ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO DE UNA MÁQUINA MULTIFUNCIÓN PARA AUTOMATIZAR LOS.

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1 ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO DE UNA MÁQUINA MULTIFUNCIÓN PARA AUTOMATIZAR LOS PROCESOS DE IMPREGNADO, PINTADO Y LACADO EN EL TERMINADO DE CURTIDO DE PIELES DE RES PARA LA EMPRESA CURTIDURÍA DÁVILA PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO AUTOR: PAÚL SEBASTIÁN DÁVILA ALDÁS DIRECTOR: ING. EMILIO TUMIPAMBA CODIRECTOR: ING. OSWALDO MARIÑO Sangolquí, A continuación la exposición del proyecto de grado previo a la obtención de nuestro título

2 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO
CAPÍTULO 1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROYECTO DEFINICIÓN DEL PROBLEMA La empresa beneficiaria realiza el terminado de curtido de pieles de manera artesanal. Se citan errores técnicos. Por lote de 300 pieles procesadas el terminado se efectúa en 25 días promedio La cantidad de producto para el terminado de pieles se desperdicia aproximadamente en15%. No existe una asociación en el Ecuador que fabrique máquinas similares y las oferte a un precio accesible para las personas dedicadas a esta actividad. EL PROBLEMA: La escasez o inexistencia de máquinas en las instalaciones de la empresa beneficiaria Referente al cantón el Empalme

3 OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Diseñar, construir y probar el prototipo de una máquina multifunción para mejorar los procesos de impregnado, pintado y lacado en el terminado de curtido de pieles de res para la empresa “Curtiduría Dávila”. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Reemplazar los métodos actuales del terminado del cuero en la empresa, por operaciones semi-automáticas. Realizar planos de los sistemas mecánicos de la máquina para clarificar el diseño. Establecer los procesos de construcción de los elementos de la máquina. Efectuar el montaje de las partes Validar el funcionamiento del equipo mediante pruebas técnicas. Evaluar los costos de construcción y montaje Referente al cantón el Empalme 3

4 JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA DEL PROYECTO
Innovar el área de terminado de la empresa. Garantizar 5% máximo de desperdicio del producto en los procesos de terminado. El tiempo empleado para el terminado se reducirá en un 80 %, garantizando así una producción en serie de las pieles procesadas. ALCANCE DEL PROYECTO Mejorar los índices de satisfacción del cliente, alcanzando niveles competitivos en la calidad del producto terminado. Reducir el costo de arriendo de maquinaria en un 85%. Aumentar la producción de la empresa de 300 pieles mensuales a 600. Reducir la contaminación del medio en un 65%. Proponer el diseño y modelo físico a empresas del medio para su posterior comercialización. Referente al cantón el Empalme 4

5 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO
Referente al cantón el Empalme 5

6 SEGURIDAD INDUSTRIAL Valor límite umbral
El valor límite umbral (TLV) expresa la concentración ambiental permitida de los diversos productos tóxicos. Donde C representa la concentración de cada substancia en el ambiente y las T el valor de TLV de cada materia. Referente al cantón el Empalme 6

7 Tipo de maquinaria de la aplicación
Para este proyecto se elige un mecanismo de rodillo giratorio, pues el grado de contaminación en las aplicaciones de acabado es mucho menor (65%) que en los sistemas de pulverización. Referente al cantón el Empalme 7

8 ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS
CAPÍTULO 3 ANÁLISIS Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS ESTUDIO DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO Para esto se realizó una Matriz de decisión para cada sistema representativo de la máquina, tomando en cuenta que para cada uno se presenta distintas opciones respecto a su forma y funcionalidad; es por esto que la matriz de decisión sirvió para valorar cada opción y finalmente escoger la que mejor se adapte a satisfacer las necesidades de la máquina a construir. IMPORTANTE: A continuación se expone un ejemplo de cómo se efectuó este proceso de selección , y a continuación la lista de todos los sistemas de la máquina tratados por medio de este método. Referente al cantón el Empalme 8

9 Lista de sistemas de la máquina tratados por medio de este método.:
Transmisiones Tipos de engranes Rodamientos Material para banda Transportadora Reductores de velocidad Variadores de velocidad Bomba Hidráulica Bomba neumática Sistema cambio de rodillo Sistema eléctrico Referente al cantón el Empalme 9

10 Moto-variador #1; # 2 Moto-reductor #3 Referente al cantón el Empalme 10

11 SISTEMA DE TRANSPORTACIÓN DE LA PIEL Banda transportadora
Referente al cantón el Empalme 11

12 Nota: La tensión máxima se encuentra en Kgf/in2
Referente al cantón el Empalme Nota: La tensión máxima se encuentra en Kgf/in2 12

13 Diseño rodillo principal fijo
DISEÑO DE ELEMENTOS A continuación se explica ejemplos de cálculo de los elementos críticos de la máquina, tomando en cuenta que muchos elementos son similares en su análisis y forma. Diseño rodillo principal fijo Dimensiones tentativas para el diseño del rodillo principal fijo: Referente al cantón el Empalme 13

14 Peso rueda dentada #7: Par de torsión transmitido Cálculo de las fuerzas que ejercen los elementos dispuestos sobre el rodillo principal fijo Rueda dentada 7 Referente al cantón el Empalme 14

15 Fuerzas originadas por la cadena
Peso de la banda Transportadora Referente al cantón el Empalme 15

16 Cálculo de reacciones en el rodillo principal fijo
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17 Referente al cantón el Empalme
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19 DISEÑO POR CARGAS ESTÁTICAS
Respecto al material, se usará una Aleación de Acero Inoxidable Tipo 302 laminado en frío, con un valor de límite de fluencia de Sy= 165 Ksi y de resistencia última de Su= 190 Ksi, además una Dureza Brinell de 40 HRC. Sección 5: (Sección crítica) Ecuación 18-12; Shigley Sexta edición, Pág 1130 Ecuación 18-13; Shigley Sexta edición, Pág 1130 Referente al cantón el Empalme 19

20 Referente al cantón el Empalme
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21 DISEÑO DEL EJE PARA CARGAS DINÁMICAS (FATIGA)
FLEXIÓN ALTERNANTE Y TORSIÓN CONTINUA Límite de resistencia a la fatiga para vida infinita (Se´) Ecuación 6.2a; Norton,Primera edición, Pág 360 Este valor debe considerarse tomando en cuenta las diferencias entre la pieza real y la ideal calculada, por lo tanto: Ecuación 9.6 b; Norton; primera Edición, Pág. 573 Referente al cantón el Empalme Para cada sección del eje se realiza el siguiente análisis: Ecuación 6.11b; Norton,Primera edición, Pág 390 21

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23 Ecuación 9.7 a; Norton; primera Edición, Pág. 574c
FLEXIÓN ALTERNANTE Y TORSIÓN ALTERNANTE Ecuación 9.7 a; Norton; primera Edición, Pág. 574c Referente al cantón el Empalme 23

24 Referente al cantón el Empalme
Ecuación 9.7 b; Norton; primera Edición, Pág. 575 Referente al cantón el Empalme Ecuación 9.8; Norton; primera Edición, Pág. 575 24

25 DISEÑO POR DEFLEXIÓN DEL RODILLO PRINCIPAL FIJO
Para la deflexión a torsión: Para la deflexión a flexión: Referente al cantón el Empalme IMPORTANTE: Efectuando un proceso similar, se han diseñado los ejes de la Transmisión #1, Transmisión #2, Transmisión #3, Rodillo suministro de producto, Rodillo tensor del tapete, Eje cepillo de limpieza, Rodillo soporte del cambio de rodillo. 25

26 TRANSMISIÓN # 1 Referente al cantón el Empalme 26

27 Selección comercial de la cadena Transmisión #1
Referente al cantón el Empalme 27

28 Rueda dentada #1 Analizando la velocidad tangencial máxima que tendrá esta rueda, y se llega a la conclusión que la rueda dentada #1 tendrá 15 dientes en su periferie. Selección comercial rueda dentada #1 Referente al cantón el Empalme 28

29 Cálculos de diseño mecánico para el sistema Cadena-Rueda dentada #1:
Velocidad de la cadena La velocidad de la cadena se define como el número de pies que sale de la catalina en un tiempo unitario. Referente al cantón el Empalme 29

30 La Velocidad máxima de salida de la cadena se determina mediante:
La Velocidad mínima de salida de la cadena se determina mediante: La velocidad de salida mínima ocurre en un diámetro d; menor que D. Se tiene: Referente al cantón el Empalme 30

31 Referente al cantón el Empalme
IMPORTANTE: Efectuando un proceso similar, se ha diseñado la Transmisión #2, Transmisión #3, y seleccionado Rueda dentada #2, #3, #4, #5, #6, #7, #8, #9. 31

32 DISEÑO DEL BASTIDOR DE LA MÁQUINA
Dimensiones de la placa soporte del bastidor: Referente al cantón el Empalme Nota: Para efectuar un diseño confiable de la placa soporte todas las cargas de los rodillos y demás sistemas involucrados serán ubicados en la parte superior de la columna y en la mitad de su ancho, esto con el fin de obtener el máximo valor de pandeo producido. Ver la siguiente figura: 32

33 Cargas aplicadas en la placa soporte del bastidor:
Referente al cantón el Empalme 33

34 Referente al cantón el Empalme
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35 Aplicación de la carga en la mitad del sistema
Referente al cantón el Empalme 35

36 Referente al cantón el Empalme
Material: Longitud efectiva Referente al cantón el Empalme 36

37 Relación de esbeltez Referente al cantón el Empalme 37

38 Cálculo del Área requerida
Referente al cantón el Empalme 38

39 Comparación de Áreas Carga crítica: Esfuerzo crítico Referente al cantón el Empalme 39

40 Deflexión máxima: Para este efecto Hibbeler recomienda que la carga P sea aplicada a la columna a una pequeña distancia excéntrica d desde el centroide de la sección de la sección transversal Para este caso la distancia excéntrica corresponde al espesor de la placa soporte, (15 mm), y se tiene: Referente al cantón el Empalme 40

41 Trazado por: Paúl Dávila A.
CAPÍTULO 4 CONSTRUCCIÓN DIAGRAMAS DE PROCESO DE LOS ELEMENTOS A FABRICARSE Diagrama de operaciones de proceso Bastidor de la máquina Código: Bastidor 01 Trazado por: Paúl Dávila A. Fabricación engrane recto Referente al cantón el Empalme 41

42 Ensamble total de la máquina
Diagrama de operaciones de proceso Ensamble bastidor de la máquina Código: Ensamblaje bastidor 01 Trazado por: Paúl Dávila A. Ensamble total de la máquina Referente al cantón el Empalme 42

43 De manera similar se efectuaron los procesos de maquinado y ensamblado de los siguientes elementos y sistemas de la máquina. Tapas para cajas del bastidor Vigas de unión y transporte de la máquina Cuerpo de la caja bastidor de la máquina Soporte esquinero para máquina Perno soporte de la máquina Columna soporte sistema hidráulico Viga transversal soporte sistema hidráulico Viga longitudinal soporte sistema hidráulico Placa soporte para canaleta sistema hidráulico Canal para recorrido sistema hidráulico Cuerpo de canaleta para recorrido sistema hidráulico Piñón sistema hidráulico Collarín para piñón sistema hidráulico Cremallera sistema hidráulico Chumacera para rodillo sistema hidráulico Rodillo soporte para sistema cambio de rodillo Brazo soporte para cambio de rodillo de producto Collarín para rodillo soporte Rodillo suministro de producto Brazo soporte rodillo guía del tapete Chaveta para rodillo principal fijo y eje de salida motovariador #1 y #2 y Motorreductor Chumacera para rodillo principal fijo Perno para rodillo guía del tapete Eje para unión sistema de balanceo Pieza para sistema de balanceo rodillo principal fijo Porta cuchilla para suministro de producto Porta cuchilla para limpieza del tapete Rodillo guía del tapete Rodillo principal fijo Rodillo tensor del tapete Tina para cepillo de limpieza Tubo para conexión tina del cepillo con bastidor Tubo para conexión moto-reductor ambos lados del bastidor Pista fija para movimiento cuchilla suministro de producto Pista móvil para movimiento cuchilla suministro de producto Ejes de la Transmisión #1 Ejes de la Transmisión #2 Ejes de la Transmisión #3 Piñón propulsor giro rodillo de producto Piñón de anclaje para giro rodillo de producto Collarín para piñón rodillo de producto Ensamble sistema hidráulico de la máquina Ensamble sistema neumático de la máquina Ensamble sistema eléctrico Ensamble final de la máquina Referente al cantón el Empalme 43

44 Velocidad angular mínima (rpm) Velocidad angular máxima (rpm)
CAPÍTULO 5 PRUEBAS Y CALIBRACIÓN Prueba de funcionamiento del Moto-Variador #1 en función de la carga y la velocidad Carga (Lb) Detalle de carga Velocidad angular mínima (rpm) Observación Velocidad angular máxima (rpm) 1,213 Eje de salida moto variador solamente 75 Funcionamiento sin complicaciones 450 2,864 Eje de salida con rueda dentada #1 52,88 Transmisión #1 sin engrane propulsor (Rd1+ Rd2+Rd3+Cadena) Calentamiento ruedas dentadas y cadena 66,89 Transmisión #1 completa (Rd1+ Rd2+Rd3+Cadena+Engrane propulsor) Calentamiento transmisión #1 80,36 Transmisión #1 +Acoplamiento (Engrane propulsor + Engrane de anclaje) Calentamiento transmisión #1 y acoplamiento 97,76 Transmisión #1 + acoplamiento+ rodillo suministrador de producto Calentamiento considerable del motor(No se recomienda) Referente al cantón el Empalme 44

45 Velocidad angular mínima (rpm) Velocidad angular máxima (rpm)
Prueba de funcionamiento del Moto-Variador #2 en función de la carga y la velocidad Carga (Lb) Detalle de carga Velocidad angular mínima (rpm) Observación Velocidad angular máxima (rpm) 1,215 Eje de salida motovariador solamente 75 Funcionamiento sin complicaciones 450 2,866 Eje de salida con rueda dentada #4 64,586 Transmisión #2 (Rd4+ Rd5+Rd6+Rd7+cadena) Calentamiento ruedas dentadas y cadena 140,92 Transmisión #2 completa (Rd4+ Rd5+Rd6+Rd7+cadena+Banda de transporte) Calentamiento considerable del tapete y Sist. De transmisión (No recomendable) Referente al cantón el Empalme 45

46 Primera prueba de impregnación Tercera prueba de impregnación
Prueba de funcionamiento del Moto-reductor para limpieza del tapete en función de la carga y la velocidad Carga (Lb) Detalle de carga Velocidad angular de salida (rpm) Observación 3,61 Eje de salida moto reductor solamente 70 Funcionamiento sin complicaciones 4,43 Eje de salida con rueda dentada #8 Poco calentamiento (2 horas aprox.) 36,26 Transmisión #3 completa (Rd8+ Rd9+Cadena+Cepillo de limpieza) Calentamiento normal del motor(45 ´ aprox.) Sistema eléctrico de la máquina Nota: La carga máxima del Moto-reductor es 225 N ó Lb; por lo tanto la carga al que está sometido es menor y el trabajo se efectúa de manera confiable. CALIBRACIÓN Para control de calidad en el terminado de cueros se mide la aplicación de producto por dos parámetros: 1ro.- Sentido de la vista y tacto. 2do.- La cantidad de producto pesada en gramos que absorbe la piel. Referente al cantón el Empalme Primera prueba de impregnación Tercera prueba de impregnación 46

47 Prueba final de pintado
PROCESO DE PINTADO Parámetros de funcionamiento de la máquina Control de calidad en el terminado Referente al cantón el Empalme Prueba final de pintado IMPORTANTE: se efectuó un proceso similar para el proceso de impregnado y lacado de las pieles procesadas. 47

48 EVALUACIÓN ECONÓMICA Y FINANCIERA
CAPÍTULO 6 EVALUACIÓN ECONÓMICA Y FINANCIERA EVALUACIÓN ECONÓMICA Costo de materiales directos Costo de máquinas herramientas Descripción de rubros Cantidad Costo unitario (USD) Subtotal (USD) Plancha de acero ASTM A 36 (e = "=15 mm) 120 Kg 6 720 Plancha tool negro (e = 0.15 "=4 mm) 60 Kg 5 300 Eje Acero AISI 1018; ø = 1" 32 pulg. 2,5 80 ø = 1.5" 23 pulg. 3,1 71,3 ø = 2" 7 pulg. 3,75 26,25 … …, TOTAL (USD) 9260,55 Descripción de rubros Tiempo (horas) Costo Unitario (USD) Subtotal (USD) Servicio de corte con plasma 8 64 Servicio de soldadura tipo SMAW 24 1 Servicio de doblado de tool 0,5 4 Uso de torno 15 Uso de fresa 12 Uso rectificadora de superficies Servicio y uso de herramientas "Curtiduría Dávila" 400 200 TOTAL (USD) 323 Referente al cantón el Empalme 48

49 Referente al cantón el Empalme
Costo mano de obra Descripción de rubros Tiempo (horas) Costo Unitario (USD) Subtotal (USD) Mano de obra técnico metal mecánico 200 2,5 500 Mano de obra ingeniero eléctrico 150 4 600 Mano de obra obreros "Curtiduría Dávila" 400 1,5 TOTAL (USD) 1700 Costos indirectos Referente al cantón el Empalme Ítem Subtotal (USD) Energía eléctrica de la construcción 60 Energía eléctrica de diseño 20 Agua 25 Teléfono 12 Internet Transporte 50 Alimentación 80 TOTAL (USD) 287 49

50 Movimientos actuales en ventas empresa beneficiaria
Costos de diseño Ítem Costo al mes (USD) Tiempo (meses) Subtotal (USD) Impresiones 10 100 Libros y material técnico 7 70 TOTAL (USD) 170 Costo total máquina para el terminado del cuero para la empresa "Curtiduría Dávila" Ítem Subtotal (USD) Costos directos 9260,55 Costos indirectos 287 Costo de diseño 170 Costo de máquinas-herramientas 323 TOTAL (USD) 11740,55 EVALUACIÓN FINANCIERA Valor actual neto (VAN) Para esto es necesario definir los movimientos actuales en ventas de “Curtiduría Dávila”, estos son los siguientes: Movimientos actuales en ventas empresa beneficiaria Referente al cantón el Empalme 50

51 Tomando en cuenta que con el uso de la maquinaria la producción en el terminado de cueros se aumentará en un 100 %, es decir de 300 pieles mensuales (7500 ft2) a 600, los valores esperados de utilidad para la empresa beneficiaria son los siguientes: Valores de utilidad neta esperada por lote de 600 pieles procesadas Proyección arrendamiento maquinaria: Referente al cantón el Empalme 51

52 Cálculo del VAN: La inflación tomada en cuenta produce un incremento del 10% anual y se realizó la proyección a cinco años. Al ser el VAN mayor al valor de la inversión, el proyecto va a producir ganancias por encima de la rentabilidad exigida y es aceptable. Tasa interna de retorno (TIR) La tasa interna de retorno se refiere a la evaluación del proyecto en función de una tasa única de rendimiento por período. La tasa interna de retorno o tasa interna de rentabilidad (TIR) de una inversión, está definida como el promedio geométrico de los rendimientos futuros esperados de dicha inversión, y que implica por cierto el supuesto de una oportunidad para "reinvertir". En otras palabras es el cálculo del VAN igualado a cero. Referente al cantón el Empalme 52

53 La tasa interna de retorno es mucho mayor que la tasa de inflación asumida, por lo que el proyecto es muy rentable. Referente al cantón el Empalme 53

54 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CAPÍTULO 7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES Luego de la finalización del proyecto se obtuvieron las siguientes conclusiones: Gracias a la rapidez de aplicación de producto a la piel con la máquina construída en comparación con las técnicas artesanales que hasta hoy se venían aplicando, la empresa beneficiaria aumentará la producción mensual en el terminado del curtido de pieles de res en un porcentaje de 100%, tomando en cuenta un lote de pieles mensual de 300. -La máquina construida aporta beneficio al momento de secado de la piel, pues como la aplicación de producto es más rápida, el secado se realiza de manera uniforme por toda la superficie dando como resultado un producto final de mejor calidad. -La inversión realizada por la empresa beneficiaria es bien justificada pues el costo de producción de la máquina representa el 15% aproximadamente del valor que significa importar una máquina construída en el exterior con similares características técnicas y físicas (aproximadamente USD). Referente al cantón el Empalme 54

55 RECOMENDACIONES -Leer el manual de uso y mantenimiento antes de poner en marcha por primera vez la máquina, de lo contrario algunos sistemas pueden ser afectados, pues son sensibles a cualquier maniobra brusca de operación, en especial sistema eléctrico. -Se debe analizar la posibilidad de construir un túnel de secado que sirva como complemento de la máquina construida, esto representaría una reducción considerable en el tiempo de secado de la piel. -Mantener los parámetros de trabajo de la máquina dentro de sus límites, y no exceder los mismos, esto puede ser perjudicial para el funcionamiento de la máquina y más relevante, para la vida del operador. -A los empresarios de nuestro país, confiar más en la capacidad de nuestros profesionales, pues en nosotros mismos está la exigencia y la respuesta para crecer y ser reconocidos a nivel mundial. Referente al cantón el Empalme 55

56 MUCHAS GRACIAS! Referente al cantón el Empalme 56