Homepage > Katalog > Elektrotechnik

Extrusión y Coextrusión de Lámina

Analisis y Diseño Electromecanico para Productos de Linea Blanca en una Empresa Manufacturera de Refrigeración

Forschungsarbeit, 2011

201 Seiten, Note: Sobresaliente

Doctor of Sciences (Cum Laude) with major in Electronic Engineering Ruben Dario Cardenas Espinosa (Autor:in)

Leseprobe

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN

ABSTRACT

INTRODUCCION

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

JUSTIFICACIÓN

ALCANCE:

RESTRICCIONES:

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERALES

OBJETIVOS ESPECIFICOS

MARCO REFERENCIAL

1. MARCO HISTÓRICO
1.1. Historia de la refrigeración:
1.2. Historia del plástico:
1.3. La edad de oro: el crecimiento
1.5. Historia de la extrusión: MARCO TEORICO

2. PROCESO DE EXTRUSIÓN Y COEXTRUSIÓN
2.1. PROCESOS Y PROCEDIMIENTOS
2.1.1. Proceso:
2.1.2. Procedimiento:
2.1.3. Análisis de procesos:
2.1.4. El flujograma:
2.2. PROCESO DE EXTRUSIÓN
2.3. DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE UNA EXTRUSORA
2.3.1. TRANSPORTE DE SÓLIDOS (ZONA DE ALIMENTACIÓN)
2.3.1.1. Transporte de sólidos en la tolva
2.3.1.2. Transporte de sólidos en el cilindro
2.3.3. FUSIÓN (ZONA DE TRANSICIÓN)
2.3.4. TRANSPORTE DEL FUNDIDO (ZONA DE DOSIFICADO)
2.3.5. MEZCLADO
2.3.6. DESGASIFICADO
2.3.7. CONFORMADO
2.3.7.1 Tensionado
2.3.7.1. Relajación
2.3.7.2 Enfriamiento
2.4 COEXTRUSION
2.4.1 Métodos de coextrusión

3. ANALISIS MECANICO EXTRUSORA
3.1 ANALISIS MECANICO EXTRUSORA
3.1.1. Producción máxima (kg/hora):
3.1.2. Potencia de la extrusora y presión máxima admisible de salida:
3.1.3. Facilidad de limpieza:
3.1.4. Facilidad de manejo y de control:
3.1.5. Variedad de accesorios:
3.1.6. Material a tratar:
3.2 DATOS TÉCNICOS A TENER EN CUENTA: Desarrollo
3.2.1Producción máxima (kg/hora):
3.3. COEXTRUSION
3.4. FILTRO CAMBIA MALLAS
3.5. BOMBA DE ENGRANAJES
3.6. FEEDBLOCK
3.7. CABEZAL DE EXTRUSION
3.8 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE MATERIAL POLIESTIRENO

4. INSTRUMENTACION Y CONTROL DE LA EXTRUSORA DE LÁMINA
4.1. CALENTAMIENTO DEL POLIMERO
4.2. DISEÑO DEL CONTROL DE TEMPERATURA

5. METODOLOGIA
5.1. TIPO DE ESTUDIO:
5.2. ESTRATEGIA METODOLÓGICA

6. CONCLUSIONES

7. RECOMENDACIONES

8. CRONOGAMA

9. PRESUPUESTO

10. BIBLIOGRAFIA

11. ANEXOS

TABLA DE FIGURAS

FIGURA 1MÁQUINA EXTRUSORA DE PLÁSTICOS (WELEX, 2007)

FIGURA 2 PROCESO DE EXTRUSIÓN (AUTORES, 2011)

FIGURA 3 PROCEDIMIENTOS DE EXTRUSIÓN (AUTORES. 2011)

FIGURA 4ESQUEMA DE UNA EXTRUSORA DE UN TORNILLO (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 5FLUJO DEL MATERIAL EN UNA TOLVA DE ALIMENTACIÓN (MARCILLA, 2008)

FIGURA 6CORTE TRANSVERSAL DE LA EXTRUSORA EN LA ZONA DE TRANSICIÓN (MARCILLA, 2008)

FIGURA 7ANCHO DEL POZO DE FUNDIDO A LO LARGO DE LA ZONA DE TRANSICIÓN. (MARCILLA, 2008)

FIGURA 8 RELACIÓN ENTRE LA LONGITUD DE FUSIÓN Y LA TEMPERATURA DEL CILINDRO PARA UNA VELOCIDAD DEL TORNILLO CONSTANTE (MARCILLA, 2008)

FIGURA 9EFECTO DEL ÁNGULO DE HÉLICE Y DEL NÚMERO DE FILETES SOBRE LA LONGITUD DE FUSIÓN, (MARCILLA, 2008)

FIGURA 10PERFIL DE VELOCIDADES ORIGINADO POR EL FLUJO DE ARRASTRE. (MARCILLA, 2008)

FIGURA 11PERFIL DE VELOCIDADES DEBIDO AL FLUJO DE PRESIÓN. (MARCILLA, 2008)

FIGURA 12PERFIL DE VELOCIDAD DEL FLUJO TOTAL. (MARCILLA, 2008)

FIGURA 13CANAL DEL TORNILLO EN DESCARGA ABIERTA. (MARCILLA, 2008)

FIGURA 14LIMITACIÓN DEL FLUJO EN LA BOQUILLA (MARCILLA, 2008)

FIGURA 15CANAL CON FLUJO TRANSVERSAL (MARCILLA, 2008)

FIGURA 16FLUJO DE RECIRCULACIÓN EN EL CANAL DEL TORNILLO. (MARCILLA, 2008)

FIGURA 17EXTRUSORA CON SECCIÓN DE DESGASIFICADO. (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 18HINCHAMIENTO DEBIDO A LA RELAJACIÓN DE UN MATERIAL DE SECCIÓN CUADRADA, (MARCILLA, 2008)

FIGURA 19CONTRACCIÓN DEBIDA AL ENFRIAMIENTO DE UN MATERIAL DE SECCIÓN CUADRADA. (MARCILLA, 2008)

FIGURA 20DIFERENTES PERFILES DE PRODUCTOS COEXTRUIDOS ((ETSIMO.UNIOVI.ES, 2008)

FIGURA 21COEXTRUSIÓN DE PELÍCULAS PLÁSTICAS. (ETSIMO.UNIOVI.ES, 2008)

FIGURA 22DADOS RECTANGULARES (DE RENDIJA) PARA LA COEXTRUSIÓN DE LÁMINAS Y PELÍCULAS PLÁSTICAS DE MULTICAPAS O CON TANTOS DADOS DISTRIBUIDORES COMO CAPAS TENGA LA PELÍCULA, (ETSIMO.UNIOVI.ES, 2008)

FIGURA 23RELACIÓN L/D, HUSILLO DE EXTRUSIÓN, (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 24 DISEÑO DEL TORNILLO, (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 25 PENDIENTE DE LA SECCIÓN DE TRANSICIÓN, (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 26 RELACIÓN DE COMPRESIÓN DEL TORNILLO, (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 27 ETAPAS TORNILLO DE EXTRUSIÓN (MANUAL EXTRUSIÓN DOW)

FIGURA 28, COMPORTAMIENTO DEL MATERIAL EN RELACIÓN TEMPERATURA-PRESIÓN, (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 29 BARRIL DE UNA EXTRUSORA, (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 30EJEMPLO DE UN BARRIL O CAMISA, (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 31EXTRUSORA CON SECCIÓN DE DESGASIFICADO, (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 32 CURVA OPERACIÓN BOMBA. (CATALOGO BOMBAS DE VACÍO, 2011)

FIGURA 33 SISTEMA BOMBA DE VACÍO, (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 34 TORRE DE ENFRIAMIENTO, (QUIMINET.COM, 2010)

FIGURA 35 SISTEMA DE CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO DE LA CAMISA (WELEX, 2008)

FIGURA 36 GRADIENTE TÍPICO DE PRESIÓN EN UN EXTRUSOR, (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 37EXTRUSORA DE ACOPLAMIENTO DIRECTO, (WELEX, 2008)

FIGURA 38EXTRUSORA DE ACOPLAMIENTO POR POLEAS. (WELEX, 2008)

FIGURA 39 DIMENSIONES MÁQUINA. (WELEX, 2008)

FIGURA 40 COEXTRUSORA. (WELEX, 2010)

FIGURA 41PROCESO DE COEXTRUSIÓN, (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 42 CABEZAL DE COEXTRUSIÓN DE PELÍCULA PLÁSTICA, (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 43LÁMINA POR COEXTRUSIÓN (WELEX, 2008)

FIGURA 44 DIMENSIONES MÁQUINA COEXTRUSORA. (WELEX, 2008)

FIGURA 45 EQUIPO CAMBIA MALLAS. (BERINGER, 2010)

FIGURA 46UNIDAD DE POTENCIA SISTEMA HIDRÁULICO. (BERINGER, 2010)

FIGURA 47 BOMBA DE ENGRANAJES Y SUS PARTES, (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 48UBICACIÓN DE LA BOMBA DE ENGRANAJES EN LA MÁQUINA, (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 49COMPORTAMIENTO DEL MATERIAL CON Y SIN BOMBA DE ENGRANAJES, (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 50 COEXTRUSIÓN. (STRICTLY EXTRUSIÓN, 2009)

FIGURA 51 PROCESO DE COEXTRUSIÓN, (ALLIED DIES INC, 2010)

FIGURA 52DISEÑO INTERNO DEL DADO DE EXTRUSIÓN, (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 53VISTA EN CORTE DE UN CABEZAL PARA LÁMINA CON DISEÑO DE LABIO FLEXIBLE, (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 54 DADO DE EXTRUSIÓN, (SÁNCHEZ, 2008)

FIGURA 55 UBICACIÓN DE LA TOLVA DE ALIMENTACIÓN EN LA EXTRUSORA, (MARCILLA, 2008)

FIGURA 56DISEÑO DE LA TOLVA, (MARCILLA, 2008)

FIGURA 57 ARRASTRE DEL MATERIAL A LO LARGO DEL CILINDRO, (DUPONT: EXTRUSIÓN GUIDE, 2010)

FIGURA 58 ELEMENTOS DE CONTROL EN LAZO CERRADO, (BOLTON, 2001)

FIGURA 59 FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA (AUTORES, 2011)

FIGURA 60 DIAGRAMA DE BLOQUES CON UN CONTROLADOR PID, (AUTORES 2011)

FIGURA 61 RESPUESTA A UN ESCALÓN UNITARIO DE UNA PLANTA. (OGATA, 2010)

FIGURA 62CURVA DE RESPUESTA EN FORMA DE S. (OGATA, 2010)

FIGURA 63SISTEMA EN LAZO CERRADO CON UN CONTROLADOR PROPORCIONAL. (OGATA, 2010)

FIGURA 64 PARÁMETROS DEL MÉTODO DE LOS DOS PUNTOS, (GUADAYOL, 2010)

FIGURA 65CAJA NEGRA SISTEMA MÁQUINA EXTRUSORA. (AUTORES 2011)

FIGURA 66SUBFUNCIONES DE LA CAJA NEGRA, MÁQUINA EXTRUSORA, (AUTORES, 2011)

FIGURA 67ELEMENTOS DE CONTROL EN LAZO CERRADO EXTRUSORA (AUTORES 2011)

FIGURA 68PLANO ELÉCTRICO CONTROL DE TEMPERATURA EXTRUSORA, COEXTRUSOR Y BOMBA DE ENGRANAJES (AUTORES, 2011)

FIGURA 69CAJA NEGRA DE UN TERMOCONTROL. (AUTORES 2011)

FIGURA 70DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL DE UN TERMOCONTROL, (EUROTHERM INVENSYS)

FIGURA 71SÍMBOLO DE UN TERMOPAR, (MARTÍNEZ, 2007)

FIGURA 72 CURVA CARACTERÍSTICA DE LOS TERMOPARES MÁS USADOS. (MARTÍNEZ, 2007)

FIGURA 73ACOPLAMIENTO ÓPTICO DE UN RELÉ DE ESTADO SÓLIDO, (OMRON ELECTRÓNICOS S:A)

FIGURA 74ONDAS DE LA DETECCIÓN DE CRUCE POR CERO, (OMRON ELECTRÓNICOS S.A)

FIGURA 75ESQUEMA FUNCIONAL DE UN SSR. (GEFRAN)

FIGURA 76RESISTENCIA DE CALEFACCIÓN, (TEMPCO S.A)

FIGURA 77RESPUESTA DE LA PLANTA A UN ESCALÓN UNITARIO, (AUTORES, 2011)

FIGURA 78 FUNCIONES DE TRANSFERENCIA DEL CONTROLADOR Y LA PLANTA, (AUTORES, 2011)

FIGURA 79RESPUESTA DEL SISTEMA SINTONIZADO AL ESCALÓN UNITARIO, (AUTORES, 2011)

FIGURA 80CONTACTOR TELEMECANIQUE, (TELEMECANIQUE S.A, 2011)

FIGURA 81 DIAGRAMA DE CONTACTOR TELEMECANIQUE, (TELEMECANIQUE S.A, 2011)

FIGURA 82SÍMBOLO DE UN RELÉ TÉRMICO CON SUS CONTACTOS AUXILIARES, (VILORIA, 2010)

FIGURA 83RELÉ TÉRMICO TELEMECANIQUE, (TELEMECANIQUE S.A, 2011)

FIGURA 84PULSADOR DE MARCHA, (GE CONSUMER & INDUSTRIAL, 2011)

FIGURA 85PULSADOR DE PARO, (GE CONSUMER & INDUSTRIAL, 2011)

FIGURA 86, BREAKE]R BIPOLAR, (GE CONSUMER & INDUSTRIAL, 2011)

FIGURA 87 VISTA EN CORTE DE UN PRESOSTATO (HTTP: //WWW.TIMMER-PNEUMATIK.DE/, 2011)

FIGURA 88VARIADORES DE VELOCIDAD FAMILIA ACS600, (HTTP://WWW.ABB.COM)

FIGURA 89EJEMPLO DE UN PROGRAMA EN LENGUAJE LD

(HTTP://WWW.WIKICIENCIA.ORG/ELECTRONICA/ELECTRICIDAD/PLC/INDEX.PHP)

FIGURA 90EJEMPLO DE UN PROGRAMA EN LENGUAJE IL,

(HTTP://WWW.WIKICIENCIA.ORG/ELECTRONICA/ELECTRICIDAD/PLC/INDEX.PHP)

FIGURA 91EJEMPLO DE UN PROGRAMA EN LENGUAJE SFC,

(HTTP://WWW.WIKICIENCIA.ORG/ELECTRONICA/ELECTRICIDAD/PLC/INDEX.PHP)

FIGURA 92EJEMPLO DE UN PROGRAMA EN LENGUAJE FBD”,

(HTTP://WWW.WIKICIENCIA.ORG/ELECTRONICA/ELECTRICIDAD/PLC/INDEX.PHP)

FIGURA 93CONDICIONES DE ARRANQUE DE LA BOMBA DE REFRIGERACIÓN, (AUTORES 2011)

FIGURA 94PLANO ELÉCTRICO BOMBA REFRIGERACIÓN, (AUTORES, 2011)

FIGURA 95CONDICIONES PARA EL ARRANQUE MOTOR PRINCIPAL, (AUTORES, 2011)

FIGURA 96PLANO ELÉCTRICO MANDO MOTOR PRINCIPAL, (AUTORES 2011)

FIGURA 97CONEXIÓN PAROS DE EMERGENCIA EN EXTRUSORA Y COEXTRUSOR, (AUTORES, 2011)

FIGURA 98CONDICIONES PARA EL ARRANQUE MOTOR BOMBA DE ENGRANAJES, (AUTORES, 2011)

FIGURA 99PLANO ELÉCTRICO MANDO MOTOR BOMBA ENGRANAJES, (AUTORES 2011)

FIGURA 100PLANO CONEXIONES PLC, (AUTORES 2011)

LISTADO DE TABLAS

TABLA 1DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE EXTRUSIÓN (AUTORES, 2011)

TABLA 2DESCRIPCIÓN DE PROCEDIMIENTOS DE EXTRUSIÓN. (AUTORES, 2011)

TABLA 3EFECTOS QUE SE PUEDEN LOGRAR CON LA COEXTRUSIÓN. (ETSIMO.UNIOVI.ES, 2008)

TABLA 4 PROPIEDADES MECÁNICAS DEL POLIESTIRENO (WELEX, 2008)

TABLA 5ANÁLISIS DE LA CAPACIDAD KGS/HORA EXTRUSORA REQUERIDA. (MABE, 2009)

TABLA 6CAPACIDAD DE EXTRUSIÓN (MABE, 2009)

TABLA 7TASAS DE SALIDA COMUNES PARA ALGUNOS PLÁSTICOS (LB/H) (ROSATO D.V EXTRUDING PLASTICS, 2009)

TABLA 8 DATOS DEL TORNILLO Y LA RELACIÓN L/D DE ACUERDO A LA PRODUCCIÓN, (AUTORES, 2011)

TABLA 9DIMENSIONES DEL TORNILLO SEGÚN LA ZONA

TABLA 10 ESPACIOS TÍPICOS ENTRE EL TORNILLO Y EL BARRIL EN FUNCIÓN DEL TAMAÑO DEL TORNILLO (ROSATO D.V. EXTRUDING

PLASTICS, 2009)

TABLA 11DATOS TÉCNICOS PARA UNA BOMBA DE VACÍO DE 3 HP. (CATALOGO BOMBAS DE VACIO, 2011)

TABLA 12RELACIÓN CAJA REDUCTORA Y POTENCIA (WELEX, 2008)

TABLA 13EFECTOS QUE SE PUEDEN ALCANZAR CON LA COEXTRUSIÓN, (SÁNCHEZ, 2008)

TABLA 14REGLA DE SINTONÍA DE ZIEGLER-NICHOLS EN LA RESPUESTA ESCALÓN DE LA PLANTA. (OGATA, 2010)

TABLA 15REGLA DE SINTONÍA DE ZIEGLER-NICHOLS BASADA EN LA GANANCIA CRITICA KCR Y EL PERIODO CRÍTICO PCR. (OGATA,

2010)

TABLA 16EXPLICACIÓN DEL DIAGRAMA CAJA NEGRA TERMOCONTROL, (AUTORES 2011)

TABLA 17TIPOS DE TERMOPARES Y ALEACIÓN” (MARTÍNEZ, 2007)

TABLA 18TIEMPO Y TEMPERATURA DE LA PLANTA. (AUTORES, 2011)

TABLA 19SÍMBOLOS ELÉCTRICOS DE INTERRUPTORES. (VILORIA, 2010)

TABLA 20REPRESENTACIÓN DE CONTACTORES, (VILORIA, 2010)

TABLA 21CONTACTOS AUXILIARES PARA CONTACTORES. (VILORIA, 2010)

TABLA 22ALARMAS DEL PROCESO, (AUTORES 2011)

TABLA 23ENTRADAS Y SALIDAS UTILIZADAS EN EL PLC, (AUTORES 2011)

LISTADO DE ECUACIONES

ECUACIÓN 1 FLUJO TOTAL DE MATERIAL (MARCILLA, 2008)

ECUACIÓN 2 TIEMPO DE RESIDENCIA

ECUACIÓN 3 SECCIÓN TUBULAR

ECUACIÓN 4 SECCIÓN RECTANGULAR

ECUACIÓN 5 FLUJO VOLUMÉTRICO

ECUACIÓN 6VALOR DEL TIEMPO DE RESIDENCIA PROMEDIO EN RÉGIMEN CONTINUO

ECUACIÓN 7 RELACIÓN COMPRESIÓN PRIMERA ETAPA

ECUACIÓN 8 RELACIÓN COMPRESIÓN SEGUNDA ETAPA

ECUACIÓN 9 RELACIÓN DE BOMBEO

ECUACIÓN 10 (GRADIENTE TÍPICO DE PRESIÓN EN UN EXTRUSOR)

ECUACIÓN 11 CONSUMO MENSUAL DE ENERGÍA ELÉCTRICA, (AUTORES, 2011)

ECUACIÓN 12 FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA (AUTORES 2011)

ECUACIÓN 13 ACCIÓN INTEGRAL (OGATA 2010)

ECUACIÓN 14 ACCIÓN PROPORCIONAL INTEGRAL (OGATA, 2010)

ECUACIÓN 15 FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA ACCIÓN - PROPORCIONAL INTEGRAL. (OGATA, 2010)

ECUACIÓN 16 ACCIÓN PROPORCIONAL DERIVATIVA (OGATA, 2010)

ECUACIÓN 17 FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA ACCIÓN PROPORCIONAL DERIVATIVA (OGATA, 2010)

ECUACIÓN 18 PID (OGATA, 2011)

ECUACIÓN 19 FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA PID. (OGATA, 2010)

ECUACIÓN 20 FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA DE UN SISTEMA DE PRIMER ORDEN (OGATA 2010)

ECUACIÓN 21 FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA DEL CONTROLADOR PID (OGATA, 2010)

ECUACIÓN 22 (OGATA 2010)

ECUACIÓN 23(OGATA, 2010)

ECUACIÓN 24 CONSTANTE DE TIEMPO. (GUADAYOL, 2010)

ECUACIÓN 25 TIEMPO DE RETARDO. (GUADAYOL, 2010)

ECUACIÓN 26 CALOR GENERADO. (BOLES, 2009)

ECUACIÓN 27 INCREMENTO DE TEMPERATURA. (BOLES, 2009)

ECUACIÓN 28 INTERPOLACIÓN (BOLES, 2009)

ECUACIÓN 29 INTERPOLACIÓN APLICADA AL PROCESO (AUTORES, 2011)

ECUACIÓN 30 FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA DE LA PLANTA. (AUTORES, 2011)

TABLA DE ANEXOS

ANEXO 1 INVERSIÓN DE LA LÍNEA COMPLETA DE EXTRUSIÓN

ANEXO 2 SISTEMA BOMBA DE ENGRANAJES

ANEXO 3 DATOS TÉCNICOS PARA EL DISEÑO DE LA BOMBA DE ENGRANAJES

ANEXO 4 CUESTIONARIO PARA EL DISEÑO DEL TORNILLO Y BARRIL

ANEXO 5 CUESTIONARIO PARA EL DISEÑO DEL CAMBIA MALLAS

RESUMEN

Este proyecto consiste en diseñar una máquina extrusora de lámina para la fabricación de productos de línea blanca en una empresa manufacturera de refrigeración, para apoyar el proceso de transformación de poliestireno HIPS, el cual se utilizará en la fabricación de productos de línea blanca, en este caso neveras.

Primero se hace un análisis del proceso de extrusión y coextrusión, después se hace un análisis mecánico de cada uno de sus componentes con todos los cálculos matemáticos, teniendo en cuenta todas las variables que intervienen en el sistema, hojas de datos y tablas de fabricantes debidamente estandarizadas y validadas. Su principal componente es el tornillo, debido a que a partir de este se analizan el resto de componentes involucrados con la máquina.

El análisis y diseño del Sistema de Control de la extrusora se hizo en MATLAB (software que permite calcular y simular el prototipo y su controlador para que con su modelado matemático realizar el análisis de estabilidad en estado estacionario y estable, confrontar su forma de onda tanto en lazo abierto como cerrado a través de las diferentes técnicas de control), con el fin de seleccionar el controlador más apropiado para corregir en forma rápida cualquier perturbación para mantener la temperatura de la máquina. De igual manera se realizó el análisis de los componentes eléctricos que harán parte de ella.

Palabras claves: Extrusora, lámina, poliestireno, control, Matlab, componentes eléctricos.

ABSTRACT

This project is to design a sheet extrusion machine for the manufacture of white goods in a refrigeration manufacturing company, to support the transformation of polystyrene HIPS, which will be used in the manufacture of white goods in this If refrigerators.

First we analyze the process of extrusion and coextrusión then becomes a mechanical analysis of each of its components with all the math, taking into account all the variables involved in the system, data sheets and tables manufacturers duly standardized and validated. Its main component is the screw, because from this we analyze the other components involved with the machine.

Analysis and Control System design of the extruder was done in MATLAB (software that allows you to calculate and simulate the prototype and its controller to perform mathematical modeling with the analysis of steady-state stability and stable, confronting both its waveform open and closed loop through the various techniques of control) to select the most appropriate driver to quickly correct any disturbance to maintain the temperature of the machine. Similarly performed the analysis of electrical components that will be part of it.

Keywords: Extrusion, sheet, polystyrene, control, Matlab, electrical components.

INTRODUCCION

"La Ingeniería Electromecánica estudia los sistemas electromecánicos, con base en las matemáticas, las ciencias naturales y la tecnología para crear tecnofactos y sistemas electromecánicos útiles a la humanidad, que hagan viable y grata su supervivencia en el planeta. Para la UAN es una ingeniería transdisciplinar entre los saberes y prácticas de la Electrónica y la Mecánica, que recoge los debates teóricos, científicos e ingenieriles a partir del contexto regional en procura de aportar al desarrollo de la investigación formativa y en sentido estricto, en la docencia y en la extensión en una perspectiva crítica y el marco del proyecto educativo institucional de la UAN” (Cárdenas, 2009).

Teniendo en cuenta los lineamientos de la actual política mundial de globalización de mercados, se hace preciso diseñar mecanismos para el mejor aprovechamiento de los recursos de la producción, con el fin de obtener mayor calidad y productividad, a fin de permitir la competencia de bienes o servicios producidos, de acuerdo a estándares internacionales.

El presente documento consolida los aportes de la experiencia laboral de los autores, en pro de fortalecer la formación profesional e integral desde los componentes técnicos, ingenieriles y personales, el cual está estructurado según el Reglamento de Trabajos de grado de la UAN (Acuerdo 48) y la NTC1486 última versión. El estilo en el cual se escribió el informe está bajo la Norma APA, conforme a los lineamientos de la facultad.

Este proyecto consiste en diseñar una máquina extrusora de lámina para la fabricación de productos de línea blanca en una empresa manufacturera de refrigeración.

En primera instancia se encontrará el planteamiento del problema, la justificación y objetivos del proyecto.

Posteriormente, se desarrolla un análisis del proceso de extrusión y coextrusión de lámina donde se halla una descripción del funcionamiento de una extrusora que enmarca su actuar, al igual que los subprocesos por los cuales el material plástico atraviesa para su transformación dentro de la maquina extrusora que permite entender los fenómenos físicos a los que se somete la materia prima.

En el análisis mecánico encontraran el dimensionamiento de los elementos que componen la maquina extrusora y los datos técnicos a tener en cuenta en el diseño.

Se continua con el diseño del controlador de temperatura y la descripción de los dispositivos eléctricos-electrónicos que hacen parte de los mandos de la maquina.

Posteriormente se encuentran las conclusiones a las que se llega con el desarrollo del presente trabajo, seguido de las recomendaciones construidas ambas a partir de consulta de las diferentes fuentes bibliográficas.

Luego se encuentra la bibliografía relacionada en el informe y que soporta teóricamente los aportes conceptuales de la construcción académica que se ofrece para su consulta.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

¿Cómo diseñar una extrusora de lámina partiendo del principio de coextrusión que contribuya al incremento de la productividad de una planta manufacturera de refrigeración?

Debido al incremento en la demanda mundial de productos de línea blanca en las empresas manufactureras de productos de refrigeración doméstica, se requiere aumentar la productividad, calidad y cantidad con diseños exclusivos que permitan satisfacer la oferta, desde las secciones de metales, plásticos, pintura, preensamble, espumado y ensamble.

En la sección de plásticos se fabrican las piezas de poliestireno, llamadas compartimiento las cuales se utilizan para la ubicación de los productos a refrigerar. Para fabricar los compartimientos se requiere de equipos especializados para producir las láminas, aplicando el principio de extrusión y coextrusión.

En el proceso de producción de línea blanca, se presenta un cuello de botella para abastecer las máquinas termoformadoras y así producir la cantidad de compartimientos necesarios que permitan cumplir las metas de producción, para esto son las extrusoras.

JUSTIFICACIÓN

La ingeniería Electromecánica de la UAN tiene una amplia aplicación en el sector industrial, para el caso de las empresas manufactureras de productos de refrigeración, es necesario abastecer la cantidad de piezas requeridas de plástico bajo los estándares de calidad, buscando disminuir la cantidad de piezas defectuosas, permitiendo la ubicación interna de productos a refrigerar, la cual requiere de equipos especializados para producir láminas aplicando el principio de extrusión y coextrusión, estas máquinas se llaman extrusoras, las cuales han tenido una aplicación en el sector de alimentos, pero las que se encuentran actualmente en el mercado colombiano son de poca capacidad y fabricadas de manera empírica, sin ser avaladas desde el campo de ingenieril.

Este proyecto consiste en diseñar una extrusora de lámina para la fabricación de productos de línea blanca, aplicando los conceptos y criterios de análisis adquiridos en la carrera, el cual nos permitirá optar al título de ingenieros electromecánicos y realizar un diseño que supla las necesidades de mercado del sector manufacturero a través de la técnica de coextrusión de flujos, la cual permite obtener diferentes capas con buena distribución y homogeneidad, cumpliendo criterios de calidad a un costo accequible para cualquier empresa en Colombia, a través de la adaptación tecnológica, aprovechando la experiencia de los autores.

El sistema de temporización para el corte de lámina de las máquinas extrusoras de fabricación internacional, carecen de precisión, lo cual se contrarrestará con el desarrollo de este proyecto; como novedad se incorporaran sensores y actuadores los cuales permitirán realizar el análisis y diseño del proceso de control de la extrusora, aplicando algunos conceptos de automatización industrial. Para darle el brillo a la textura de la lámina el método tradicional ha sido con una película plástica, debido a su difícil proceso de adherencia, y estabilización del proceso lo cual genera un alto desperdicio de materia prima, con los avances tecnológicos se ha desarrollado el proceso de coextrusión de láminas, la cual es una de las aplicaciones más importantes de la extrusión de polímero, por medio de esta tecnología es posible extruir una película con colores diferentes por capas adheridas entre sí, dando como resultado una sola estructura.

El beneficio para la comunidad académica de este proyecto se basa en la aplicación de lo aprendido con relación a los conceptos termodinámicos, ciclos térmicos, transferencia de calor, hidráulica, neumática, principios eléctricos, electrónicos y automatización.

La factibilidad del proyecto está en el apoyo de los asesores, docentes y demás de ingenieros especialistas en la parte de diseño y proveedores de componentes para estos equipos, que unidos a la experiencia de los autores permitirá contar con un diseño que para implementarse solo requerirá de la inversión del capital inicial.

La novedad de este proyecto está en la adaptación de una tecnología dedicada a procesos de alimentos para aplicaciones manufactureras, cumpliendo las exigencias y requerimientos de producción, para este caso extrusión de lámina de gran espesor, la cual será autocontrolada y automatizada con su respectivo sistema de alarmas y seguridad industrial.

Alcance: Este proyecto va solamente hasta el diseño y análisis de sus componentes, sistema de control y elementos eléctricos.

Restricciones: Espesor de la lámina entre 1mm y 5mm, capacidad de producción 1200 Kg/hr, diámetro del tornillo 6 pulgadas, longitud de la hélice 216 pulgadas, revoluciones por minuto del motor 1800 y del tornillo 180.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERALES

Diseñar una máquina extrusora bajo el principio de coextrusión para la fabricación de láminas de espesores de 1 a 5 mm, destinadas al proceso de termoformado, con los estándares de calidad.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

1. Analizar el proceso de extrusión y coextrusión de lámina teniendo en cuenta capacidad de producción, consumo energético y características termodinámicas que permitan realizar el diseño de la extrusora.
2. Realizar análisis mecánico a partir del material a extruir, el diseño del tornillo y el sistema de calentamiento y refrigeración del proceso de extrusión.
3. Diseñar la máquina extrusora de lámina con su sistema de instrumentación y control para una empresa manufacturera de línea blanca.

1. MARCO HISTÓRICO

1.1. Historia de la refrigeración:

“Un refrigerador es un accesorio que mantiene las bebidas y alimentos a la temperatura deseada, es una herramienta tan esencial para nuestras vidas.

El físico americano Jacob Perkins (1766-1849) realizó experimentos científicos que han demostrado la compresibilidad del agua (el enfriamiento funciona con el principio de la compresibilidad de un líquido). Este consiste en una rápida evaporación y la consiguiente pérdida de energía que se origina, es decir, cuando un líquido se evapora rápidamente, el recipiente que lo contiene sufre un inevitable enfriamiento, debido a que el vapor lleva gran parte de la energía.

A principios del siglo XIX, Oliver Evans elaboró el primer proyecto de una máquina de refrigeración (este nunca se puso en práctica), tiempo después, teniendo en cuenta el principio de compresión obtuvo la primera patente de una máquina de este tipo.

La refrigeración doméstica (nevera la primera máquina) apareció fue en 1913, en Chicago, la construyó Dolmere (Domestic Electric Refrigerator). No se trató de un éxito comercial, al contrario de lo que sucedió con las neveras Kelvinator, que se producirían algunos años más tarde. Sin embargo, el primer refrigerador de éxito mundial fue creado por General Electric en 1927 (producidos a gran escala - más de un millón de unidades con algunos ejemplares aún en funcionamiento).

El año 1928 es considerado un hito en la historia de la refrigeración, ya que es cuando el ingeniero americano Thomas Midgley desarrolló el clorofluorcarbono (CFC), que vino a sustituir los refrigerantes tóxicos que hasta entonces se había utilizado.

Más tarde, en 1973, el químico americano Frank Sherwood Rowland y Mario Molina se dieron cuenta los efectos nocivos del clorofluorcarbono (CFC) en la capa de ozono, lo que dio lugar, a través del Protocolo de Montreal, a la extinción de su producción en los grandes países. Actualmente, algunos estados todavía producen CFC, pero se han comprometido a la plena suspensión de esta sustancia en el 2010.” (Callegranvia, 2010).

1.2. Historia del plástico:

“Los materiales plásticos alcanzaron un siglo de existencia, aunque las investigaciones que permitieron su producción datan de mucho tiempo atrás.

Como el automóvil, el avión y la informática, son elementos sin los cuales la humanidad vivió en el pasado. Al igual que en otros procesos productivos, los plásticos reconocen dos momentos diferenciados: la elaboración de productos plásticos a partir de fibras existentes en la naturaleza y la elaboración de productos sintéticos propiamente dichos, es decir no existentes en la naturaleza.

En el último tercio del siglo XIX en Alemania y en Inglaterra se llegan a establecer, casi simultáneamente, procesos para sustituir el carey y el marfil, productos naturales de origen animal y consiguientemente escasos. Hacia 1865, el inglés E. Parkes culmina sus investigaciones con celulosa (proveniente de la semilla de algodón) dando surgimiento al celuloide, que se constituiría en el material básico para las películas de lo que a partir de 1895 sería la gran revolución cultural moderna: el cine.

En 1887, investigaciones con resinas culminan con la elaboración de los discos de pasta (de 78 r. p. m., no sustituidos por los "de larga duración" hasta mediados del siglo XX), creados por el alemán E. Berliner a base de ebonita (goma vulcanizada dura y negra, y pizarra). Por otra parte, en la primera década de este siglo, el químico belga L. H. Baekeland logra el primer plástico rígido, que se bautizará en su honor, la baquelita, con este producto, la industria eléctrica en expansión se desarrolló, porque la baquelita -como todos los plásticos- es un pésimo conductor y por lo tanto un aislante excelente. Enchufes, manijas, interruptores se empezarán hacer de este material.

La Primera Guerra Mundial (1914-1918) intensificó el uso del celuloide y sus derivados, como el acetato de celulosa, que permitió aplicaciones a los vehículos aéreos militares del momento (dirigibles y la incipiente aviación). El fin de la guerra permitió volcar tales investigaciones en la llamada seda artificial, o rayón. En 1929 aparecen nuevos plásticos rígidos o termoestables, todavía basados en materia prima de origen natural como la urea, que constituyen una revolución estética, porque este material permite una diversidad de colores que la baquelita o la ebonita no permitían. Será el momento de los amarillos, los rojos, en la elaboración de artefactos y utensilios de la vida cotidiana.

1.3. La edad de oro: el crecimiento

No será sino en la década del 30 con la creación del naylon que la historia de los plásticos toma otro vuelo. El naylon es un producto sintético en toda su extensión, ya que no proviene de otros cuerpos hallados en la naturaleza sino que está constituido por elementos creados sintéticamente: las amidas.

La lista aumenta con el acrílico, un plástico termorrígido de enorme proyección por su dureza y por su transparencia, y el polivinilcloruro [PVC]. La década del 40 se abre con el poliéster y el plástico de mayor uso en la actualidad, el polietileno. En 1943, se crean los clorofluorocarbonados [CFC] -que logran una serie de éxitos tecnológicos en la refrigeración, los aerosoles y otras aplicaciones y las siliconas.

Desde el punto de vista de una historia del material plástico, se podría decir que el período que se abre hacia 1930 y va hasta mediados de los 40 constituye su "edad de oro juvenil". Es en ese período precisamente donde surge la mayor cantidad de materiales plásticos que se conocen hoy en día. En su proceso de elaboración todos los plásticos cuentan con un momento de calentamiento de la materia prima (generalmente a cientos de grados Celsius), a partir del cual los cuerpos, presionados, toman su forma y consistencia. Una vez pasado ese momento y comenzado el enfriamiento, los plásticos se dividen en dos grandes grupos: el de los termoestables y el de los termoplásticos. Los primeros, también llamados termorrígidos, son los que fraguan y todo otro proceso de calentamiento solamente los arruina o destruye; los segundos se caracterizan porque todo nuevo calentamiento los retorna a un estado de plasticidad tal que se los puede reconstruir, reelaborar. En estos últimos, es decisiva la presencia de plastificantes, como los ftalatos (derivados de un ácido del petróleo), sustancia que se ablandan con suma facilidad.

La clave para la elaboración de materiales plásticos es la polimerización, un proceso mediante el cual se unen moléculas -monómeros- estableciendo larguísimas cadenas intermoleculares que son las que resultan especialmente sensibles al calor para su configuración como objetos diversos (de allí los nombres, como poliamida, poliestireno, etcétera). El proceso más común para la fabricación de productos con el material polimerizado es el de extrusión, que consiste en la inyección de material plástico en estado pastoso, casi líquido, dentro de moldes que luego se enfrían y retiran y dejan así constituido el objeto.

Lo que hemos llamado "edad de oro" ha configurado de tal modo la industria de materiales plásticos que al día de hoy, finalizando el siglo, hay un único material plástico de primera línea posterior: el polipropileno, ideado a fines de los 50, cuya característica más notable es su resistencia al calor, que como veremos, representa a su vez el talón de Aquiles de este tipo de material.

1.4. La edad de oro: la expansión

A partir del fin de la Segunda Guerra Mundial se produce una expansión formidable de la industria de los plásticos. En el Reino Unido, entre 1950 y 1961 se cuadruplica la producción: pasa de 150 mil toneladas anuales a 600 mil.

El volumen de la producción mundial anual de plásticos en los 90 se está equiparando al de la producción mundial total de metales. La época de expansión más acelerada (con tasas de crecimiento superiores al 20% anual), los 50 y 60, se caracteriza por dos elementos disímiles pero significativamente simultáneos: un optimismo tecnológico radical, que permitía hablar, por ejemplo, de la "impar resistencia" de los CFC "a casi todos los productos químicos y solventes", y la materia prima extraordinariamente barata.

Este segundo aspecto del momento "glorioso" de la industria -que a esta altura del proceso tecnológico ya se puede llamar petroquímica- se explica por el precio irrisorio del petróleo -un producto usado como combustible desde la antigüedad-. Su producción desde los inicios de su explotación industrial, a fines del siglo XIX hasta 1945, no sobrepasó nunca de las 300 mil toneladas anuales. Desde 1945 hasta 1973 en cambio, se multiplicó por siete su uso, pasando de constituir un cuarto del suministro energético mundial al finalizar la guerra (momento de baja demanda), a la mitad en 1973 (momento de altísima demanda energética).

La incorporación del plástico a la vida cotidiana crea un fenómeno nuevo: la presencia indefinida, siempre creciente, de basura. La mezcla de plásticos y desechos orgánicos es un derroche que grava al planeta de un modo tal que cada vez más científicos y otras personalidades consideran suicida. El plástico no se biodegrada y tampoco desaparece fácilmente por erosión.”(Brown, 2000)

1.5. Historia de la extrusión:

“La extrusión se ha empleado industrialmente durante los últimos 50 años. Inicialmente el uso de la extrusión se limitaba a mezclar y dar forma a macarrones y cereal granulado.

En la actualidad, un extrusor se considera un birreactor de alta temperatura y corto tiempo de residencia que transforma una amplia variedad de materias primas en intermedios modificados o productos finales.

Esta nueva percepción y la evolución creciente de la tecnología se debe a:

- Alta capacidad de procesado en continuo y eficiencia energética.
- Procesado de materiales relativamente deshidratados y viscosos.
Los procesos de extrusión y los equipos de extrusionado fueron desarrollados simultáneamente en varias industrias y países durante los dos últimos siglos.
- En 1779 ya se empleaba un sistema manual para el procesado de pasta.
- En 1860-63 aparecen las primeras producciones industriales de cereales en Estados Unidos.
- En 1869 Fellows y Baste, en Inglaterra desarrollaron el primer extrusor
continúo de doble husillo conocido. Este equipo se usó inicialmente para la elaboración de productos del tipo salchicha.
- En 1894 Will Keith Kellog inventa los primeros “corn flakes” que empezarán a comercializarse de forma generalizada a partir de 1906.
- En 1900-1902 primera prensa-extrusora en continuo para obtención de aceite de linaza.
- En 1930 se desarrolló el primer extrusor de husillo único para la producción continúa de pasta.
- En 1939 los primeros rizos de maíz fueron extrusionados. Este producto no fue lanzado al mercado hasta después de la II Guerra Mundial por Adams Corporation.
- A lo largo de 1940 se desarrollaron y refinaron diferentes extrusores de único husillo para la obtención de aceite a partir de semillas oleaginosas, sustituyendo muchas de las menos eficientes prensas hidráulicas obtenidas para este propósito.
- En 1950, la primera máquina de extrusionado de comida para animales fue puesta en marcha por Ralston Purina, empresa fundada en 1894.
- Entre 1950 y 1960 se desarrollan las primeras instalaciones de comida
extrusionada para animales, basada en producto de base almidón gelatinizado.
- En 1951 Anderson Company desarrolla un sistema de pre-prensado de semillas oleaginosas de alto contenido en aceite para posterior extracción con disolventes.
- Entre 1960 y 1970 aparecen los primeros sistemas de cocción y conformado en continuo para la obtención de cereales RTE, pet foods de humedad intermedia, cereales basados en almidón pregelatinizado y TPP (texturized plant proteins) y sistemas para la inactivación de inhibidores del crecimiento, enzimas, etc.
- En 1970 nuevas generaciones de extrusores de simple y doble husillo.
- Extrusores de doble husillo se fabrican en Europa desde hace más de 35 años, pero sólo a partir de los 80 se interesan las empresas de USA.
- A partir de la década de los ochenta, proliferación del uso de los extrusores. Estudios relacionados con los biopolímeros, nutracéuticos. El extrusor bioreactor en continuo.”(Reverter, 2006)

Después de buscar en las bases de Datos de los Grupos de investigación de Colombia, registrados en Departamento Administrativo de Ciencia y Tecnología e Innovación (COLCIENCIAS) no se encontró referente de estudios del proceso de extrusión.

2. PROCESO DE EXTRUSIÓN Y COEXTRUSIÓN

En este capítulo se presenta una definición del proceso de extrusión y los procedimientos que este involucra.

“Clasificación de los electrodomésticos:

Los productos están divididos en categorías diferentes:

Línea blanca grande: Aparatos eléctricos destinados principalmente al uso doméstico/ residencial y que no son portátiles, incluyendo: Calefactores; montados en el piso, pared o techo. Aparatos para cocina. Congeladores y refrigeradores. Lavadoras. Aire acondicionado y accesorio.

Línea Blanca Pequeña: Aparatos eléctricos portátiles destinados principalmente al uso doméstico / residencial incluyendo: Aspiradoras, Planchas, máquinas de coser y cortar. Aparatos para corte y tratamiento de cabellos y afeitadoras. Cafeteras, y aparatos similares. Equipos para masajes y ejercicios físicos. Aparatos para higiene personal. Máquinas para hacer helados.

La aplicación de este proyecto se define para la fabricación de neveras.”

2.1. PROCESOS Y PROCEDIMIENTOS

Los procesos y los procedimientos generalmente se conforman uno de los elementos principales del sistema de control interno, por lo que deben ser prácticos que sirvan como mecanismo de consulta permanente, por parte de los trabajadores lo cual permite un desarrollo de búsqueda más fácil y con mayor auto control.

2.1.1. Proceso: es una serie de actividades consecutivas que a partir de unos recursos (físicos, humanos, financieros, tecnológicos), buscan producir un resultado concreto en un tiempo determinado, para un cliente interno o externo. ¿Cómo identificar un proceso? Depende del punto de vista; la dirección tiene y una visión macro, debe fijarse para las funciones más importantes para la institución: planificación, contabilidad, presupuesto, etc. mientras los empleados, tienen una visión micro e identificaran procesos más sencillos que afectan su quehacer diario, es claro que debe establecerse una jerarquía que divida a un macroproceso en subprocesos y estos en microprocesos hasta integrar las dos respectivamente

¿Cómo se representan los procesos? La representación gráfica del proceso o procedimiento, se convierte en un instrumento muy importante para guiar su ejecución en forma ordenada; busca mostrar en forma dinámica y lógica la secuencia del trabajo permitiendo conocer comprender el proceso que se describe, a través de los elementos como las actividades, los documentos y las unidades administrativas cargos que intervienen en el.

2.1.2. Procedimiento: Es la forma como se desarrolla cada actividad de un proceso y responde a las siguientes preguntas.

¿Qué se hace?

¿Quién lo hace?

¿Cómo lo hace?

¿Para qué lo hace? ¿Dónde se hace?

¿Qué son los procedimientos? Es el conjunto de sucesión de pasos, ampliamente vinculados y cronológicamente dispuestos, realizados y dirigidos a precisar la forma de hacer algo, incluyendo el que, como y a quien corresponde el desarrollo de la tarea. Un procedimiento es la manera específica de cómo de efectuar una actividad, unas acciones o trabajos concretos que componen un proceso y la secuencia que debemos seguir en la ejecución.

2.1.3. Análisis de procesos: Analiza la contribución de cada actividad al logro de los objetivos e identifica el área y el factor de éxito como punto de aplicación de los controles.

2.1.4. El flujograma: es una herramienta de representación gráfica de gran importancia para el levantamiento, análisis, diseño mejoramiento y control de los procesos

- Estandariza la representación gráfica de los procesos de trabajo
- Identifica con facilidad los aspectos más relevantes del trabajo
- Facilita el análisis y mejoramiento de los procesos eliminando los innecesarios, suprimiendo lo que no es esencial y simplificando lo que si
- Muestra la dinámica del trabajo y os responsables del mismo Facilita la ejecución del trabajo
- Impide las improvisaciones y sus consecuencias
- Evita el desvío o distorsión de las acciones de la entidad
- Provee elementos que facilitan el control del trabajo

Los pasos del levantamiento de procesos y procedimientos

- Nombre del Proceso
- Requisitos del Proceso Responsables
- Elementos de Entrada necesarios
- Elementos de Salida que se obtienen Objetivo del proceso
- Medición del Objetivo: identificar el Indicador que permita medir el objetivo, definir qué se mide, cómo se mide, cual es el valor aceptable del indicador (meta a alcanzar) y cuál es la Unidad de medida a utilizar.

En cuanto a los procedimientos, se debe definir para cada uno:

- Nombre
- Código
- Objeto
- Alcance
- Responsables
- Descripción de actividades
- Registros que se obtienen