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UNIVERSIDAD TÉCNICA DE AMBATO
FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y MECÁNICA
CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA
PROYECTO TÉCNICO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
INGENIERO MECÁNICO
TEMA:
“DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UNA LAMINADORA DE SOBREMESA CON
CAPACIDAD DE 10 KG PARA LA PRODUCCIÓN DE FILMS
BIODEGRADABLES, MEDIANTE UN SOFTWARE ESPECIALIZADO
PARA EL LABORATORIO DE MATERIALES DE LA CARRERA DE
INGENIERÍA MECÁNICA.”
AUTOR: Wilmer Vidal Chicaiza Lema TUTOR: Ing. Mg. Jorge Enrique López Velástegui AMBATO – ECUADOR Septiembre - 2021
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CERTIFICACIÓN
En mi calidad de Tutor del Proyecto Técnico, previo a la obtención del Título de Ingeniero Mecánico, con el tema “ DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UNA LAMINADORA DE SOBREMESA CON CAPACIDAD DE 10 KG PARA LA PRODUCCIÓN DE FILMS BIODEGRADABLES, MEDIANTE UN SOFTWARE ESPECIALIZADO PARA EL LABORATORIO DE MATERIALES DE LA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA ”, elaborado por el Sr. Wilmer Vidal Chicaiza Lema portador de la cédula de ciudadanía: C.I. 180457419 - 0, estudiante de la Carrera de Ingeniería Mecánica de la Faculta de Ingeniería Civil y Mecánica. Certifico: Que el presente Proyecto Técnico es original de su autor. Ha sido revisado cada uno de sus capítulos componentes. Esta concluido en su totalidad. Ambato, Septiembre 2021 Ing. Mg. Jorge Enrique López Velástegui TUTOR
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DERECHOS DE AUTOR
Autorizo a la Universidad Técnica de Ambato, para que haga de este Proyecto Técnico o parte de él, un documento disponible para su lectura, consulta y procesos de investigación, según las normas de la Institución. Cedo los Derechos en línea patrimoniales de mi Proyecto Técnico, con fines de difusión pública, además apruebo la reproducción de este documento dentro de las regulaciones de la Universidad, siempre y cuando esta reproducción no suponga una ganancia económica y se realice respetando mis derechos de autor. Ambato, Septiembre 2021 Wilmer Vidal Chicaiza Lema C.I. 180457419 - 0 AUTOR
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APROBACIÓN DEL TRIBUNAL DE GRADO
Los miembros del Tribunal de Grado aprueban el informe del Proyecto Técnico, realizado por el estudiante Wilmer Vidal Chicaiza Lema de la Carrera de Ingeniería Mecánica, bajo el tema: “DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UNA LAMINADORA DE SOBREMESA CON CAPACIDAD DE 10 KG PARA LA PRODUCCIÓN DE FILMS BIODEGRADABLES, MEDIANTE UN SOFTWARE ESPECIALIZADO PARA EL LABORATORIO DE MATERIALES DE LA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA.”. Ambato, Septiembre 2021 Para constancia firma: Ing. Mg. Cesar Hernán Arroba Arroba Miembro Calificador Ing. Mg. Oscar Iván Analuiza Maiza Miembro Calificador
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AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por la bendición, las fuerzas y la dicha de vivir una de las mejores etapas de mi vida. A mi tutor el Ing. Mg. Jorge López por su ayuda, paciencia y orientación para elaborar el presente proyecto, convirtiéndose en una guía y ejemplo a seguir para mí. A mi profesora de primaria Lic. Susana Mayorga que con cariño y firmeza estuvo presente en el inicio de mi camino como estudiante. Agradezco a toda mi familia y amigos que estuvieron presentes en este recorrido.
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ÍNDICE GENERAL DE CONTENIDOS
PÁGINAS PRELIMINARES
CERTIFICACIÓN ....................................................................................................... ii AUTORIA DE LA INVESTIGACIÓN ...................................................................... iii DERECHOS DE AUTOR .......................................................................................... iv APROBACIÓN DEL TRIBUNAL DE GRADO ........................................................ v DEDICATORIA ......................................................................................................... vi AGRADECIMIENTO ............................................................................................... vii ÍNDICE GENERAL DE CONTENIDOS................................................................. viii ÍNDICE DE IMÁGENES .......................................................................................... xii ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................... xv RESUMEN.............................................................................................................. xviii ABSTRACT .............................................................................................................. xix CAPÍTULO I................................................................................................................ 1 ANTECEDENTES....................................................................................................... 1 1.1 Tema de investigación............................................................................................ 1 1.2 Antecedentes .......................................................................................................... 1 1.3 Justificación............................................................................................................ 3 1.4 Objetivos ................................................................................................................ 4 1.4.1 Objetivo general .................................................................................................. 4 1.4.2 Objetivos específicos .......................................................................................... 5 1.5 Fundamentación teórica ......................................................................................... 5 1.5.1 Polímeros ............................................................................................................ 5 1.5.2 Clasificación de los polímeros ............................................................................ 6 1.5.3 Polímeros Biodegradables ................................................................................... 8 1.5.4 Manufactura de polímeros................................................................................. 10
- 1.5.5 Procesos de manufactura para polímeros termoplásticos..................................
- 1.5.6 Procesos de manufactura para polímeros termoestables
- 1.5.7 Procesos de conformado del plástico
- 1.5.8 Laminado o Calandrado de films
- 1.5.9 Extrusión y Laminado
- 1.6 Proceso de diseño
- 1.6.1 Determinación del modelo
- 1.6.2 Diseño o dibujo
- 1.6.3 Elaboración de prototipos
- 1.6.4 Ensayos
- 1.6.5 Documentación
- 1.6.6 Fabricación
- 1.7 Sistema CAD........................................................................................................
- 1.7.1 Simulación
- 1.8 Almidón como materia prima
- 1.8.1 Propiedades de los films a base de almidón
- 1.9 Obtención del almidón
- 1.9.1 Harina de plátano
- 1.9.2 Almidón de patata
- 1.10 Laminadora de masa
- 1.10.1 Laminadora de mesa
- 1.10.2 Laminadora de sobremesa
- 1.10.3 Laminadora de pastelería
- 2.1 Tipo de investigación
- 2.2 Plan de recolección de información
- 2.3 Materiales x
- 2.3.1 Procesos
- 3.1 Selección de alternativas
- 3.2 Selección de materia prima del almidón
- 3.3 Selección de equipo de laminación
- 3.4 Cálculos de diseño de una laminadora de sobremesa
- 3.4.1 Parámetros de diseño.........................................................................................
- 3.4.2 Capacidad de producción
- 3.4.3 Espesor del film.................................................................................................
- 3.4.4 Diámetros de rodillos
- 3.4.5 Longitud del rodillo
- 3.4.6 Fuerza de carga en el rodillo
- 3.4.7 Potencia requerida
- 3.4.8 Banda transportadora
- 3.4.9 Velocidad
- 3.4.10 Capacidad
- 3.4.11 Fuerza requerida para el movimiento en vacío de la banda
- 3.4.12 Fuerza requerida para el movimiento con carga de la banda
- 3.4.13 Sistema de transmisión de movimiento...........................................................
- 3.4.14 Análisis de fuerzas y momentos en el eje central del rodillo
- 3.4.15 Diseño estático en el eje central del rodillo
- 3.4.16 Diseño dinámico en el eje central del rodillo
- 3.4.17 Selección de rodamientos (Chumacera).
- 3.5 Simulación del análisis térmico en el rodillo de laminación................................
- 3.6 Análisis térmico en el film
- 3.7 Presupuesto
- 3.7.1 Costos directos xi
- 3.7.2 Costos indirectos
- 3.7.3 Coste total del proyecto
- 3.8 Manual de operación y mantenimiento
- 3.9 Especificaciones técnicas
- 4.1 Conclusiones
- 4.2 Recomendaciones
- MATERIALES DE REFERENCIA
- Bibliografía
- ANEXOS
- Figura 1.1 Polímeros sintéticos. ÍNDICE DE IMÁGENES
- Figura 1.2 Proceso de extrusión
- Figura 1.3 Proceso de inyección
- Figura 1.4 Embutido profundo
- Figura 1.5 Proceso de laminado.
- Figura 1.6 Proceso de forjado
- Figura 1.7 Proceso de extrusión y laminado.
- Figura 1.8 Laminado de poliéster metalizado
- Figura 1.9 Proceso de diseño
- Figura 1.10 Almidón en los plátano
- Figura 1.11 Almidón de patata.
- Figura 1.12 Diagrama de flujo obtención de almidón de patata
- Figura 1.13 Diagrama de flujo para la elaboración de películas biodegradables.......
- Figura 1.14 Almidón de yuca.
- Figura 1.15 Laminadora de mesa
- Figura 1.16 Laminadora de sobremesa.
- Figura 1.17 Laminadora de pastelería.
- Figura 2.1 Banda de polivinilo con recubrimiento de poliéster.
- Figura 2.2 Diagrama de flujo del proyecto
- Figura 3.1. Proceso de producción de films biodegradables
- Figura 3.2 Laminadora de sobremesa para la elaboración de films biodegradables xiii
- Figura 3.3 Paso de la mezcla a través del rodillo
- Figura 3.4 Plano de la fuerza aplicada para la laminación
- Figura 3.5 Área transversal del film sobre la banda..................................................
- Figura 3.6 Catálogo de motor limpia parabrisas BOSCH
- Figura 3.7 Rodillos de laminación y sistema de transmisión
- Figura 3.8 Trayectoria cadena entre rueda motriz-conducida
- Figura 3.9 Sistema cadena rodillo a rodillo
- Figura 3.10 Sistema de transmisión
- Figura 3.1 1 DCL catalinas y cadenas
- Figura 3.12 Catálogo de engranajes/rueda de cadena
- Figura 3.13 Diagrama de fuerzas en el engranaje
- Figura 3.14 Catálogo de engranajes CONTRANSA.
- Figura 3.15 Engranaje de transmisión
- Figura 3.16 Diagrama rodillo plano x-y
- Figura 3.17 Diagrama rodillo plano x-z.
- Figura 3.18 Análisis de cargas en el plano x-y
- Figura 3.19. Fuerza cortante y momento flector plano XY.
- Figura 3.20 Fuerza cortante y momento flector plano XZ.
- Figura 3.21 Fuerza cortante y momento flector plano XZ.
- Figura 3.22 Teoría de energía por ED y ECM.
- Figura 3.23 Efecto de la temperatura de operación en la resistencia a la tensión xiv
- Figura 3.24 Factor de confiabilidad 𝐾𝑒
- Figura 3.25 Gráfica Goodman modificado
- Figura 3.2 6 Diagrama para el análisis rodillo de laminación.....................................
- Figura 3.27 Mallado del modelo
- Figura 3.28 Cantidad de elementos ortogonales respecto a la calidad de la malla
- Figura 3.29 Cantidad de elementos oblicuos respecto a la calidad de la malla.
- Figura 3.30 Análisis térmico en la resistencia y aceite dieléctrico
- Figura 3.31 Porcentaje de error T. calculada - T. software
- Figura 3.32 Mallado en muestra de film de almidón de yuca
- Figura 3.33 Cantidad de elementos ortogonales en la malla del film.
- Figura 3.34 Análisis térmico en el film
- Figura 3.35 Análisis flujo de calor en el film
- Tabla 1.1 Abreviatura de los polímeros ÍNDICE DE TABLAS
- Tabla 1.2 Clasificación de los polímeros de acuerdo a su microestructura
- Tabla 1.3 Polímeros biodegradables de acuerdo a su origen
- Tabla 1.4 Porcentaje de materia prima para el proceso de laminado
- Tabla 1.5 Defectos de la extrusión y laminación
- Tabla 1.6 Proceso de elaboración de películas con almidón de plátano
- Tabla 2.1 Materiales para la mezcla y diseño.
- Tabla 2.2 Propiedades mecánicas del acero AISI
- Tabla 2.3 Propiedades mecánicas del cobre
- Tabla 2.4 Propiedades mecánicas del acero AISI
- Tabla 2.5 Características de banda de polivinilo.
- Tabla 2.6 Propiedades de los aceites dieléctricos
- Tabla 3.1 Variables para la selección de la materia prima
- Tabla 3.2 Evaluación de valor de variable para el tipo de almidón
- Tabla 3.3 Variable porcentaje de amilosa
- Tabla 3.4 Variable temperatura de plastificación
- Tabla 3.5 Variable temperatura de secado
- Tabla 3.6 Variable espesor de film
- Tabla 3.7 Evaluación variable - alternativa para el almidón xvi
- Tabla 3.8. Evaluación del valor de cada variable.......................................................
- Tabla 3.9 Variable facilidad de fabricación.
- Tabla 3.10 Variable costo bajo de producción.
- Tabla 3.11 Variable complejidad del diseño
- Tabla 3.12 Variable factibilidad para la realización de pruebas.
- Tabla 3.13 Evaluación alternativa/variable.
- Tabla 3.14 Coeficiente de fricción
- Tabla 3.15 Eficiencias
- Tabla 3.16 Variables de selección para cadenas y ruedas.
- Tabla 3.1 7 Separación entre piñones transmisión
- Tabla 3.18 Longitud de arco en contacto con la cadena
- Tabla 3.19 Valores fuerza cortante y par torsor en el plano XY................................
- Tabla 3.20 Valores fuerza cortante y par torsor en el plano XZ
- Tabla 3.21 Variables de diseño estático para el eje
- Tabla 3.22 Análisis térmico del rodillo de laminación.
- Tabla 3.23 Tiempo de secado del film.
- Tabla 3.24 Costos directos e indirectos.
- Tabla 3.25 Costo estructura
- Tabla 3.26 Costo tuercas, pernos y aditivos
- Tabla 3.27 Costo rodillos
- Tabla 3.28 Costo sistema eléctrico........................................................................... xvii
- Tabla 3.29 Costo mano de obra................................................................................
- Tabla 3.30 Costo uso del taller.
- Tabla 3.31 Costo otros elementos
- Tabla 3.32 Sumatoria de costos directos.
- Tabla 3.33 Costos materiales adicionales
- Tabla 3.34 Costo total del proyecto
- Tabla 3.35 Especificaciones técnicas del equipo
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ABSTRACT
To define the design of the laminating equipment, in the production of biodegradable films (films), which is an alternative in the packaging or packaging of food products, a weighting technique (prioritization matrix) is applied based on several variables or design parameters. In order to determine the parameters of the starch mixture, information was collected concerning its characteristics, origin and chemical properties. Shigley's mechanical engineering design book was used to determine or calculate design parameters such as roller diameter, conveyor belt speeds and central shafts, shear forces, bending moments, torques and loads acting on the transmission system. The raw material for the structure of the equipment, rollers, shafts, steel plates were extracted from catalogs of suppliers in the country, which are detailed in the respective section. An analysis and simulation of the thermal flow that acts in the rolling mill, as well as in the drying process of the film that occurs after the exit of the equipment was carried out. With this, a comparison was made between the results of the specialized software and calculations made. For a future process of construction of the equipment, the cost of the project and the generation of plans were realized. Keywords: Mechanical Design, Biodegradable film, Starch, Lamination, Tabletop Laminator.
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1 CAPÍTULO I
ANTECEDENTES
1.1 Tema de investigación “DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UNA LAMINADORA DE SOBREMESA CON CAPACIDAD DE 10 KG PARA LA PRODUCCIÓN DE FILMS BIODEGRADABLES, MEDIANTE UN SOFTWARE ESPECIALIZADO PARA EL LABORATORIO DE MATERIALES DE LA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA” 1.2 Antecedentes Las actuales condiciones del medio ambiente como fenómenos climáticos, cambios atmosféricos y daño al ecosistema han alertado a varios países del mundo para tomar medidas correctivas [1]. Los plásticos son considerados unos de los principales agentes contaminantes, desde el inicio de la producción a gran escala en el año de 1950, se ha producido más de 8.5 mil millones de toneladas, del cual aproximadamente el 79% se encuentra esparcida en el medio ambiente. Alrededor del 9% es reciclado y el restante 12% es eliminado mediante incineración. En los océanos cada año se observa aproximadamente 12.5 millones de toneladas en plásticos [2]. Frente a la notable contaminación del planeta se ha propuesto varias alternativas para disminuir el consumo de plásticos de un solo uso, así como, la búsqueda de alternativas que reduzcan el impacto ambiental. El cambio se inicia desde el ser humano mediante la generación de conciencia sobre un consumo moderado y enfocado a criterios ambientales, reutilizar elementos y el reciclaje. Desde un enfoque científico y tecnológico se busca materiales que cumplan el mismo trabajo, pero con una reducción al impacto que pueda causar al ambiente. En recientes años la exposición del uso de bio-plásticos ha ido en aumento, donde los microorganismos que se encuentran en el propio ecosistema son los encargados de transformar el material en desechos inofensivos, se conocen como materiales biodegradables. Otra opción de un nuevo material son los bio-basados, los cuales optan por tener una materia prima derivada de las plantas o vegetales [3].
