qx=KP, donde K y P son la constante del cabezal (que se examinara más
adelante), y P la presión piezometrica causada por la restricción resultante
por el cabezal. El gasto a través de este depende del tamaño y la forma
de la abertura y de la presión que se aplique para forzar al fundido a pasar
por aquélla. El punto de intersección entre las líneas características
identifica los valores Qx y p que se conocen como punto de operación
para el proceso de extrusión. (Groover, 2007)
2.5. ANTECEDENTES
La extrusión ha sido fuertemente implementada en la industria de los plásticos
desde el año 1872 aproximadamente (Betancout Suàrez, Avellaneda Herrera, &
Chaves Niño, 2007), quien ha tenido grandes avances y modificaciones de las
cuales se han obtenido parámetros básicos para su diseño que se plantean en
muchos libros de transformación de plásticos. Gracias a ello han existido muchos
proyectos hoy en día que se basan en ellos para llegar a encontrar condiciones
de operación aceptable y viable en la realidad.
Se ha venido buscando que dicho proceso de extrusión pueda ser establecido e
instaurado en el ámbito de la industria del reciclaje para la creación de nuevos
productos o para tratar el plástico de manera que pueda ser utilizado más
fácilmente en máquinas de inyección, termoformado, es decir, que dicho plástico
sometido a extrusión salga homogenizado de tal forma que llegue nuevamente
a una cadena de producción de artículos o productos.
El ámbito de reciclaje y específicamente la reutilización por el de la extrusión de
plásticos ha venido sido experimentada por universidades, empresas, y demás
organizaciones que han logrado buenos resultados. Entre ellos destaca Dave
Hakkens quien con la organización denominada “Precious Plastic”, quien ha
40
construido máquinas de modo empírico para transformar plástico desde la
selección del material hasta la realización del producto final con la línea de
triturado, extrusión, inyección y termoformación, donde así mismo presenta
moldes para diferentes productos, todo esto logra ser compartido al que desee
construirlas por medio de internet (Hakkens, 2013).
Otro ámbito de investigación en extrusión son las universidades, Un ejemplo es
la Universidad Tecnológica de Pereira con los estudiantes Jimmy Gómez y Jorge
Gutiérrez quienes presentan el diseño de una máquina para ser aprovechada en
la misma Universidad como parte de un laboratorio de polímeros (Gomez &
Gutiérrez, 2007) ; así como otros proyectos que plantean una solución para
mejorar el proceso de manufactura del alguna empresa como es el ejemplo de
Roosevelt Cifuentes C de la Universidad del Valle quien plantea “diseño de una
máquina extrusora para la empresa PLASTIK DE OCCIDENTE” esto con el
objetivo de crear el palito plástico de bon bon bum fabricado de polietileno
(Cifuentes C, 2011) ; otro caso es el la fabricación de mangueras en polietileno
del municipio de Ocaña en Norte de Santander un diseño propuesto por Jhon
Barbosa de la Universidad de Francisco de Paula Santander esto con el fin
incorporar la extrusión de mangueras y así mejorar el crecimiento y la capacidad
competitiva de los productos de manguera en dicha zona (Barbosa Paredes,
2012). En la Universidad Distrital también ha desarrollado proyectos
relacionados y que así mismo se han construido como es el caso del proyecto
titulado “Diseño y construcción de una máquina extrusora para implementar el
laboratorio de plásticos en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas”de
Sergio Betancourt, José Avellaneda y Juan Chaves, el cual dio buenos
resultados y fue aprovechado por estudiantes por un período de tiempo, y dio vía
para posteriores proyectos de grado que involucraban el enfriamiento y posterior
tratamiento del plástico extruido (Betancout Suàrez, Avellaneda Herrera, &
Chaves Niño, 2007) .
Para el caso de reciclaje de plásticos existen varios proyectos viables uno de
ellos presentado por Mario Maldonado y Christian Medina, quienes presentador
“Diseño y construcción de una extrusora con capacidad de 1 kg/h, diseño del
proceso y diseño del producto para el reciclaje mecánico del PET” , quienes así
mismo pudieron estudiar algunas de las propiedades resultantes del plástico
reciclado el cual plantean puede utilizarse posteriormente para aplicaciones
textiles; otro proyecto relacionado es el “Diseño y construcción de una máquina
extrusora de filamentos de 1.75 mm y 3 mm para impresoras 3D, a partir de
polímero reciclado” de los estudiantes Fausto Acuña y Cristian Ortiz, quienes
plantearon dicho diseño para que el material extruido pudiera ser utilizado en
una impresora 3d además obteniendo sus propiedades mecánicas. Estas y
muchas otras investigaciones demuestran que el plástico producto de residuos
el cual es sometido a transformado por medio de extrusión puede dar cabida a
la fabricación muchos productos.
41
Actualmente la Universidad Distrital no cuenta con la máquina construida en el
2007 por los estudiantes, tampoco hay una transformación de plásticos de la cual
se puedan investigar líneas de fabricación de productos con plástico virgen o
recuperado en donde los estudiantes comprendan las propiedades y utilidades
que el plástico tiene, a pesar de su gran influencia en la industria como su efecto
en el medio ambiente. En el contexto de recolección y separación existe un plan
institucional de gestión ambiental (PIGA), el cual tiene instalado centros de
acopio en las diferentes sedes de la Universidad Distrital Francisco José de
Caldas donde cada año se emite un informe con la cantidad de residuos que son
emitidos por ASODIG los cuales se visualizan en incremento para los plásticos
año tras año. Esto puede verse expuesto en la tabla 8 donde se reflejan cifras
de los residuos plásticos emitidos en el periodo 2015-2018:
PLASTICO (PET, TATUCO, POLIETILENO)
FECHA AÑO 2015
AÑO 2016
AÑO 2017
AÑO 2018
ENERO 0 0 44 0
FEBRERO 53 220 118 174
MARZO 192 229 187 180
ABRIL 24 202 85 181
MAYO 66 117 119 184
JUNIO 129 11 47 30
JULIO 88 41 43 27
AGOSTO 135 113 111 103
SEPTIEMBRE 130 193 143 161
OCTUBRE 220 165 172 63
NOVIEMBRE 190 147 151 49
DICIEMBRE 142 171 132 51
TOTAL AÑO 1369 1609 1352 1203
Tabla 8. Cantidad de plástico en la Universidad Distrital Facultad Tecnológica (cifras en kilogramos).
Fuente: PIGA
Cabe recalcar que estas cifras demuestran la cantidad de plástico que se ha
logrado separar, pero no se tiene estimación de cuantos residuos plásticos no
llegan a las canecas dispuestas para ello, residuos plásticos no clasificados
correctamente que entran como chatarra u otro tipo y nunca llegan a reciclarse.
Por esta razón los valores reales podrían ser mucho más alto de lo expuesto.
2.5.1. Diseño de una extrusora de plástico (Gomez & Gutiérrez, 2007)
42
Se encargó de estudiar de forma teórica los conceptos relacionados con la
extrusión y se diseñó una máquina que permitió la extrusión de termoplásticos
(polipropileno), la máquina está compuesta por elementos de buena precisión
como lo fueron motor reductor con variador de velocidad, termocupla2,
pirómetros y amperímetros los cuales darán un óptimo servicio al momento de
su funcionamiento.
El diseño arrojo factores de seguridad altos, los cuales indican que el diseño de
la máquina extrusora para plásticos es confiable, de igual manera este
dispositivo mecánico fue diseñado para un laboratorio de polímeros, mas no para
una producción en serie.
2.5.2. Diseño de una máquina extrusora para la empresa plastik de
occidente (Cifuentes C, 2011)
Se especifica el diseño de una máquina extrusora orientada a la producción de
insumos plásticos, para la empresa PLASTIK de OCCIDENTE, máquina que
fuera versátil que permita ser utilizada para la producción de diferentes productos
en polipropileno.
La meta del desarrollo fue lograr los mejores rendimientos en:
1. Capacidad de producción. 2. Calidad del producto 3. Diversidad en el procesamiento de diferentes tipos de polímeros. 4. Estabilidad en la producción – accesibilidad, mantenimiento. 5. Consumo de energía. De aquí se permite tomar los cálculos para tornillo de extrusión*
2.5.3. Diseño de una máquina extrusora de plástico para los productores
de manguera de Ocaña (Barbosa Paredes, 2012)
Este proyecto está orientado a el diseño de un prototipo de máquina extrusora
de plástico para los productores de manguera de la provincia de Ocaña, por
lo que se plantea como solución a las problemática de competitividad y a las
condiciones de trabajo en las que se desenvuelven estos; el prototipo se
encargará de producir manguera de polietileno de ½”, ¾” y 1” mediante un
mecanismo compuesto de un husillo y sistema de calentamiento que fundirá,
comprimirá la materia prima proveniente de una tolva de alimentación y
además la hará pasar a través de una boquilla o molde de extrusión para
2 La termocupla es el sensor de temperatura que más se usa en la industria. La termocupla es un
dispositivo fundamental dentro de la industria y aún más para la automatización. Es uno de los elementos
principales de control ya que permite medir las temperaturas, traducirlas a voltajes y poder compararlas
con una temperatura de referencia a la que se desea que algo esté. También se concibe como un sensor de
temperatura para el sector de la instrumentación industrial. (Comofunciona.co.com, 2016)
43
obtener el producto final, la máquina será de bajo costo para fomentar el
crecimiento y la capacidad competitiva de los productores de manguera.
2.5.4. Diseño y construcción de una máquina extrusora para implementar
el laboratorio de plásticos en la Universidad Distrital Francisco José de
Caldas (Betancout Suàrez, Avellaneda Herrera, & Chaves Niño, 2007)
Este proyecto se basa en el diseño y construcción de una máquina extrusora
para la facultad tecnológica de la Universidad Distrital, su material central fue
el polietileno de alta y baja densidad, cumplió con su funcionamiento y logró
una capacidad de producción de 4 a 5 kg/hora, teniendo un control aceptable,
con manual de operación y todas las condiciones. Gracias a su elaboración
pudo utilizarse unos años más por la Universidad y sus estudiantes.
Actualmente no se encuentra operando debido a que fue retirada. Este
proyecto verificó la importancia de tener conocimientos en base a la
transformación de plásticos, en este caso la extrusión.
2.6. ANALISIS MÁQUINA EXTRUSORA A REDISEÑAR
Precious plastic es un proyecto que promueve el reciclaje y reutilización de
plásticos dirigido por el holandés Dave Hakkens, se desarrollan máquinas de
fabricación casera para el proceso de reutilización de plástico. Estas máquinas
son las herramientas principales para la fabricación de diferentes productos que
son explicados en videos e imágenes en su blog de internet como se puede ver
en la figura 22 (Hakkens, 2013) . Los planos y construcción de cada máquina
son divulgados abiertamente al público, sin embargo no existen cálculos de las
mismas, pues el público objetivo no son las industrias sino las comunidades. Uno
de los procesos que maneja y es principal sobre trasformación de plástico es la
extrusión, del cual se presenta un diseño de una extrusora (figura 23) que sirvió
de base para el rediseño de la máquina de este proyecto la cual será analizada
y adaptada en el presente proyecto.
Para poder analizar más aun el proceso de extrusión y en base a la máquina
base, se realizara un análisis con la información que provee la organización. Se
inicia con los parámetros dimensionales respecto a sus planos, al cual se presta
central atención al tornillo de extrusión; luego se procede a realizar un despiece
de la máquina en la que se realiza una descomposición funcional.
44
Figura 22: Blog Precious Plastic.
Fuente: (Hakkens, 2013) ó la información puede ser encontrada en la página
www.preciousplastic.com
Figura 23 . Máquina extrusora Precious Plastic
Fuente: (Hakkens, 2013)
45
2.6.1. Parámetros de la máquina extrusora de Precious Plastic.
Los planos proporcionados por la organización Precious Plastic, permiten
determinar las dimensiones del tornillo, como se sabe es parte central y
fundamental de la máquina extrusora. En el tornillo extrusor se tienen las
medidas estipuladas en la tabla 9. Adicionalmente se tiene el dato del número
de revoluciones por minuto a la que opera la máquina. A pesar que la
organización Precious Plastic proporciona planos y modo de construcción, no se
tiene ningún dato sobre la capacidad de producción de la máquina, lo cual es un
parámetro fundamental para el diseño de este tipo de dispositivos.
datos obtenidos de la máquina de Precious Plastic
L (Long efectiva del husillo) 496 Mm 0,496 m
D 25,7 Mm 0,0257 m
do d interno ALIMENTACIÓN 15 Mm 0,015 m
do d interno DOSIFICACIÓN 22,4 mm 0,0224 m
Angulo 10,4 grados 0,18151424 radianes
e 3 mm 0,003 m
t 15 mm 0,015 m
H1 5,35 mm 0,00535 m
H3 1,65 mm 0,00165 m
L1 189,6 mm 0,1896 m
L2 151,7 mm 0,1517 m
L3 154,7 mm 0,1547 m
Holgura d 0,14 0,00014 m
n 70 rpm 1,16666667 rev/seg
Tabla 9. Parámetros dimensionales de tornillo extrusor máquina Precious Plastic
Fuente: Los autores con base en (Hakkens, 2013)
2.6.2. Despiece de la máquina extrusora de Precious Plastic
En la tabla 10 se establecen los componentes de la máquina Precious Plastic
proporcionados por su organización en la cual se detalla que función tienen
dentro de la máquina, algunas medidas y materiales de construcción como
también la forma de adquisición, en este último se evidencia que gran parte de
la máquina está elaborada con materiales reutilizados.
NOMBRE PIEZA
PIEZA “Precious Plastic”
FUNCION DETALLES FORMA DE ADQUISICION
46
tolva
depositar y canalizar el material plástico previamente triturado o pulverizado
Acero 1 mm de ancho
depósito de chatarra
barril
alojar el husillo, es la parte principal de la máquina, el plástico se calienta y comprime
Acero 34x26x4MM 53 cm
depósito de chatarra
boquilla
controlar la cantidad de salida de plástico para obtener un perfil
barra redonda acero 25MM 22 cm barra redonda acero 30MM 5.5 cm perno normalizado
depósito de chatarra
tornillo de la boquilla
dar forma al plástico que está siendo extruido
perno normalizado
depósito de chatarra
soporte del barril
sostener la tolva y el barril del tornillo de extrusión
perfil en Angulo acero 30x30x3mm 32 tubo cuadrado acero 30x30x3MM
depósito de chatarra
soporte de la máquina
Brinda estabilidad y evita que la máquina se mueva debido a las vibraciones
tubo cuadrado acero 30x30x3MM
depósito de chatarra
47
caja de electrónicos
resguardar los controladores de temperatura y el control del motor
lamina me acero 1mm
depósito de chatarra
controlador de temperatura
Un controlador de temperatura PID, como su nombre lo indica, es un instrumento usado para controlar la temperatura, principalmente sin la participación extensa del operador.
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relé de estado sólido SSR
Permitir aislar eléctricamente el circuito de entrada o mando y el circuito de salida.
2-24 V tienda online
termopar
Un termopar es un sensor para medir la temperatura. Este sensor consta de dos cables metálicos distintos, unidos en un extremo y conectados a un termómetro de termopar. Se configuran correctamente, los termopares pueden proporcionar mediciones de temperatura en un amplio rango de temperaturas.
Tipo K tienda online
48
calentador de banda – Resistencias tipo abrazadera
Diseñados para Calentar y mantener la temperatura de las piezas cilíndricas.
metal 35x45MM 40x45 MM
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cable de alimentación
entregar corriente a la máquina desde una toma de corriente
depósito de chatarra
interruptor de encendido
prender o apagar la máquina
ferretería
led indicador
mostrar si la máquina se encuentra encendida o no
ferretería
motor
Transmisión de
movimiento
rotatorio al tornillo
70 rpm depósito de chatarra
Tabla 10. Despiece de la máquina extrusora de Precious Plastic.
Fuente: Los autores con base en (Hakkens, 2013)
49
CAPITULO 3. REDISEÑO DE MÁQUINA EXTRUSORA
3.1. CRITERIO DE SELECCIÓN
Al analizar el diseño de la máquina de Precious Plastic e investigaciones
realizadas sobre el funcionamiento de una máquina extrusora, se determinó que
muchas de las características, materiales y condiciones operativas que posee
dicha máquina, se pueden aplicar en el diseño de la máquina extrusora que se
quiere implementar en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, lo cual
le permita realizar las labores asignadas. Para proceder al diseño de la máquina
extrusora también se tuvo en cuenta que existe una cantidad de plástico que
emite la Universidad, como se pudo visualizar en la tabla 8, en la sección de
antecedentes, estas cifras arrojaron un promedio de 1383,25 Kg al año, por lo
que la máquina debe tener una capacidad limitada de tal forma que la máquina
pueda suplir la cantidad de residuos emitidos por la Universidad.
Para el proyecto también se encuentran unas limitaciones para el funcionamiento
óptimo de la máquina y es el plástico que se desee transformar, puesto que se
quiere disponer del plástico proveniente de residuos, deberá tenerse en cuenta
el estado en el que este entra a la extrusora. Para su mayor desempeño el
material deberá estar:
- Limpio es decir libre de humedad, contaminantes (tierra, abrasivos)
- Separado según clasificación (HDPE, LDPE, PP), por ende no debe
mezclarse ningún tipo
- Tamaño máximo 15mmx15mm con un espesor de 4 mm
Con esto se logra obtener un producto extruido de calidad media, sin
irregularidades y buenas propiedades físicas.
Teniendo estos parámetros en cuenta se inicia a calcular dimensiones y
características del tornillo el cual es parte central del extrusor y determinara la
producción de la máquina.
3.2. TORNILLO DE EXTRUSIÓN
Diámetro del husillo: Tanto la producción como la aplicación de la extrusora
dependen del diámetro, generalmente para la transformación de plásticos se
emplean husillos con una relación L/D = (20 a 25:1) (Savgorodny, 1973)
Por tanto se escogió un diámetro de husillo de 28 mm con una relación L/D=24:1
50
Configuración geométrica del tornillo de extrusión, para el cálculo de las
dimensiones del tornillo extrusor se tuvo en cuenta las recomendaciones dadas
en el libro trasformación de plásticos de savgorodny.
Figura 24. Configuración geométrica del tornillo de extrusión.
Fuente: (Savgorodny, 1973)
3.2.1. Angulo de hélice del canal: aumenta desde su valor mínimo, en el
diámetro exterior, hasta el máximo en el núcleo del husillo. Tiene
normalmente una formula empírica.
𝜑 = 𝑡𝑎𝑛−1
𝑡
𝜋 ∗ 𝐷
Ecuación1
D=Diámetro de la variable del cañón
t= paso del husillo
φ=Angulo de hélice del canal
Teniendo en cuenta que t=D
𝜑 = 𝑡𝑎𝑛−11
𝜋= 17,65°
D=28mm
t=28mm
φ=17,65°
3.2.2. Relación L/D
Se escogió una relación 24:1
51
𝐿 = 24 ∗ 𝐷 = 24 ∗ 28𝑚𝑚 = 672𝑚𝑚 Ecuación2
3.2.3. Ancho del canal
𝑊 = (𝑡 − 𝑒) ∗ 𝑐𝑜𝑠𝜑 Ecuación3
𝑊 = (28𝑚𝑚 − 2,8𝑚𝑚) ∗ 𝑐𝑜𝑠17,65 = 24,013𝑚𝑚
3.2.4. Holgura
Tiene mucha importancia en el trabajo de una extrusora la medida de la holgura
entre la cresta del filete del husillo y la superficie interior del cilindro. Cuando la
holgura es grande el material se mezcla con mayor efectividad, pero disminuye
el avance del mismo por aumentar el flujo inverso del material. (Savgorodny,
1973). Para consideraciones de diseño del husillo, se mantiene una holgura entre
el husillo y el cilindro de 0,025D. (Giles, Wagner, & Mount, 2005)
δ = 0,025 ∗ 𝐷 = 0,025 ∗ 28𝑚𝑚 = 0,7𝑚𝑚 Ecuación4
3.2.5. Profundidad sección de alimentación (h1)
La profundidad del tornillo en esta zona es constante y la longitud de esta zona
es tal que hay una alimentación correcta hacia adelante, ni deficiente ni excesiva.
La profundidad recomendada varía entre (0,12-0,16) D. (Savgorodny, 1973)
h1 = 0,16 ∗ 𝐷 = 0,16 ∗ 28𝑚𝑚 = 4,48𝑚𝑚 Ecuación5
3.2.6. Profundidad sección de dosificación (h2)
En esta parte se reduce el volumen de transporte del material y se ejerce una
compresión sobre el elemento plástico, viene caracterizado por una profundidad
de diente menor que la profundidad de alimentación.
ℎ2 = 0,5[𝐷 − √𝐷2 −4 ∗ ℎ1
𝑖∗ (𝐷 − ℎ1)]
Ecuación6
ℎ2 = 0,5[28 − √282 −4∗4,48
3∗ (28 − 4,48)] =1,316278149mm
3.2.7. Espesor del filete
52
Estará limitada entre valores 0,06D y 0,1D. Se escogió la mayor debido a una
construcción más rígida:
e = 0,1 ∗ 𝐷 = 0,1 ∗ 28𝑚𝑚 = 2,8𝑚𝑚 Ecuación7
3.2.8. Longitud del husillo
Al aumentar la longitud del husillo, aumenta el efecto del calor sobre el material,
la velocidad de giro y la producción de la extrusora, lo cual a su vez aumenta la
potencia de accionamiento. Recomendaciones del autor Savgorodny se enlistan
para diferentes materiales:
Longitudes recomendadas Savgorodny - configuración geométrica
Material L alimentación
L. compresión
L dosificación
Poliamidas 15 D 0,5 /1 D 4/5 D
Universal 8D 7D 5D
Poliolefinas 4D 12D 5D
PVC 20D Una sola zona de compresión
Polietileno 9/10 D 0,5 / 0,75 D 13D
Tabla 11. Longitudes recomendadas para cada zona
Fuente: los autores con base en (Savgorodny, 1973)
Se toma la configuración para poliolefinas debido a que en los materiales que se
desean tratar se encuentran el polipropileno, polietileno de alta densidad y
polietileno de baja densidad.
3.2.8.1. Longitud zona de alimentación
𝐿𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 = (4 ∗ 𝐷) + 12 = (4 ∗ 28𝑚𝑚) = 124𝑚𝑚 Ecuación8
3.2.8.2. Longitud zona de compresión
𝐿𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 = 12 ∗ 𝐷 = 12 ∗ 28𝑚𝑚 = 336𝑚𝑚 Ecuación9
3.2.8.3. Longitud zona de dosificación
53
𝐿𝑑𝑜𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 = 5 ∗ 𝐷 = 5 ∗ 28𝑚𝑚 = 140𝑚𝑚 Ecuación10
3.2.9. Comparación de dimensiones de los tornillos de extrusión Precious
Plastic / Rediseño
DATOS dimensiones del tornillo "Precious plastic"
dimensiones obtenidas tornillo rediseñado
L (Long efectiva del husillo) 496 mm 672 mm
D 25,7 mm 28 mm
do d (diámetro interno de alimentación) 15 mm 19,04 mm
do d (diámetro interno de dosificación) 22,4 mm 25,7 mm
Angulo 10,4 grados 17,65 grados
e (espesor) 3 mm 2,8 mm
t (paso) 15 mm 28 mm
H1 (profundidad zona alimentación) 5,35 mm 4,48 mm
H3 (profundidad zona dosificación) 1,65 mm 1,3162 mm
L1 (longitud zona de alimentación) 189,6 mm 124 mm
L2 (longitud zona de compresión) 151,7 mm 336 mm
L3 (longitud zona de dosificación) 154,7 mm 212 mm
Holgura (d) 0,14 mm 0,7 mm
n 70 rpm 89,78 rpm
Tabla 12. Comparación de dimensiones del tornillo de extrusión
Fuente: Los autores y (Hakkens, 2013)
El tornillo rediseñado tiene cambios respecto al tornillo de Precious Plastic (tabla
9), puesto que se aplicaron parámetros tecnológicos. El cambio de su longitud
varia todos los parámetros dimensionales del tornillo, un aumento de la relación
L/D de 20 a 24 permitía tener un diámetro y longitud mayor, por lo que mejora la
capacidad y compresión del plástico que será tratado. Las recomendaciones
indicaban que las longitudes para cada una de las zonas, donde se sugería
mayor longitud impuesta a la zona de compresión y dosificación pero menor zona
de alimentación (Savgorodny, 1973), esto permite el plástico fundido tenga más
tiempo dentro de dichas zonas que permite mayor homogenización en la salida
de la boquilla (Savgorodny, 1973); en el tornillo de Precious Plastic se tiene
mayor alimentación, sin embargo, no se concentra en el proceso de compresión
y mezclado del plástico, lo que podría causar pérdida de uniformidad y calidad
del mismo, los resultados de las dimensiones cambiadas se visualizan en la tabla
12.
54
3.2.10. Mezclador
Usualmente después de la zona de dosificación se tiene un cabezal de mezcla,
la cual tiene como objetivo homogenizar el material por medios mecánicos para
mejorar la dispersión. El mezclador que es ampliamente usado en materiales
como el Polipropileno y polietileno es el de tipo Maddock (Giles, Wagner, &
Mount, 2005) que se clasifica como mezclador dispersivo, este mezclador
consiste en una serie de ranuras circulares opuestas que van alineadas con el
eje del husillo. Una ranura está abierta hacia la entrada del plástico y otra está
abierta hacia la salida con el fin de fundir el material que aún se encuentra sólido;
adicionalmente se encuentra el mezclador de pines es un mezclador distributivo
donde se alcanza un nivel moderado de fractura y reorientación, dando como
resultado una incremento moderado en la eficiencia de mezclado (Marín Urrego
& Romero Escobar, 2008). Una unión de mezcladores así, permite realizar una
homogenización completa, por lo que se dispondrá ambos, los pines
incorporados en la zona de dosificación, y otra zona para el mezclador maddock,
lo que concluirá la longitud efectiva del tornillo.
LONGITUD EFECTIVA HUSILLO
600 mm ZONA CON HELICES
72 mm ZONA DE MEZCLADO
672 mm TOTAL
MEZCLADOR
Maddock
(Marín Urrego & Romero Escobar, 2008)
Pines
(Marín Urrego & Romero Escobar, 2008)
Tabla 13. Longitudes distribuidas con mezclador.
Fuente: los autores
3.2.11. Relación de compresión
55
La relación de compresión es importante para determinar problemas de
degradación asociados a la profundidad del canal o a la alta velocidad de
rotación.
𝑅𝐶 =
ℎ1
ℎ2=
4,48
1,316278149= 3,40353595
Ecuación11
La relación de compresión (RC) calculada se encuentra entre 2 y 4 especial para
polímeros termoplásticos. (Beltran Rico & Marcilla Gomis, 2012)
En los planos finales, se evidencia las dimensiones finales del tornillo.
3.2.12. Selección material tornillo
De acuerdo a los valores obtenidos se optó por seleccionar un acero 4140 (Ver
anexo propiedades del acero 4140), puesto que, posee una alta templabilidad en
aceite, su alto contenido de cromo le proporciona buenos valores de dureza,
cuenta con excelente comportamiento ante la corrosión. Resiste a temperaturas
de más de 540°C sin perder ninguna de sus cualidades aun después de haber
sido sometido a un ritmo de trabajo excesivo.
Los usos más habituales de este material son las perforadoras cortadoras
tornillos, acoples, mesas rotatorias, entre otros.
Figura 25. Modelado del tornillo de extrusión.
Fuente: los autores
56
3.3. FLUJO VOLUMÉTRICO: es el resultado de tres tipos diferentes de flujo, el
flujo de arrastre (∝), es el componente mayor provocado por el giro del tornillo. El flujo de presión (𝜷), es el componente que se opone al flujo en el sistema y el flujo de filtración (𝜸), el cual reduce la producción por perdidas de material entre las holguras del tornillo-barril. (Savgorodny, 1973)
𝑄 = (
∝∗ 𝐾
𝐾 + 𝛽 + 𝛾) ∗ 𝑛
Ecuación12
∝=flujo de arrastre
𝛽 =flujo de presión
𝛾 =flujo de filtración
K=constante total de la boquilla
n=rpm del husillo
Antes de iniciar a calcular cada uno de los flujos se debe determinar inicialmente
el valor K, determinada por la geometría de la boquilla.
3.3.1. Constante de la boquilla (K)
Para determinar la constante K (coeficiente de la forma geométrica) el cabezal
se divide convencionalmente en sucesivas zonas de diferente configuración,
estableciendo para cada una de estas zonas la constante Ki. La constante total
se obtiene con la ecuación 17. (Savgorodny, 1973)
Para un canal de zona cilíndrica y para un canal cónico con el diámetro menor
en la salida del material se tendrá K1 y K2 respectivamente con la ecuación 13
y 14.
57
Figura 26. Modelado de la boquilla.
Fuente: los autores
𝐾1 =
𝜋 ∗ 𝐷𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑖𝑐𝑜4
128 ∗ 𝐿𝑧𝑜𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑖𝑐𝑜=
𝜋 ∗ 204
128 ∗ 21.523= 182,45551 𝑚𝑚3
Ecuación13
𝐾2
=3𝜋 ∗ 𝐷𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟3 ∗ 𝐷𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟3
128 ∗ 𝐿 ∗ (𝐷𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟2 + (𝐷𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟 ∗ 𝐷𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟) + 𝐷𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟2
=3𝜋 ∗ 333 ∗ 203
128 ∗ 7,74 ∗ (332 + (33 ∗ 20) + 202= 1272,66936 mm3
Ecuación14
Para la boquilla hiladora, se tiene en cuenta que son 5 orificios, y se da una
entrada cónica a través de cada uno de los agujeros se obtiene K3 con la
ecuación 15:
𝐾3 =
𝜋 ∗ 𝑛(𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜𝑠) ∗ 𝐷𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜𝑠4
128 ∗ 𝐿𝑧𝑜𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑖𝑐𝑜
=𝜋 ∗ 5 ∗ 34
128 ∗ 33,541= 0,29635955 mm3
Ecuación15
58
Figura 27 y Figura 28. Modelado del boquilla hiladora
Fuente: los autores
Un cálculo similar se utilizara para calcular la constante K4 correspondiente al
plato rompedor, la determinación de sus parámetros se determinan con las
ecuaciones 18, 19, 20 y 21.
𝐾4 =
𝜋 ∗ 𝑛(𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑗𝑒𝑟𝑜𝑠) ∗ 𝐷𝑎𝑔𝑢𝑗𝑒𝑟𝑜𝑠4
128 ∗ 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑜
=𝜋 ∗ 19 ∗ 54
128 ∗ 3= 97,1521166 mm3
Ecuación16
Figura 29. Modelado plato rompedor.
Fuente: los autores
𝐾𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 =
1
1𝐾1+1𝐾2+1𝐾3+1𝐾4
Ecuación17
𝐾𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 =1
1182,455551
+1
0,29635955+
11272,66936 +
197,1521166
59
= 0,2949mm3
3.3.1.1. Plato rompedor
El plato rompedor se encuentra al final del cilindro. Se trata de un disco
delgado de metal con agujeros. Su función es servir de soporte a un
paquete de filtros para atrapar los contaminantes, para que no salgan con
el producto extruido, además mejora el mezclado y homogenizan el
fundido. (Beltran Rico & Marcilla Gomis, 2012)
plato rompedor
diámetro interno cilindro 29,4 mm
diámetro de orificios 5,5125 mm
distancia horizontal entre orificios 6,6738 mm
distancia vertical entre orificios 5,586 mm
AREA de cada agujero 23,86640941 mm^2
Tabla 14. Plato rompedor.
Fuente: los autores
Figura 30. Medidas del Plato rompedor
Fuente: (Beltran Rico & Marcilla Gomis, 2012) (unet, 2017)
Para el cálculo del plato rompedor se tuvieron en cuenta los valores que arroja
la figura 30.
60
𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜𝑠 =
3
16∗ 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜
=3
16∗ 29,4 = 5,5125
Ecuación18
𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜𝑠
= 0,19 ∗ 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜
= 0,19 ∗ 29,4 = 5,586
Ecuación19
𝐷𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 ℎ𝑜𝑟𝑖𝑧𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜𝑠
= 0,227 ∗ 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜
= 0,227 ∗ 29,4 = 6,6738
Ecuación20
𝑎𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑎𝑔𝑢𝑗𝑒𝑟𝑜 = 𝜋 ∗ (
𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜𝑠
2)2
= 𝜋 ∗ (5,5125
2)2
= 23,86640941
Ecuación21
3.3.1.2. Velocidades de corte debido a la boquilla
Se lograron determinar las velocidades de corte a las que está sometido
el plástico, estos valores se encuentran en unos rangos bajos de 0 a 400
s^-1.
Velocidades de corte en la boquilla
Zona tornillo dosificador 356,628023 s^-1
Zona canal cilíndrico 6,01809788 s^-1
Zonal canal cónico 0,00258709 s^-1
Tabla 15. Velocidades de corte en la boquilla.
Fuente: los autores
velocidad de corte en el canal del tornillo
alimentación 29,3812087 s^-1
dosifica 100 s^-1
huelgo radial 188,039736 s^-1
Tabla 16. Velocidad de corte en el canal del tornillo.
61
Fuente: los autores
𝑣𝑒𝑙 𝑧𝑜𝑛𝑎 𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜 𝑑𝑜𝑠𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟 =
32 ∗ 𝑄𝜋 ∗ 𝐷3
𝑐𝑎𝑛𝑡 𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜𝑠
Ecuación22
𝑣𝑒𝑙 𝑧𝑜𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑖𝑐𝑜 =
32 ∗ 𝑄
𝜋 ∗ 𝐷𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑖𝑐𝑜3
Ecuación23
𝑣𝑒𝑙 𝑧𝑜𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑛𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑖𝑐𝑜
=256 ∗ 𝑄
𝜋 ∗ (𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑚𝑎𝑦𝑜𝑟 − 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑚𝑒𝑛𝑜𝑟)3
Ecuación24
𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 =
𝜋 ∗ 𝐷 ∗ 𝑛
ℎ
Ecuación25
3.3.2. Calculo de flujos dentro de la extrusora.
Después de tener en cuenta las diferentes geometrías de la boquilla, se puede
determinar cada tipo de flujo a través del tornillo:
FLUJO DE ARRASTRE (∝):
∝=𝜋 ∗ 𝑚 ∗ 𝐷 ∗ ℎ1 (
𝑡𝑚 − 𝑒) 𝑐𝑜𝑠
2𝜑
2
Ecuación26
Donde:
m: número de canales
D: diámetro del husillo
h1: Profundidad zona alimentación
t: paso del tornillo
e: espesor del filete
62
φ: ángulo de hélice del canal
∝=𝜋 ∗ 1 ∗ 2,8 ∗ 0,448 (
2,81 − 0,28) 𝑐𝑜𝑠217,65
2= 4,51𝑐𝑚3
FLUJO DE PRESION:
𝛽 =1 ∗ ℎ13 ∗ (
𝑡𝑚 − 𝑒) 𝑠𝑖𝑛𝜑 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝜑
12 ∗ 𝐿
Ecuación27
Donde L es la longitud efectiva del husillo.
𝛽 =1 ∗ 0,4483 ∗ (
2,81− 0,28) 𝑠𝑖𝑛17,65 ∗ 𝑐𝑜𝑠17,65
12 ∗ 67,2= 8,12 ∗ 10−5𝑐𝑚3
FLUJO DE FILTRACION:
𝛾 =
𝜋2 ∗ 𝐷2 ∗ δ3 ∗ 𝑡𝑎𝑛𝜑
10 ∗ 𝑒 ∗ 𝐿
Ecuación28
Donde δ es la holgura entre husillo y barril.
𝛾 =𝜋2 ∗ 2,82 ∗ 0,73 ∗ 𝑡𝑎𝑛17,65
10 ∗ 0,28 ∗ 67,2= 4,48802 ∗ 10−5𝑐𝑚3
Ecuacion29
3.3.3. Velocidad del husillo
63
Figura 31. Velocidad de corte para procesos de transformación de plastico.
Fuente: (Gomez & Gutiérrez, 2007)
La velocidad de corte está dada por la siguiente ecuación:
�̇� =
𝜋 ∗ 𝐷 ∗ 𝑛
ℎ2 ∗ 1𝑠
Ecuación29
En la figura 31 se puede observar intervalos de velocidad de cortadura para
distintos tipos de reómetros, para el plastomero de extrusión con diferentes tipos
de procesamiento, se opera entre 100 y 100 s-1.
Se despeja las rpm teniendo en cuenta una velocidad de corte de 100 s-1:
𝑛 =
�̇� ∗ ℎ2
𝜋 ∗ 𝐷=100 ∗ 1,316278149
𝜋 ∗ 28= 1,49637267
𝑟𝑒𝑣
𝑠∗60𝑠
1𝑚𝑖𝑛= 89,78236022 𝑟𝑝𝑚 = 1,49637267𝑟𝑝𝑠
Ecuación30
Con los valores obtenidos se calcula el flujo volumétrico:
𝑄 = (4,51 𝑐𝑚3 ∗ 0,000294912 𝑐𝑚3
0,00029491𝑐𝑚3 + 8,12 ∗ 10−5𝑐𝑚3 + 4,48802 ∗ 10−5𝑐𝑚3)
∗ 89,78236022 𝑅𝑃𝑀 = 283,5961816𝑐𝑚3/𝑚𝑖𝑛
64
DATOS
huelgo 0,7 mm
h2
dosificación
1,31627815 mm
h1
alimentación
4,48 mm
n 89,7823602 Rev/min 1,49637267 Rev/s
Dint tornillo 28 mm
Q 283,596182 cm^3/min 4,72660303 cm^3/s
Tabla 17. Datos tornillo de extrusión rediseño
Fuente: los autores
3.3.4. Flujo volumétrico máximo del tornillo
Este caudal se daría en caso de que la presión no se acumulara, no hubiera
boquilla o plato rompedor que incrementara dicha presión, entonces el caudal
solo sería producto del flujo de arrastre:
𝑄 = (∝) ∗ 𝑛 Ecuación31
𝑄 = 404,823 𝑐𝑚3
𝑚𝑖𝑛= 6,7470 ∗ 10−6
𝑚3
𝑠
Si la resistencia es máxima Q=0 y se igualara flujo de arrastre con el flujo de
presión de donde se obtendrá la presión máxima, la cual también involucra una
viscosidad efectiva planteadas en la tabla 18.
3.3.5. Presión máxima
La presión en las máquinas de extrusión se genera en la parte delantera del
tornillo de extrusión el cual cumple un papel importante para el proceso y el
acabado del material.
Para el polietileno y polipropileno se tiene en cuenta su viscosidad a la
temperatura la zona de dosificación que aproximadamente seria 210°C, para la
cual se obtiene la presión máxima:
65
𝑃𝑚𝑎𝑥𝑃𝑜𝑙𝑖𝑒𝑡𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 =
6 ∗ 𝜋 ∗ 𝐷 ∗ 𝐿 ∗ 𝑛 ∗ 𝜇
ℎ22 ∗ 𝑡𝑎𝑛𝜑
=6 ∗ 𝜋 ∗ 0,028 ∗ 0,672 ∗ 1,49637267 ∗ 50
0,0013162782 ∗ tan (17,65)
= 48136083,92𝑃𝑎
Ecuación32
𝑃𝑚𝑎𝑥𝑃𝑜𝑙𝑖𝑝𝑟𝑜𝑝𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜 =6 ∗ 𝜋 ∗ 𝐷 ∗ 𝐿 ∗ 𝑛 ∗ 𝜇
ℎ22 ∗ 𝑡𝑎𝑛𝜑
=6 ∗ 𝜋 ∗ 0,028 ∗ 0,672 ∗ 1,49637267 ∗ 200
0,0013162782 ∗ tan (17,65)= 192544335,7 𝑃𝑎
Donde μ=viscosidad efectiva (Pa)
Material temperatura
VISCOCIDAD EFECTIVA POLIETILENO TOMADO CON GRAFICA
POLIETLENO BD
150°C 115 Pa*s N*s/m^2
210°C 50 Pa*s
POLIPROPILENO
150°C 400 Pa*s N*s/m^2
210°C 200 Pa*s
Tabla 18. Viscosidad efectiva del polietileno y polipropileno
Fuente: (Morton-Jones, 1986)
3.3.6. Presión del extrusor
Esta presión debido a la presión impregnada por la boquilla y su conjunto
(diferentes geometrías, plato rompedor mallas, etc.) está ligada a la constante K
anteriormente calculada, es entonces como el flujo de la boquilla se calcula con
la ecuación:
𝑄𝑥 =
𝐾 ∗ 𝑃
𝜇
Ecuación33
Para determinar esta P que es la presión piezometrica resultante por el cabezal
se usó la ecuación 34 (Groover, 2007):
66
𝑄𝑥 = 𝑄𝑚𝑎𝑥 − (
𝑄𝑚𝑎𝑥𝑃𝑚𝑎𝑥
) ∗ 𝑃 Ecuación34
Igualando las dos ecuaciones anteriores se obtendrá P:
𝐾 ∗ 𝑃
𝜇= 𝑄𝑚𝑎𝑥 − (
𝑄𝑚𝑎𝑥𝑃𝑚𝑎𝑥
) ∗ 𝑃
𝑃 =
𝑄𝑚𝑎𝑥𝐾𝜇 +
𝑄𝑚𝑎𝑥𝑃𝑚𝑎𝑥
Ecuación35
𝐾
𝜇=2,94912 ∗ 10−10𝑚3
50 𝑃𝑎 ∗ 𝑠= 5,89824 ∗ 10−12
𝑚3
𝑃𝑎 ∗ 𝑆 𝑝𝑜𝑙𝑖𝑒𝑡𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜
𝐾
𝜇=2,94912 ∗ 10−10𝑚3
200 𝑃𝑎 ∗ 𝑠= 1,4745610−12
𝑚3
𝑃𝑎 ∗ 𝑆 𝑝𝑜𝑙𝑖𝑝𝑟𝑜𝑝𝑖𝑙𝑒𝑛𝑜
Presión para el polietileno
𝑃 = 6,7470 ∗ 10−6
𝑚3
𝑠
5,89824 ∗ 10−12 𝑚3
𝑃𝑎 ∗ 𝑆 +6,7470 ∗ 10−6
𝑚3
𝑠48136083,92𝑃𝑎
= 1,12 ∗ 106𝑃𝑎
Presión para el polipropileno
𝑃 = 6,7470 ∗ 10−6
𝑚3
𝑠
1,4745610−12𝑚3
𝑃𝑎 ∗ 𝑆 +6,7470 ∗ 10−6
𝑚3
𝑠192544335,7 𝑃𝑎
= 4 ∗, 47 106𝑃𝑎
Groover denomina a esta presión valor de presión piezometrica. Estos valores
se deberán tener en cuenta para la presión durante la operación de la extrusora,
teniendo en cuenta cada material. Lo más adecuado es que se mantenga en
rango medio entre Presión y Presión máxima, teniendo preferencia hacia el lado
de Presión piezometrica debido a que se considera la presión óptima para que
se dé correctamente la salida en la boquilla.
3.3.7. Producción de la máquina extrusora
Teniendo en cuenta las densidades específicas del material a tratar como se
enlista en la tabla 19, se obtiene la producción para cada uno de ellos. La
producción total de la máquina será entonces el producto del flujo volumétrico y
densidad específica:
67
𝑃𝑅𝑂𝐷𝑈𝐶𝐶𝐼𝑂𝑁 𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿
= 𝑄 ∗ 𝐷𝐸𝑁𝑆𝐼𝐷𝐴𝐷 𝐷𝐸𝐿 𝑀𝐴𝑇𝐸𝑅𝐼𝐴𝐿 ∗60𝑚𝑖𝑛
ℎ𝑟
Ecuación36
𝑃𝑅𝑂𝐷𝑈𝐶𝐶𝐼𝑂𝑁 𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿 = 283,5961816𝑐𝑚3
𝑚𝑖𝑛∗0,000928𝑘𝑔
𝑐𝑚3∗60𝑚𝑖𝑛
ℎ𝑟= 15,79063539𝑘𝑔/ℎ𝑟
DENSIDAD ESPECIFICA
Producción de la máquina rediseñada con distintos tipos de plástico
polietileno de baja densidad 0,000928 kg/cm^3
15,79063539 kg/h
polietileno de alta densidad 0,00096 kg/cm^3
16,33514006 kg/h
polipropileno 0,000907 kg/cm^3 15,4333042
kg/h
Tabla 19. Producción de la máquina con distintos tipos de plástico.
Fuente: los autores
3.3.8. Comparación de Producción Máquina Precious Plastic/Rediseño
Los cálculos realizados fueron aplicados en ambos casos (Extrusora Precious plastic /
extrusora rediseño) basándose en las dimensiones del tornillo y barril como se vio en
operaciones anteriores. El flujo de arrastre para Precious Plastic es menor que para la
máquina rediseñada, este flujo es el primario para asegurar el plástico fluya; el cambio
de dimensiones (tabla 12 ) radica en que el ángulo de inclinación del filete es menor,
también el paso “t” resulta menor, causando que el flujo de arrastre disminuya en la
máquina Precious Plastic con 2,50 cm^3 y la máquina rediseñada con 4,51 cm^3 como
se visualiza en la tabla 20; el flujo de presión también se ve afectado por el ángulo, así
como también la longitud que es inversamente proporcional a la presión, en la máquina
Precious se ve que a pesar que la longitud es menor las proporciones contra su flujo de
arrastre son distantes respecto a la máquina rediseñada. Respecto al flujo a filtración
en la máquina rediseñada resulta ser mayor que en la máquina Precious Plastic porque
la holgura (producido por el claro entre las hélices y tornillo, y que resta al flujo de
arrastre) se hizo con el objetivo que las tolerancias no fueran excesivas y que
posiblemente elevaran el coste de fabricación y ensamble de tornillo y cilindro.
68
COMPARATIVA DE PRODUCCION EXTRUSORAS
Dato Extrusora Precious Plastic Extrusora rediseño
flujo de arrastre 2,50726877 cm^3 4,51 cm^3
flujo de presión 5,48E-05 cm^3 8,12E-05 cm^3
flujo de filtración 7,02E-08 cm^3 4,49E-05 cm^3
Flujo Total 117,086473 cm^3/min 283,5961 cm^3/min
para polietileno BD 6,5193 kg/hora 15,7906 kg/hora
para polietileno AD 6,7441 kg/hora 16,3351 kg/hora
para Polipropileno 6,3718 kg/hora 15,4333 kg/hora
Tabla 20. Comparativa de la producción extrusora
Fuente: Los autores
Los resultados demuestran un mayor flujo volumétrico y por ende el aumento de
producción estimada de la máquina rediseñada, contra la máquina Precious Plastic esto
a pesar de tener un flujo de filtración mayor quien le resta a la producción.
3.4. POTENCIA REQUERIDA POR LA MÁQUINA
La potencia necesaria para accionar el husillo puede ser determinada a partir de
la siguiente ecuación: (Savgorodny, 1973)
𝑁 =
𝑛 ∗ 𝜋 ∗ 𝐷3
𝐾2
Ecuación37
N=Potencia de la máquina
K=Factor de proporcionalidad (66,7)
𝑁 =89,78236022 ∗ 𝜋 ∗ 283
66,72= 1391,7566𝑤𝑎𝑡𝑡𝑠 = 1,866𝐻𝑃
3.5. ESFUERZOS DE TORNILLO
Donde P es la fuerza axial, F es la superficie de sección transversal del tonillo, sobre la que ejerce su presión el material y p la presión especifica del material en la parte delantera del cilindro.
𝐹 =𝜋 ∗ 𝐷2
4∗ (1 − 𝑢2)
𝐹 =𝜋 ∗ 0,0282𝑚2
4∗ (1 − 0,682) = 3,31 ∗ 10−4𝑚2
Ecuación38
69
𝑢 =
𝑑
𝐷=19,04 𝑚𝑚
28 𝑚𝑚= 0,68
Ecuación39
𝑃 = 𝐹 ∗ 𝑝 = 3,31 ∗ 10−4𝑚2 ∗ 48,1 𝑥 106 𝑃𝑎 = 1,59 𝑥 104 𝑁 Ecuación40
Esbeltez del tornillo.
𝜆 =
𝛼𝐿
𝑅𝑖=
2 ∗ 0,759 𝑚
8,47 𝑥 10−3 𝑚= 1,79 𝑥 102
Ecuación41
Donde α=2, L la longitud del husillo y Ri es el radio de inercia.
𝑅𝑖 = √𝐽
𝐹= √
2,37 𝑥 10−8 𝑚4
3,31 ∗ 10−4𝑚2= 8,47 𝑥 10−3 𝑚
Ecuación42
Donde J es el momento de inercia de la sección transversal
𝐽 =𝜋 ∗ 𝐷4
64∗ (1 − 𝑢4) =
𝜋 ∗ 0,0284𝑚4
64∗ (1 − 0,684)
= 2,37 𝑥 10−8 𝑚4
Ecuación43
Momento de giro
𝑀𝑔 = 9550 𝑁
𝑛= 9550 ∗
1,78968 𝑘𝑊
89 𝑅𝑃𝑀= 1,9037 𝑋 102 𝑁𝑚
Ecuación44
Donde N: es la potencia del motor, n las RPM del tornillo Momento polar de resistencia es:
𝑊𝑝 =
𝜋 ∗ 𝐷3
16(1 − 𝑢4) =
𝜋 ∗ 0,0283𝑚3
16(1 − 0,684)
= 3,38 𝑥 10−6 𝑚3
Ecuación45
Tensión tangencial máxima sobre la superficie del tornillo 𝜏
70
𝜏 =
𝑀𝑔
𝑊𝑝=1,9037 𝑋 102 𝑁𝑚
3,38 𝑥 10−6 𝑚3= 5,62 𝑥 107
𝑁
𝑚2
Ecuación46
Momento de flexión máximo
𝑀𝑓 =𝛾𝐹𝐿2
2=7845
𝑘𝑔𝑚3
∗ 3,31 ∗ 10−4𝑚2 ∗ 0,759 𝑚
2= 0,748 𝐾𝑔 𝑚
Ecuación47
Donde 𝛾 es la densidad del material
Momento resistente respecto al eje neutro
𝑊𝑜 =
𝜋 ∗ 𝐷3
32(1 − 𝑢4) =
𝜋 ∗ 0,028 3 𝑚3
32(1 − 0,684)
= 1,69 𝑥 10−6 𝑚3
Ecuación48
Con estos valores determinados se halla las tensiones máximas que surgirán
en el apoyo del árbol.
𝜎 =
𝑃
𝐹+𝑀𝑓
𝑊𝑜=
1,59 𝑥 104 𝑁
3,31 ∗ 10−4𝑚2+
0,748 𝐾𝑔 𝑚
1,69 𝑥 10−6 𝑚3
= 48,6 𝑋 106 𝑃𝑎
Ecuación49
La solidez
𝜎𝑟 = √𝜎2 + 4𝜏2 = √(48,6 𝑋 106 𝑃𝑎)2 + 4(56,2 𝑥 106 𝑃𝑎)2
= 122 𝑥 106𝑃𝑎
Ecuación50
Dicho valor calculado es menor al límite de fluencia del material 4140 el cual
tiene un valor de 1138 Mpa, por lo que no tendrá dificultades para soportar el
tornillo.
3.6. CILINDRO
El barril es prácticamente un cilindro hueco de gran espesor, para que pueda
soportar las presiones generadas en su interior por el husillo y el plástico. Se
encarga de transmitir el calor de las resistencias al polímero.
La superficie del cilindro debe ser muy rugosa para aumentar las fuerzas de
cizalla que soportará el material y permitir así que éste fluya a lo largo de la
extrusora. Para evitar la corrosión y el desgaste mecánico. (Morales, 2015)
𝐷𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 2 ∗ δ + Dtornillo Ecuación51
𝐷𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 2 ∗ 0.7 + 28mm = 29,4mm
71
𝑅𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 =
𝐷𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜
2=29,4
2= 14,7𝑚𝑚
Ecuación52
Espesor del cilindro: Es necesario saber el espesor del barril teniendo en cuenta
propiedades físicas del material. (Ortiz Abata y Cristian Fabian, 208)
La ecuación para ello es:
𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 𝑅𝑖𝑛𝑡 ∗ (1 − √2 ∗ 𝑃𝑚𝑎𝑥
𝜎𝑡 − 2𝑃𝑚𝑎𝑥)
Ecuación53
Donde
Rint: radio interno del barril en metros
Pmax: presión máxima interna del barril en Mpa
σt: Esfuerzo máximo de fluencia del material del cilindro en Mpa.
𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 = 0,0147𝑚 ∗ (1 − √2 ∗ 48,13𝑀𝑝𝑎
565𝑀𝑝𝑎 − 2 ∗ 48,13𝑀𝑝𝑎) = 0,00804 𝑚 = 8,04 𝑚𝑚
Obteniendo el espesor se puede obtener el diámetro externo del barril.
𝐷𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 𝐷𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 + (2 ∗ 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜)
𝐷𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 = 29,4 + (2 ∗ 7,68630) = 44,7726𝑚𝑚 ≈ 45 𝑚𝑚
3.6.1. Selección material para el cilindro
De acuerdo a los valores obtenidos se optó por seleccionar un acero 1018 Este
acero de bajo - medio carbono tiene buena soldabilidad y ligeramente tiene mejor
máquinabilidad que los aceros con grados menores de carbono. Debido a su alta
tenacidad y baja resistencia mecánica es adecuado para componentes de
máquinaria. (Ver anexo propiedades del acero 1018)
72
Figura 32. Modelado del cilindro.
Fuente: los autores
3.7. SOPORTE DE LA MÁQUINA Y CILINDRO
La base tanto para la máquina en general como del cilindro son los encargados
de sostener todo el peso de los componentes, de modo que, estas deben ser
resistentes y rígidas. Por lo tanto se selecciona un acero ASTM A36 para
estructuras metálicas en general.
73
Figura 33. Propiedades del acero ASTM A36.
Fuente: (Cházarp Rosario & Alvarez Valadez, 2018)
Figura 34. Composición química del acero ASTM A36.
Fuente: (Cházarp Rosario & Alvarez Valadez, 2018)
74
Acero ASTM A36
ítem cantidad longitud (mm) descripción
1 2 1400 acero A36 40*40*3 mm
2 2 600 acero A36 40*40*3 mm
3 4 1000 acero A36 40*40*3 mm
4 4 50 acero A36 40*40*3 mm
5 2 600 acero A36 40*40*3 mm
6 1 1320 acero A36 40*40*3 mm
7 4 150 acero A36 40*3 mm
Tabla 21. Longitudes soporte máquina.
Fuente: los autores
Figura 35. Modelado del soporte de la máquina.
Fuente: los autores
75
Soporte del cilindro
Acero ASTM A36
ítem cantidad longitud (mm) descripción
1 1 120 Perfil acero A36 40*40*3 mm
2 1 840 Perfil acero A36 60*60*3 mm
3 1 170 Perfil acero A36 90*60*3 mm
4 1 170 Perfil acero A36 90*60*3 mm
5 1 246 Perfil acero A36 40*40*3 mm
6 2 100 Perfil acero A36 60*60*3 mm
7 4 2,5 Do=15mm; Di=10mm
8 2 60 Perfil acero A36 60*60*3 mm
9 4 60 Perfil L acero A36 60*60*10 mm
Tabla 22. Longitudes soporte cilindro.
Fuente: los autores
Figura 36. Partes del soporte del cilindro.
Fuente: los autores
76
Figura 37. Modelado del soporte del cilindro.
Fuente: los autores
3.8. TRANSFERENCIA DE CALOR
Coeficiente de transferencia de calor: Este coeficiente es el resultante de la suma
del coeficiente por convección y el coeficiente por radiación. (Rosero, 2014)
h= Coeficiente de transferencia de calor (w/m^2*K)
ℎ = ℎ𝑐 + ℎ𝑟 Ecuación54
Coeficiente por convección: cuando un fluido se pone en contacto con una
superficie sólida a una temperatura distinta, el proceso resultante de intercambio
de energía térmica se denomina transferencia de calor por convección. (unet,
2017)
La transferencia de calor por este medio se presenta siempre que un cuerpo
solido es colocado cerca de un fluido que está a diferente temperatura que dicho
cuerpo. (Barbosa Paredes, 2012)
Para hallar el coeficiente por convección se aplica la siguiente formula:
ℎ𝑐 =
𝑁𝑢 ∗ 𝐾
𝐷𝑒𝑥𝑡𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜
Ecuación55
hc= coeficiente por convección (w/m^2*K)
Dintcilindro=diámetro interno del cilindro (m)= 0,0294
77
Espesor del cilindro (m)= 0,007688697
Dextcilindro=diámetro externo del cilindro (m)= 0,044726
Lc=longitud del cilindro=739mm
K= conductividad térmica del aire a la temperatura a la temperatura media (ver
figura 36)
Número de Nusselt (Nu): es un número adimensional que mide el aumento de la
transmisión de calor desde una superficie por la que un fluido fluye. (Lopez,
2014)
Nu= número de Nusselt
𝑁𝑢 =
(
0,6 + 0,387
(
𝑃𝑟 ∗ 𝐺𝑟
[1 + (0,559𝑃𝑟 )
916]
169
)
16
)
2
Ecuación56
Donde Pr: Es el número de Prandtl y Gr es la constante de Grashof, este
producto resultaran en el constante Ra, también denominado número de
Grayleigh. El cálculo se explica a continuación.
Gr= número de grashof (Gr)
𝐺𝑟 =
𝐵 ∗ 𝑔 ∗ ∆𝑇 ∗ 𝐷𝑒𝑥𝑡𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜3
𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑖𝑛𝑒𝑚𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎2
Ecuación57
g=gravedad (m/s^2)=9,81
∆𝑇 =variación de la temperatura= (423,15-294,15)=129 K
B= Boltzmann constant (k^-1)
Temperatura media de película Tf (°C) esta es requerida inicialmente para
obtener la constante de boltzman,
𝑇𝑓 =
𝑇𝑠 − 𝑇𝑎
2=150 + 21
2= 85,5°𝐶 → 358,65𝐾
Ecuación58
78
Ts=temperatura del solido (Ts=150 °C423,15K que es la temperatura de fusión
del polietileno)
Ta=temperatura ambiente=21°C294,15K
B= Boltzmann constant (k^-1)
𝐵 =
1
𝑇𝑓=
1
358,65= 0,002788233
Ecuación59
De acuerdo al valor obtenido de temperatura media de la película y de acuerdo
a la figura 36 se interpolan y determinan las propiedades del aire a 358,63 K (ver
tabla 23).
Figura 38. Propiedades termofisicas de gases a presión atmosférica.
Fuente: (Icropera, 1999)
PROPIEDADES DEL AIRE A 358,65K
Numero de Prandtl pr 0,69827
viscosidad cinemática (m^2/s) 0,00002186
conductividad térmica (w/mk) K 0,0306574
Boltzmann constant (k^-1) B 0,00278823
Tabla 23. Propiedades del aire a 358,65k.
79
Fuente: los autores
Ahora es posible calcular el número Grashof:
𝐺𝑟 =𝐵 ∗ 𝑔 ∗ ∆𝑇 ∗ 𝐷𝑒𝑥𝑡𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜3
𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑐𝑖𝑛𝑒𝑚𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎2=0,002788233 ∗ 9,81 ∗ 129 ∗ 0,0434893953
0,000021862
= 6,07 ∗ 105
Donde ∆𝑇 =variación de la temperatura= (423,15-294,15)=129 K
Ra= número de Grayleigh
𝑅𝑎 = 𝑃𝑟 ∗ 𝐺𝑟 = 0,69827 ∗ 6,07 ∗ 105 = 4,24 ∗ 105 Ecuación60
𝑁𝑢 =
(
0,6 + 0,387
(
4,24 ∗ 105
[1 + (0,5590,69827)
916]
169
)
16
)
2
= 11,43157166
Ya obtenido el número de Nusselt se logra determinar el coeficiente por
convección:
ℎ𝑐 =𝑁𝑢 ∗ 𝐾
𝐷𝑒𝑥𝑡𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜=11,43157166 ∗ 0,0306574
0,043489395= 8,058568417 𝑤/𝑚^2 ∗ 𝐾
Coeficiente por radiación: Las áreas metálicas por su característica inherentes
son buenos radiadores de calor, las pérdidas por este fenómeno dependen
siempre de la temperatura absoluta, el área superficial y la emisividad del
material. (Rosero, 2014)
ℎ𝑟 =
∈1∗ 𝜎(𝑇𝑠4 − 𝑇𝑎4)
(𝑇𝑠 − 𝑇𝑎)
=0,865 ∗ 5,67 ∗ 10−8(423,154 − 2944)𝐾
(423,15 − 294,15)𝐾
= 9,343199041𝑤
𝑚2∗ 𝐾
Ecuación61
hr= coeficiente por radiación (w/m^2*K)
σ =Constante de Stefan boltzmann (w/m^2*K)= 5,67E-08
∈1 = emisividad del acero = 0,865
Coeficiente de transferencia calor:
80
ℎ = ℎ𝑐 + ℎ𝑟
ℎ = 8,058568417𝑤
𝑚2∗ 𝐾 + 9,343199041
𝑤
𝑚2∗ 𝐾 = 17,3997
𝑤
𝑚2∗ 𝐾
3.8.1. Estimación de pérdidas
Perdidas por Conducción
El cilindro pierde calor por los puntos de contacto como soporte, tolvas, husillo,
pero para este diseño los contactos con el cilindro se redujeron al mínimo, por lo
cual se despreciarán dichas perdidas por conducción. (Rosero, 2014)
Perdidas por radiación
El calor de pérdidas por radiación qr, debe hablar el área externa del cilindro
Ae=área externa cilindro (m^2)
𝐴𝑒 = 2𝜋 ∗ 𝑅𝑒𝑥𝑡𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 ∗ 𝐿𝑐 = 2𝜋 ∗ 0,022363 ∗ 0,739
= 0,103837535 𝑚2
Ecuación62
Considerando un coeficiente por perdidas (hr) es:
𝑞𝑟 = 𝐴𝑒 ∗ ℎ𝑟(𝑇𝑠 − 𝑇𝑎)
= 0,103837535𝑚2 ∗ 9,343199041𝑤
𝑚2∗ 𝐾
∗ (423,15 − 294,15)𝐾 = 125,152543 𝑊
Ecuación63
Perdidas por convección
Por la elevada temperatura que adquiere el aire alrededor del cilindro, y los flujos
de refrigeración, este tiende a elevarse hacia arriba y perderse, debido a su baja
densidad, lo cual hace que se genere perdida de calor desde el cilindro. (Rosero,
2014)
𝑞𝑐 = ℎ𝑐 ∗ ∆𝑇 ∗ 𝐴𝑒
= 8,058568417𝑤
𝑚2∗ 𝐾 ∗ 129𝐾
∗ 0,103837535 𝑚2 = 104,9603535 𝑊
Ecuación64
Cantidad de valor agregado al polímero (KJ/h)
Cantidad de potencia necesaria para elevar una masa de material a determinada
temperatura trabajo y moldeo.
𝑒𝑠𝑝 = �̇� ∗ 𝐶𝑝 ∗ (𝑇𝑠 − 𝑇𝑎) Ecuación65
81
esp = 15,790635kg
h∗ 2,3
KJ
𝐾𝑔°𝐶∗ (150 − 21)°C = 4685,08152
KJ
h
�̇�=flujo másico
Cp=calor especifico del polietileno
Conversión a Watts
𝑒𝑠𝑝 = 4685,08152 ∗ 0,2777777777778 = 1301,411533 Watts
3.8.2. Calor necesario para calentar el cilindro
Este es el calor que se necesario para poder lograr llevar el cilindro a la
temperatura en la cual la masa pueda fundirse, esta se define mediante el calor
a través de un cilindro hueco. (Rosero, 2014)
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 =
𝑇𝑠 − 𝑇𝑎
ln (𝑅𝑒𝑥𝑡𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜𝑅𝑖𝑛𝑡𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜
)
2𝜋 ∗ Condterm ∗ 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜
𝑒𝑠𝑝
= �̇� ∗ 𝐶𝑝 ∗ (𝑇𝑠 − 𝑇𝑎)
Ecuación66
Qcond=Calor necesario por conducción
Condterm=conductividad térmica del acero
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 =(423,15 − 294,15)𝐾
ln (0,022363 𝑚0,0147 𝑚 )
2𝜋 ∗ 50,2𝑊𝑚 𝐾 ∗ 0,008040969 𝑚
= 745,6442428 𝑊
3.8.3. Potencia requerida en los calefactores (W)
Equivale a todos los calores necesarios y a las pérdidas del sistema. (Rosero,
2014)
𝑃𝑟𝑒𝑞 = 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 + 𝑒𝑠𝑝 + 𝑞𝑐 + 𝑞𝑟 Ecuación67
𝑃𝑟𝑒𝑞 = 745,6442428 𝑊 + 104,9603535 𝑊 + 125,1525439 W = 2277,168674 𝑊
Voltaje del sistema electrico (V)=220v
3.8.4. Resistencia para cada calefactor
82
Conociendo la potencia total que necesitamos en lo calefactores, será dividida
en cinco resistencias calefactoras tipo abrazadera, dado que el comportamiento
de la temperatura a lo largo del cilindro es en forma de joroba.
𝑅 =
𝑉2
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎=(220 𝑉)2
177𝑤= 273,4463277 Ohmios
Ecuación68
elemento
selección (potencia en watts)
resistencia R
(ohmios)
calefactor 1 177 273,4463277
calefactor 2 200 242
calefactor 3 400 121
calefactor 4 700 69,14285714
calefactor 5 800 60,5
Tabla 24. Valor de resistencias.
Fuente: los autores
Dado que las resistencias se conectan en paralelo se debe calcular la corriente
que va a circular por el cable, entonces debemos sumar las resistencias en
paralelo.
𝑅𝑒𝑞 =
1
1𝑅1 +
1𝑅2 +
1𝑅3 +
1𝑅4 +
1𝑅5
Ecuación69
Rreq=resistencia global (ohmios)
𝑅𝑒𝑞 =1
1273,4463277 +
1242 +
1121 +
169,14285714
+160,5
= 21,25603865
I= corriente que consume el sistema (amperios)
𝐼 = √3
𝑉
𝑅𝑒𝑞= √3
220
21,25603865= 17,92672586 𝐴
3.8.5. Temperaturas de operación
Debido a que se determinó la presencia de 5 zonas de calentamiento con
su respectiva resistencia, se recomienda seguir las temperaturas para cada
una de ellas como se estipula en la tabla 25 para polipropileno y tabla 26 para
Ecuación70
83
polietilenos (Giles, Wagner, & Mount, 2005). El MFI que indica la tabla 24 se
refiere al índice de fluidez (Universat Rovira i Virgili, 2017) y en la industria se
utiliza como una verificación para comprobar si el grado de plástico está
dentro del rango de fluidez requerida, que es parte del estudio de la reología
de polímeros (INSTRON). También es de notar que en la tabla 25 hay un
material denominado LLDPE polietileno lineal baja densidad que se utiliza
para las bolsas de plástico y hojas (donde se permite el uso de menor espesor
que el comparable LDPE) (Portal Manufacturing Terms).
Tabla 25. Temperaturas de extrusión en distintas zonas para el polipropileno
Fuente: (Giles, Wagner, & Mount, 2005)
Tabla 26. Temperaturas de extrusión en distintas zonas para el polietileno
Fuente: (Giles, Wagner, & Mount, 2005)
3.8.6. Selección de la termocupla y resistencias.
De acuerdo a los valores obtenidos se optó por seleccionar una termocupla tipo
J (Fe - CuNi) conocida como la termocupla hierro - constantán.
Las termocuplas Tipo J resultan satisfactorias para uso continuo en atmósferas
oxidantes, reductoras e inertes y en vacío hasta 760 ºC. Por encima de 540 ºC,
el alambre de hierro se oxida rápidamente, requiriéndose entonces alambre de
mayor diámetro para extender su vida en servicio. La ventaja fundamental de la
84
termocupla Tipo J es su bajo costo y su amplio rango de temperaturas (Giles,
Wagner, & Mount, 2005).
Tabla 27. Termocupla tipo J.
Fuente: (Arian Control & instrumentacion, s.f.)
Para tener un valor más exacto de temperatura a la salida de la extrusión se
tendrá un sensor Pt 100, este consiste en un alambre de platino que a 0°C tiene
100 ohm, estas pueden entregar precisiones de una décima de grado sin
descomponerse, aunque mecánicamente no son tan rígidos como las
termocuplas. (Arian Control & instrumentacion, s.f.)
3.9. SISTEMA DE VENTILACIÓN
Es necesario calcular el calor que se va a disipar para calcular el caudal
necesario para disminuir la temperatura, este caudal será equivalente al calor
que el barril genera por conducción, convección y radiación. (Barbosa Paredes,
2012)
𝐹𝑛𝑒𝑐 =
𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 + 𝑞𝑟 + 𝑞𝑐𝜌𝑎𝑖𝑟𝑒 ∗ 𝐶𝑝𝑎𝑖𝑟𝑒 ∗ (𝑇𝑠 − 𝑇𝑎)
=745,644
𝐽𝑠 + 125,1525439
𝐽𝑠 + 104,9603535
𝐽𝑠
1,13𝑘𝑔𝑚3 ∗ 1010
𝐽𝐾𝑔 𝐾 ∗ (423,15 − 294,15)𝐾
= 6, 62 𝑥 10−3𝑚3
𝑠= 23,84
𝑚3
ℎ
Ecuación71
Este será el caudal mínimo que debe entregarse a la máquina para disipar el
calor. Para la selección de este sistema se opta por un ventilador centrifugo, y
estará ligado directamente al sistema de control para que sea accionado una vez
la temperatura supere valores críticos.
85
3.10. TOLVA
Figura 39. Garganta de alimentación.
Fuente: (Savgorodny, 1973)
Con los datos de la figura 37 se calculó la garganta de alimentación del cilindro.
espesor 7,6863 mm
diámetro exterior del cilindro 44,7726 mm
diámetro interno del cilindro 29,4 mm
longitud garganta de alimentación 44,1 mm
anchura de la garganta de alimentación 20,58 mm
densidad del polietileno de baja
densidad
0,000928 kg/cm^3
densidad del polietileno de alta densidad 0,00096 kg/cm^3
polipropileno 0,000907 kg/cm^3
Capacidad de la máquina 15,79063539 kg/hora
ángulo beta 60 grados
Tabla 28. Datos para el cálculo de la tolva.
Fuente: los autores
86
Volumen total (cm3)
PEBD PEAD PP
12931,03448 12500 13230,43
Volumen con espacio vacío
PEBD PEAD PP
16163,7931 15625 16538,0375
Tabla 29. Volumen total de la tolva y volumen con espacio vacío.
Fuente: los autores
𝑉𝑜𝑙 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑠𝑝𝑎𝑐𝑖𝑜 𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜 =
𝑣𝑜𝑙𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
0,8
Ecuación72
VOLUMEN TOTAL PARTE PIRAMIDAL 5275,139581 Cm^3
VOLUMEN TOTAL PARTE CUADRADA 13419,45288 Cm^3
VOLUMEN TOTAL DE LA TOLVA 18694,59246 Cm^3
Tabla 30. Volumen total tolva.
Fuente: los autores
3.10.1. Selección del material para la tolva
De acuerdo a los valores obtenidos se optó por seleccionar acero inoxidable
debido a su resistencia a la corrosión, facilidad de fabricación, resistencia a las
altas temperaturas. (Ver anexo propiedades del acero inoxidable).
Figura 40. Modelado de la tolva.
Fuente: los autores
87
3.11. MUÑON
Es la parte trasera del tornillo de extrusión, donde mediante un acople se unirá
con el motor.
A continuación se presentaran los cálculos pertinentes para comprobar la
resistencia y los concentradores de esfuerzos del muñón.
torque (T) 147,788447 N*m
diámetro del muñón (m) (dmun) 0,025 m
radio muñón (m) 0,0125 m
revoluciones 89,7823602 rpm
potencia husillo 1391,75669 watts
Fuerza de resistencia (Sn^-1) 410 Mpa
esfuerzo último en tracción 1248 Mpa
dureza de brinell 370 HB
Tabla 31. Datos para el cálculo del muñón.
Fuente: los autores
Factor de seguridad del muñón
Es un factor (número mayor que 1) utilizado en ingeniería para los cálculos de
diseño de elementos o componentes de máquinaria.
Este factor se aplica por algunas causas: previsiones desgaste o corrosión y
posibles errores en las propiedades de los materiales que se manejan.
𝑵 =
𝑺𝒏
𝑺𝒂 ∗ 𝑲𝒇=𝟐𝟎𝟑, 𝟗𝟖𝟗𝟖𝟓𝟏𝟒
𝟒𝟖, 𝟏𝟕 ∗ 𝟏, 𝟐𝟕= 𝟑, 𝟑𝟑𝟒𝟒𝟖𝟎𝟓𝟗𝟒
Ecuación73
88
Tabla 32. Propiedades mecánicas del acero 4140.
Fuente: (Barbosa Paredes, 2012)
De acuerdo a las propiedades mecánicas en tabla 32 para el acero AISI 4140 se
tomaron algunos datos para el cálculo del factor de seguridad del muñón.
torque 147,788447 N*m
diámetro del muñón (m) 0,025 m
radio muñón (m) 0,0125 m
revoluciones 89,7823602 rpm
potencia husillo 1391,75669 watts
resistencia a la fatiga (Sn^-1) 410 Mpa
esfuerzo último en tracción 1248 Mpa
dureza de brinell 370 HB
Tabla 33. Datos para el cálculo del factor de seguridad del muñón.
Fuente: los autores
Figura 41. Fuerza de resistencia.
Fuente: (Mott, 2004)
De acuerdo al esfuerzo ultimo (1248 MPa) y mecanizado (machined or cold drawn) se obtuvo el valor de fuerza de resistencia (ver figura 39).
89
Esfuerzo alternativo (Sa)
Para el cálculo del esfuerzo alternativo se tuvieron en cuenta valores del torque
del tornillo de extrusión y el radio del mismo. (Ver tabla 33)
𝑆𝑎 =
𝑇 ∗ 𝑟𝜋32 𝑑𝑚𝑢𝑛
4=147,788447 ∗ 0,0125
𝜋32 (0,025)
4= 48171544,3𝑃𝑎
= 48,17𝑀𝑃𝑎
Ecuación74
Coeficiente de reducción de esfuerzo a la fatiga (Kf)
𝐾𝑓 = 1 + 𝑞(𝐾𝑡 − 1) = 1 + 0,9(1,3 − 1) = 1,27 Ecuación75
Coeficiente de esfuerzos (Kt)=1,3 según graficas
Sensibilidad al entalle (q)=0,9
Figura 42. Factor de concentración de esfuerzos para un eje en torsión.
Fuente: (Mott, 2004)
Para hallar el coeficiente de esfuerzos (ver figura 40) se tuvieron en cuenta los
siguientes valores.
90
𝑟
𝑑=1,5𝑚𝑚
25𝑚𝑚= 0,06
Ecuación76
𝐷
𝑑=28𝑚𝑚
25𝑚𝑚= 1,12
Ecuación77
Con los valores obtenidos hallamos un valor en la figura 40 de coeficiente de
esfuerzos de 1,3
Figura 43. Sensibilidad al entalle.
Fuente: (Mott, 2004)
Para hallar la sensibilidad al entalle(ver figura 41) se tuvo en cuenta un radio de
la muesca de 1,5 mm y un esfuerzo ultimo de 1248 MPa.
Fuerza de resistencia a la fatiga (Sn)
Para el cálculo de la resistencia a la fatiga aparte de la fuerza de resistencia se
tienen en cuenta algunos factores de diseño.
𝑆𝑛 = 𝑆𝑛−1 ∗ 𝐶𝑚 ∗ 𝐶𝑙 ∗ 𝐶𝑠 ∗ 𝐶𝑟
= 410 ∗ 1 ∗ 0,7 ∗ 0,8774 ∗ 0,81
= 203,9898514𝑀𝑝𝑎
Ecuación78
91
factor del material
material cm
acero 1
no ferrosos 0,7
hierro puro 0,6-0,7
fundiciones 0,5
Tabla 34. Factor del material.
Fuente: los autores
factor de carga
tipo de carga Cl
carga axial 0,7
carga flexionante 1
carga torsión flexión 0,57
Tabla 35. Factor de carga.
Fuente: Los autores
factor de confiabilidad aproximado
confiabilidad deseada Cr
0.50 1
0.90 0,9
0.99 0,81
0.999 0,75
Tabla 36. Factor de confiabilidad.
Fuente: (Mott, 2004)
Factor de confiabilidad del 99% Cr=0,81
UNIDADES SI
rango de tamaño para D en mm
D≤7,62 Cs=1
7,62<D≤50 Cs=(D/7,62)^-0,11
50<D<250 Cs=0,859-0,000837D
Tabla 37. Factor de tamaño.
Fuente: (Mott, 2004)
92
De acuerdo al diámetro del muñón (25mm) se procede a calcular el factor de
tamaño Cs
𝐶𝑠 = (
𝑑𝑚𝑢ñ𝑜𝑛
7,62)−0,11
= (25𝑚𝑚
7,62)−0,11
= 0,8777488 Ecuación79
3.12. TRANSMISIÓN DE POTENCIA
Esta será la encargada de transmitir la velocidad y torque necesarios al tornillo
extrusor, por su aplicación se eligió un motor helicoidal.
Para la obtención de los diferentes coeficientes se tuvo en cuenta la tabla 2, 3 y
4 y todos los parámetros descritos en la sección 2,2,12.
SELECCIÓN MOTOREDUCTOR
velocidad de
entrada de motor
1750 RPM 89,78236022 RPM
solicitadas/
calculadas
POTENCIA DEL
MOTOR
FACTOR f 1,25
c1 tipo de carga 1,25 motores
eléctricos
con tiempo
de
funcionami
ento diario
de 2 hasta
10
c2 numero de
arranques por hora
1 arranques
por hora
hasta 10
c3 según
temperatura
ambiente
1 temperatur
a ambiente
20 °C
POTENCIA
MÁQUINA
REQUERIDA Pma
1,866 HP
93
POTENCIA DE
REDUCTOR A LA
SALIDA Pr
2,332031984 HP
TORQUE T 15,06508124 Kg-m 147,788447 N-m
(torque
efectivo)
K 725
relación de
reducción i
19,49157937 RPM
MOTOR/R
PM A LA
SALIDA
Fs 1,286431756 Superior al
calculado
Fs>f
Selección: Motorreductor helicoidal Z 41 - 90 L 4
i 19,8 Pot
nominal de
entrada
2,4 HP
RPM 86 Factor de
servicio
1,66
Tamaño del motor 90L Torque
nominal de
salida
191 N-m >147
calculado
Tabla 38 . Tipo de motor reductor.
Fuente: los autores
El motorreductor seleccionado ofrece una velocidad y potencia mayor al
requerido, por lo que se asume que suplirá correctamente el torque mínimo de
147 Nm. En el anexo 8 se puede encontrar el motorreductor helicoidal
seleccionado coaxial de la empresa Tametal Tp S.A.
Para la elección de motor se tuvieron en cuenta las posibilidades de escoger
entre motor DC o AC, las cuales entregan las mismas RPM sin embargo la
ventaja del motor AC es que su aplicación de potencia le permite corresponder
a la potencia requerida en la máquina extrusora, a comparación de motores DC
donde desarrollan torques pequeños. Adicionalmente el incorporar un variador
94
de velocidad AC resulta más económico. En el momento de adquirir el motor se
elige el tipo de conexión más adecuado según el sitio de instalación (monofásica,
trifásica).
3.13. SISTEMA DE CONTROL
Este será el encargado de controlar temperatura de cada una de las resistencias,
que serán censadas por medio de termopares. También se dispondrá a leer la
presión por medio de un sensor la cual no debe superar los valores de presión
establecidos. En primera instancia se tiene resistencias adecuadas para ofrecer
la potencia y temperatura requerida en cada zona, esto se realiza por medio de
un controlador de temperatura conectado a cada una de las resistencias, el ideal
es que una vez la temperatura de la zona se supere la resistencia se apague por
el controlador así como el motor deberá dejar de funcionar en ese instante. Esto
a su vez encenderá el ventilador por un lapso de tiempo estipulado para enfriar
la zona exterior del conjunto barril-resistencias. Los elementos para un sistema
de control de este tipo se muestran en la tabla 39.
PARAMETRO COMPONENTES ELECTRICOS Y ELECTRONICOS
TEMPERATURA
Controlador de temperatura
Sensores de temperatura (termopar)
Resistencias tipo J (5)
Pt100 (1)
GENERACION DE POTENCIA
Motor AC trifásico de 3 HP 220V
Motor DC monofásico de 2,4 HP
SISTEMA DE CONTROL
variador de velocidad
breakers de protección
Display
Perillas
Fusibles
Contactor
relé
testigos
sensor de presión
Parada de emergencia
Alarma de emergencia
Tabla 39. Componentes sistema de control.
Fuente: los autores
PROPUESTA DE CONTROL: Existe una posibilidad de realizar el control de los
parámetros y esto se logra por medio de la propuesta expuesta por GRUPO DE
INVESTIGACION INTEGRA el cual funciona como se describe a continuación:
95
Este sistema se encargara de hacer la adquisición de las diferentes señales
como son temperatura (°C), velocidad (RPM), y presión (Pa). De acuerdo al
control establecido se hará el procesamiento, un diagrama general (Ver anexo
8).
Control de temperatura: de acuerdo a unos rangos de temperatura estipulados
para cada material, se dispondrá de un control ON/OFF que regulara la salida a
las resistencias. Se tienen dos opciones posibles para su disposición dentro de
la extrusora:
1- Disponer de 5 resistencias eléctricas con el mismo valor de ohmios. En
caso de elegir esta opción se tendrá un amplificador de potencia para
lograr obtener el valor de potencia que se requiere para cada una de las
5 zonas de calentamiento.
2- Disponer de resistencias eléctricas con el valor de ohmios calculado para
cada una de las 5 resistencias (requieren mandarlas a construir), para así
obtener el valor de potencia requerido por cada una esto basados en la
ley de Ohm
La lectura de señales irá distribuidas de la siguiente forma:
-El scada (Supervisory control and data adquisition) cumplirá su función
de supervisar y controlar la instalación, esto como una forma de que el
operario pueda observar todas las variables durante la extrusión y que si
se estén ejecutando en los valores correctos para el funcionamiento.
-Variador electrónico el cual regule la velocidad del motor de acuerdo a
rangos de presión tolerables establecidos.
-Sistema de amplificación de potencia: Esto en caso de elegir la opción 1
en control de temperatura.
96
3.14. ENSAMBLE FINAL DE LA MÁQUINA EXTRUSORA
En la figura 42 se encuentra el modelado de la máquina extrusora,
resultante del rediseño de la máquina de “Precious Plastic”. Al final del
documento se adjuntan los planos de la máquina.
Figura 44. Máquina extrusora.
Fuente: los autores
97
3.15. COMPARACIÓN DE PARTES MÁQUINA PRECIOUS PLASTIC / REDISEÑO
NOMBRE PIEZA PIEZA PRECIOUS PLASTIC PIEZA REDISEÑADA DETALLES
Tolva
La forma piramidal se conserva y se le añade una forma cuadrara en su parte superior para aumentar el volumen de almacenamiento de plástico; se añadió garganta de alimentación para que el plástico fluya fácilmente a la entrada del tornillo.
barril
Se añadió una brida de sujeción entre barril y boquilla para evitar filtraciones y brindar un mayor agarre, puesto que en la máquina Precious Plastic era sujeción por rosca.
boquilla
Se acopló una brida para sujeción con barril y se prescindió del tornillo dosificador superior. También se incorporó una malla filtrante con varias capaz que filtrar el material no fundido y otros tipos de residuos, dado que la boquilla de Precious Plastic no contaba con una malla filtrante adecuada con varias capaz para dicha función; la geometría interna de la boquilla contiene formas cónicas que le
98
permiten el flujo sin interrupciones.
tornillo dosificador
El tornillo dosificador se conserva su diseño de sistema roscado, pero se incorporan varios hilos de salida y se deja abierta la posibilidad de intercambiar el tornillo para obtener distintas formas
soporte del barril
se mantuvo el mismo tipo de material puesto que este soporta la carga del cilindro y del tornillo, además se amplió sus longitudes para un mayor soporte y se le añadieron apoyos adicionales para controlar las vibraciones del barril; asimismo, se le añadieron ductos de ventilación que no poseía la máquina de Precious Plastic
soporte de la máquina
Se mantuvo el diseño original de Precious Plastic pero sus dimensiones se adecuaron de acuerdo a la máquina rediseñada. La única diferencia se encuentra en los agujeros de ventilación.
99
cubierta del cilindro
No tiene
Se dispuso con el fin de aislar el cilindro al ambiente y al contacto humano; puesto que la máquina de Precious Plastic no contaba dicha cubierta.
motorreductor
Se seleccionó de acuerdo a la carga que maneja la máquina, es de tipo helicoidal coaxial que brinda mayor eficiencia contrario al sin fin corona que maneja la máquina de Precious Plastic.
Tornillo de extrusión
Las diferencias radican en las dimensiones que se pueden visualizar en la tabla 12 así como su respectiva explicación. Adicionalmente, se agregó un mezclador tipo Maddock (más aconsejable para polieolefinas) que no poseía el tornillo de Precious Plastic. El muñón rediseñado se hizo de mayor diámetro debido a que la longitud del tornillo lo requería por cargas.
CONTROL TEMPERATURA
TERMOPAR TIPO K EN TODAS LAS
ZONAS
TERMOPAR PIPO J en 4 zonas Y PT100 ultima
zona
Se incorpora un sensor PT100 en el cabezal de la extrusora rediseñada debido a que tiene mayor precisión de lectura la cual es requerida en la parte final para asegurar una
100
temperatura adecuada del material en la salida
Ventilación No tiene
La máquina Precious Plastic no posee dicho sistema, y se incorporó debido a que el sistema lo requerirá cuando las temperaturas superen valores establecidos. Este estará ligado al sistema de control.
Tabla 40. Comparación de las partes y sistemas de máquina Precious Plastic / rediseño
Fuente: Los autores
101
CAPITULO 4. ANALISIS DE COSTOS DE FABRICACION
Los costos que se presentan a continuación son valores aproximados al costo
verdadero que puede tener la máquina a la hora de ser construida, estos costos
son valores proporcionados por distintas empresas, que no incluyen costos de
instalación ni operación de la máquina.
Para el cilindro se tuvieron en cuenta empresas que realizan la fabricación total
de dicha pieza, por otra parte se cotizo material en dado caso que se quiera
realizar el mecanizado independiente.
4.1. TORNILLO DE EXTRUSIÓN
TORNILLO DE EXTRUSION precio del tornillo manufacturado
Material tratamiento
térmico
Empresa
ACMAPLAST
Empresa
Cowell
Industrias
Ruiz NBA
AISI 4140 Templado
y revenido
a 800 °F
$ 2.300.000 $ 911.925 $1.300.000
País de origen Colombia China Colombia
Tabla 41. Costo tornillo de extrusión.
Fuente: los autores
4.2. CILINDRO
Cilindro Manufacturado
Material tratamiento
térmico
ACMAPLAST Empresa
cowell
Empresa
bimek
Industrias
Ruiz NBA
1018 Nitruración 2’600.000 $ 755.000 $ 1.000.000 $1.100.000
La empresa General de aceros propuso construir el cilindro por partes, es decir, se
cotiza el material por aparte
Descripción Material Precio del
material
Costo
mecanizado
TOTAL
Barra maciza
de diámetro
de 50,8,
Longitud 681
1018 $ 47.804 $ 1.100.000 $ 1.147.804
Para parte de
brida D=80
mm
$ 67.757 $ 150.000 $ 217.757
102
Sujeción
barril-tolva
$ 33.736 $ 15.000 $ 48.736
Sujeción-
cilindro
$ 37.266 $ 15.000 $ 52.266
Tabla 42. Costo cilindro.
Fuente: los autores
por otro lado obtener toda una barra maciza y de allí mecanizar la brida
Descripción Material Precio Costo
mecanizado
TOTAL
D=82,55mm L=689 mm acero
1020
1020 $
165.063
$ 1.750.000 $ 1.915.063
Sujeción barril-tolva 1018 $ 33.736 $ 15.000 $ 48.736
Sujeción-cilindro $ 37.266 $ 15.000 $ 52.266
4.3. SUJECION TORNILLO-MOTOR
Sujeción tornillo motor
Material Tratamiento térmico Costo de pieza manufacturado (General de
Aceros)
AISI 4140 templado y revenido a
800°F
$488.501
Tabla 43. Costo sujeción tornillo motor.
Fuente: General de aceros
103
4.4. TORNILLERIA
COTIZACION T Y T limitada
Perno Cantidad Precio Total
M8x90 4 $700 $2.800
M8x70 8 $600 $4.800
M16x40 2 $2.000 $4.000
M5x50 6 $200 $1.200
M5x8 4 $60 $240
M5x25 4 $150 $600
Tuerca 8mm 12 $100 $1.200
Tuerca 5 mm 14 $30 $420
Tuerca 16
mm
2 $600 $1.200
TOTAL TORNILLERIA $ 16.460
Tabla 44. Costo tornillería.
Fuente: los autores
4.5. VENTILADOR
Se tienen tres opciones diferentes de ventiladores, cada uno de ellos cuenta con
un flujo que cumplen con la necesidad requerida por la máquina.
ítem flujo de aire precio
ventilador centrifugo 1 255 m³/ hora $343.000
ventilador centrifugo 2 423 m³/hora $495.000
ventilador centrifugo 3 608 m³/hora $153.990
Tabla 45. Costo ventilador.
Fuente: los autores
104
4.6. MOTORREDUCTOR
Descripción marca potencia
(hp)
rpm precio
helicoidal
coaxial
Transmisiones de potencia
S.A.S
3 80 $2.300.000
helicoidal
coaxial
Sumitomo con variador de
velocidad
3 83,3 $2.847.000
helicoidal
coaxial
GM MOTOR SAS (incluye
variador de velocidad marca
holly entrada trifásica salida
trifásica)
3 82 $2.810.000
Tabla 46. Costo motorreductor.
Fuente: los autores
4.7. COMPONENTES DE CONTROL, TRANSFERENCIA DE CALOR, BOQUILLA Y ESTRUCTURA
descripción nombre de la
pieza
cantidad valor unt valor total
componentes de transferencia de calor
termocupla tipo J termocupla tipo J 5 $30.000 $150.000
partes control
electrónico
$400.000 $400.000
Resistencia de
abrazadera. 45mm de
diámetro por 70 mm de
ancho
resistencia 4 $60.000 $240.000
Pt 100 resistencia 1 $85.000 $85.000
estructura de la máquina
brida brida 1 $42.525 $42.525
acero inoxidable lamina
(2m*1,20 calibre 1mm )
tolva 1 $15.700 $15.700
lamina cold rolled esp
2mm 1000*2000mm
cubierta cilindro 1 $54.772 $54.772
105
perfil tubular cuadrado
acero A36
60*60*3mm*6metros
soporte cilindro 1 $18.930 $18.930
perfil tubular cuadrado
acero A36
40*40*3mm*6metros
soporte máquina 2 $15.340 $30.680
Mano de obra
soldadura
tolva y soporte
máquina
1 $150.000 $150.000
mecanizado del
cubierta del cilindro
protección
cilindro y
resistencias
1 $40.000 $40.000
boquilla y su mecanizado
barra de acero 1018
(1m)
cabezal 1 $89.763 $89.763
mecanizado del
cabezal
cabezal 1 $350.000 $350.000
perno M20 mecanizado boquilla 1
filtro acero inoxidable plato rompedor 5 $6.609 $33.045
costo
total
$1.700.415
Tabla 47. Costo estructura, boquilla y transferencia de calor.
Fuente: los autores.
4.8. PRESUPUESTO TOTAL
De acuerdo a las cotizaciones realizadas en distintas empresas, se da un costo
aproximado seleccionando las mejores opciones para la fabricación de la
máquina extrusora.
total tornillo de extrusión $1.300.000
total cilindro $1.100.000
total tornillería $16.460
total sujeción tornillo motor $488.501
total ventilador $343.000
total motorreductor $2.810.000
106
Total componentes de control, transferencia de calor, boquilla y estructura $1.700.415
TOTAL FABRICACION MÁQUINA $7.758.376
Tabla 48. Costo total de fabricación de la máquina extrusora.
Fuente: los autores
107
CONCLUSIONES
Se obtuvo el diseño de una máquina extrusora para una capacidad de 14-16
kg/hora que crea producto extruido en forma de filamento. El dimensionamiento
y la capacidad se tenían proyectadas para la Universidad Distrital en su sede de
la Facultad Tecnológica, por tanto, la capacidad es la adecuada. Para cumplir la
demanda, la máquina debería operar dos horas diarias, una vez por semana
durante el calendario académico de 40 semanas.
Para su diseño se determinaron los parámetros típicos de una extrusora mono
husillo, que podrían asegurar condiciones de operación en cuanto a presión y
temperatura, dando buenos resultados en el producto final. Adicionalmente, la
máquina de extrusión tiene la posibilidad de obtener diferentes perfiles, esto se
logra con el cambio del perno (Boquilla hiladora), dando así una mayor aplicación
al sistema de extrusión.
Los materiales proyectados a tratar en la máquina son polietileno de alta, baja
densidad y para el polipropileno, debido a que el diseño del tornillo de extrusión
se eligió específicamente para estos materiales pertenecientes al grupo de las
poliolefinas. También se especifican las temperaturas que debe tener cada uno
de ellos, sin embargo los rangos de temperatura son muy similares.
La importancia de este proyecto se centra en el reciclado de plásticos que son
emitidos por la Universidad Distrital, Sede Tecnológica, por lo tanto, un sistema
de separación y limpieza previa del plástico a extrudir, tendrá que ser
contemplado. Si se desea reciclar plástico en la máquina para la creación de
productos nuevos. De allí, se justifica la importancia de la separación en la fuente
dentro de las instalaciones de la sede.
El diseño de la máquina de Precious Plastic, a pesar de ser una máquina
construida deforma empírica y con materiales que cumplían otras funciones, su
sistema de extrusión es simple confiable y adecuado para capacidades de
trabajo que no requieran de mucha demanda. A pesar de esto, basados en su
diseño se logró obtener mayor producción, esto en valores teóricos.
Con este proyecto se puede tomar como guía metodológica para el diseño de
futuras máquinas extrusoras.
Las cotizaciones fueron realizadas en Colombia y su mayoría en Bogotá, por lo
que los materiales para la fabricación de la máquina son de fácil acceso en el
mercado, igualmente los medios electrónicos serán una herramienta útil a la hora
de adquirir cualquiera de las partes.
108
Se deja la posibilidad abierta de disponer un sistema de control automatizado,
puesto que se describió una propuesta, el diseño e incorporación sería una
mejora sustancial para la extrusora, el cual permita controlar con mayor
seguridad niveles de presión, temperatura y velocidad de rotación del tornillo.
109
BIBLIOGRAFÍA
ACERO GRADO MÁQUINARIA. (2018). Obtenido de
http://www.deinoxidable.mx/AISI%201018.pdf
Arian Control & instrumentacion. (s.f.). Obtenido de http://www.arian.cl/downloads/nt-
001.pdf
Barbosa Paredes, J. F. (10 de 04 de 2012). Diseño de una máquina extrusora de
plastico para los productores de maguera de Ocaña. 223. (Universidad
Francisco de Paula Santander, Recopilador) Norte de Santander, Ocaña,
Colombia. Recuperado el 05 de 10 de 2018, de
http://repositorio.ufpso.edu.co:8080/dspaceufpso/bitstream/123456789/1885/1/
30895.pdf
BBC Mundo. (11 de diciembre de 2017). Como entender por qué el plastico es una
amenaza para nuestro planeta. Recuperado el 20 de 10 de 2018, de
https://www.bbc.com/mundo/noticias-42304901
BCN. (13 de enero de 2016). Políticas públicas pro reciclaje hacen de Suiza un país
líder en la materia. Recuperado el septiembre de 2018, de
https://www.bcn.cl/observatorio/europa/noticias/politicas-publicas-pro-reciclaje-
hacen-de-suiza-un-pais-lider-en-la-materia
Beltran Rico, M., & Marcilla Gomis, A. (28 de Octubre de 2012). Tecnología de
polímeros. Obtenido de
http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/EXTRUSION_CAP4_23828.pdf
Betancout Suàrez, S. G., Avellaneda Herrera, J., & Chaves Niño, J. (2007). Diseño y
construcción de una máquina extrusora para implementar el laboratorio de
plásticos en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Tesis de grado,
Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas, Bogotà D.C. Recuperado el
Febrero de 2019
Bilurbina, L., & Liesa, F. (1990). Materiales no metálicos resistentes a la corrosión.
Barcelona, España: Marcombo. Recuperado el marzo de 2019, de
https://books.google.com.co/books?id=DzVLB11fofUC&printsec=frontcover&hl=
es&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false
Cházarp Rosario, C., & Alvarez Valadez, O. (2018). GERDAU CORSA. Recuperado el
marzo de 2019, de
https://www.gerdau.com/gerdaucorsa/es/productsservices/products/Document
%20Gallery/eleccion-tipo-de-acero.pdf
Cifuentes C, R. (2011). DISEÑO DE UNA MÁQUINA EXTRUSORA PARA LA
EMPRESA PLASTIK DE OCCIDENTE. 73. (Universidad Del Valle,
Recopilador) Santiago de Cali, Colombia. Recuperado el 29 de 09 de 2018, de
http://bibliotecadigital.univalle.edu.co/bitstream/10893/4727/1/CB-0441201.pdf
110
Comofunciona.co.com. (03 de 09 de 2016). Obtenido de
http://comofunciona.co.com/una-termocupla/
diextco. (2013). Obtenido de http://www.diextco.co/madock.html
Dinero, P. (31 de agosto de 2017). Colombia genera 12 millones de toneladas de
basura y solo recicla el 17% . Recuperado el 10 de ocutubre de 2018, de
https://www.dinero.com/edicion-impresa/pais/articulo/cuanta-basura-genera-
colombia-y-cuanta-recicla/249270
edu.xunta. (2015). Obtenido de
http://www.edu.xunta.gal/centros/iessantomefreixeiro/system/files/plastico.pdf
García, J. E. (septiembre de 2005). biblioteca.usac. Obtenido de
http://biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_0639_Q.pdf
Giles, H., Wagner, J., & Mount, E. (2005). Extrusion The definitive processing Guide
and Hanbook. Norwich: William Andrew, Inc.
Gomez, J., & Gutiérrez, J. (11 de 2007). Diseño de una extrusora para plásticos. 121.
(Universidad Tecnológica de Pereira, Recopilador) Pereira, Colombia.
Recuperado el 05 de 10 de 2018, de
http://repositorio.utp.edu.co/dspace/bitstream/handle/11059/1110/668413G633
d.pdf
González, R. (30 de mayo de 2012). Reciclado de plásticos. Recuperado el 22 de
septiembre de 2018, de https://twenergy.com/a/reciclado-de-plasticos-542
Groover, M. (2007). Fundamentos de manufactura moderna. México D.F.: MCGRAW-
HILL / INTERAMERICANA DE MEXICO.
Gutierrez, P., & Bornacelli, J. (2008). Universidad Autonoma de occidente.
Metodología para el diseño de tornillos de máquinas extrusoras monohusillo,
107. (Universidad Autoonoma de Occidente de Cali, Recopilador) Cali,
Colombia. Recuperado el 09 de 10 de 2018, de
https://editorial.uao.edu.co/acceso-abierto/pdf/metodologia-para-el-diseno.pdf
Hakkens, D. (2013). Preciousplastic.com. Obtenido de
https://preciousplastic.com/en/machines.html
Icropera, F. (1999). Fundamentos de transferencia de calor. ciudad de mexico:
pearson.
INSTRON. (s.f.). ISO 1133 Determinación del índice de fluidez de materiales
termoplásticos en masa y en volumen. España. Recuperado el marzo de 2019,
de https://www.instron.es/es-es/testing-solutions/by-
material/plastics/rheology/iso-1133
Interempresas. (11 de junio de 2015). Extrusión. Recuperado el 10 de octubre de
2018, de http://www.interempresas.net/Plastico/Articulos/138574-Extrusion.html
111
Lopez, L. F. (6 de marzo de 2014). scribd. Obtenido de
https://es.scribd.com/doc/210894154/NUMERO-DE-NUSSELT
Mariano. (15 de marzo de 2011). Tecnología de los Plásticos. EXTRUSIÓN DE
MATERIALES PLÁSTICOS. Recuperado el 09 de Octubre de 2018, de
http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2011/03/extrusion-de-materiales-
plasticos.html
Marín Urrego, J. S., & Romero Escobar, L. F. (2008). MODELACIÓN PARAMÉTRICA
Y MANUFACTURA DE MEZCLADORES. Universidad EAFIT, Ingeniería
mecánica, Medellín. Recuperado el marzo de 2019, de
https://repository.eafit.edu.co/bitstream/handle/10784/4513/JuanMarin_LuisRo
mero_2008.pdf?sequence=1&isAllowed=y
Morales, J. E. (2 de abril de 2015). issuu. Obtenido de
https://issuu.com/joseeduardomoralesmendez/docs/extrusi__n2__1_
Morton-Jones, D. H. (1986). Procesamiento de plasticos. México D.F.: Limusa.
Mott, R. (2004). Diseño de elementos de máquinas. dayton: pearson.
Ortiz Abata y Cristian Fabian. (208). repositorio espee. Obtenido de
https://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/14935/1/T-ESPEL-MEC-
0144.pdf
Ortiz Abata, Cristian Fabián. (agosto de 2018). Repositorio Institucional de la
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE. Obtenido de
https://repositorio.espe.edu.ec/handle/21000/14935?fbclid=IwAR3HOH2Cyblug
YXEEvWUXJZhv2AeT6geszgISRqV0guh-rCIBH5bB3JT2Bc
Pascual, E. (17 de 10 de 2018). ELBLOGVERDE.COM. Recuperado el 19 de 10 de
2018, de https://elblogverde.com/clasificacion-plasticos/
Portal Manufacturing Terms. (s.f.). LLDPE - versión corta. Recuperado el marzo de
2019, de https://www.manufacturingterms.com/Spanish/LLDPE.html
Ramos del Valle, L. F. (2012). Extrusión de plásticos: Principios básicos. México,
México: Limusa. Obtenido de
https://books.google.com.co/books?id=EqRr0b25oYAC&pg=PA4&lpg=PA4&dq
=RAMOS,+Luis+Francisco.+Extrusi%C3%B3n+de+pl%C3%A1sticos.+1+ed.+M
%C3%A9xico:+Lumisa,+2012.+188p.+ISBN:+978-968-18-+4504-
9&source=bl&ots=Y_sRmrB3nq&sig=ACfU3U3WnH5XOvqL-
6zHODo2E7tG4kh73Q&hl
Revista Semana. (10 de octubre de 2017). Bogotá es una de las ciudades que peor
maneja su basura. Recuperado el septiembre de 2018, de
https://sostenibilidad.semana.com/medio-ambiente/articulo/bogota-es-la-
ciudad-que-peor-maneja-su-basura-en-el-pais/38775
112
Rico, M. B., & Gomis, A. M. (2012). Extrusión. En M. Beltran Rico, & A. Marcilla Gomis,
Tecnología de polímeros (pág. 276). Recuperado el 16 de 10 de 2018, de
https://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/16897/1/TEMA_4_extrusion.pdf
Rojas, R. (14 de julio de 2016). slideshare. Obtenido de
https://es.slideshare.net/roxanarojas12/curso-de-extrusion-ii
Rosero, A. (2 de junio de 2014). Máquina Extrusora Con Soplado Continuo Para la
fabricacion de manguera. Obtenido de
http://repositorio.utn.edu.ec/handle/123456789/3510
ROYDISA. (s.f.). (P. Roydisa, Productor) Recuperado el marzo de 2019, de
https://www.roydisa.es/reductor-mecanico/
Savgorodny, V. K. (1973). Transformacion de plasticos. Bacelona: Gustavo Gili S.A.
Secretaría de cultura, recreación y deporte. (15 de agosto de 2018). El plástico, ¿Un
problema ambiental? Bogotá D.C., Colombia. Recuperado el 20 de Octubre de
2018, de
https://www.culturarecreacionydeporte.gov.co/es/bogotanitos/biodiverciudad/el-
plastico-un-problema-ambiental
Silva Sanchez, A. (17 de septiembre de 2017). Derivados del Petroleo: Los Plásticos y
su legado de Contaminación. Recuperado el 20 de Septiembre de 2018, de
https://www.linkedin.com/pulse/derivados-del-petroleo-los-pl%C3%A1sticos-y-
su-legado-de-silva-sanchez/
Suarez Zarta, D. (09 de marzo de 2016). Solo 26% de las botellas plásticas se recicla.
Recuperado el 02 de octubre de 2018, de
https://www.larepublica.co/responsabilidad-social/solo-26-de-las-botellas-
plasticas-se-recicla-2357536
Tametal TP S.A. (2005). Catalogo de reductores sin fin corona y helicoidales. Bogota
D.C., Colombia.
Tecnologia del plastico. (2009). Obtenido de http://www.plastico.com/temas/Uso-
eficiente-de-la-energia-en-el-procesamiento-de-plasticos+95000?pagina=2
todo en polimeros. (21 de diciembre de 2016). Obtenido de
https://todoenpolimeros.com/2016/12/21/transicion-vitrea/
unet. (2017). Obtenido de http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-165.htm
Universat Rovira i Virgili. (28 de abril de 2017). Polimeros. Estudio del índice de fluidez
(MFI) y conformado por inyección. Video. Tarragona, España. Recuperado el
marzo de 2019, de https://www.youtube.com/watch?v=oT50uF9NM8o
Universidad Nacional de Mar del plata. (octubre de 2018). Elementos de máquinas
UNMDP. Recuperado el enero de 2019, de
http://www3.fi.mdp.edu.ar/emáquinas/files/reductoresy_motorreductores.pdf
113
Womer, T. W., Smith, W. S., Wheeler, R., & Corporation, X. (junio de 2007).
Tecnologia del plastico. Recuperado el marzo de 2019, de
http://www.plastico.com/temas/Evaluacion-de-geometrias-de-tornillos-con-
alimentacion-ranurada+3056792?pagina=1
114
ANEXO 1. TABLA DE VISCOCIDADES
(Morton-Jones, 1986)
115
ANEXO 2. CARACTERISTICAS DEL POLIMERO Y MATERIALES PARA
TORNILLO
(Giles, Wagner, & Mount, 2005)
(Gomez & Gutiérrez, 2007)
116
ANEXO 3. PROPIEDADES DEL ACERO AISI 4140
(Gomez & Gutiérrez, 2007)
117
ANEXO 4. MÓDULO DE ELASTICIDAD (E) DE LOS MATERIALES
(Gomez & Gutiérrez, 2007)
118
ANEXO 5. PROPIEDADES DEL ACERO AISI-SAE1018
(ACERO GRADO MAQUINARIA, 2018)
119
ANEXO 6. PROPIEDADES DEL ACERO INOXIDABLE 304
DESCRIPCIÓN TKM 304, con su contenido de cromo-níquel y bajo carbono, es
el más versátil y ampliamente usado de los aceros inoxidables austeníticos.
Generalmente conocido como 18- 8, ésta aleación ofrece una resistencia a la
corrosión superior a las de los tipos 301 y 201. El tipo 304 tiene excelentes
características de embutido y formado, las cuales permiten un mayor embutido
profundo que los tipos 301 y 201 sin necesidad de un tratamiento de térmico
intermedio. El tipo 304 es dominante en la producción de componentes de aceros
inoxidables embutidos. Con un nivel más bajo de carbono que el tipo 302 o 301,
la aleación 304 se desarrolló para minimizar la cantidad de precipitación del
carburo de cromo y la tendencia de corrosión intergranular en un rango de
temperatura de 800 a 1650 °F (426 a 900 °C). Ya que este gradiente de
temperatura ocurre en el área adyacente a la zona afectada térmicamente por la
soldadura, el 304 es recomendado para la construcción de soldaduras bajo
algunas condiciones corrosivas cuando no es posible un recocido después de la
soldadura. Cuando calibres gruesos son requeridos en el soldado, es
recomendable
Composición química
120
Propiedades mecánicas
Propiedades físicas
RESISTENCIA A LA CORROSIÓN El tipo 304 tiene una excelente resistencia a
la corrosión en muchos ambientes. Ésta aleación sirve a un amplio rango de
ambientes moderadamente oxidantes y moderadamente reductores. Soporta
oxidación ordinaria en la arquitectura y es inmune a ambientes donde se
procesan alimentos (excepto posiblemente en condiciones de altas temperaturas
incluyendo altos contenidos de ácido y cloruros). Resiste químicos orgánicos y
una amplia variedad de químicos inorgánicos. El tipo 304 también es buen
resistente al ácido nítrico. Es altamente usado en el almacenamiento de gases
líquidos y equipo que se usa a temperaturas criogénicas.
121
ANEXO 7. SELECCIÓN TIPO DE CARGA REDUCTOR
122
ANEXO 8. MOTOREDUCTOR HELICOIDAL SELECCIONADO
123
124
ANEXO 8. PROPUESTA DE CONTROL GRUPO INTEGRA
Propuesta de diseño de
control
Sensores de Temperatura
Sensores de velocidad
Sensor de presión de salida del material
Sistema de acondicionami
ento de señales
Sistema de adquisición y
procesamiento de señales
Variador electrónico
(variador de frecuencia)
MOTOR
SCADA
Sistema de amplificación de potencia
RESISTENCIAS ELECTRICAS
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