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Energía Mecánica Innovación y Futuro, IV Edición 2015, No.1 (13)
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Artículo Cientíco / Scientic Paper)
ENERGÍA Y MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 4 Vol. 1 / 2015 (13) ISSN 1390 - 7395 (1/13)
RESUMEN
El artículo presenta el diseño de un prototipo
didáctico de máquina sopladora de plástico, para
obtener recipientes pequeños de polietileno de alta
densidad conformados por el soplado en matrices.
Se estima las especicaciones de la máquina, con
el análisis modular se determina las funciones
del prototipo obteniendo varias alternativas de
solución para cada función, realizando el análisis
cuantitativo y comparando entre si las diferentes
alternativas con los criterios que se establecen
según el nivel de importancia, a través de la
ponderación se llegan a la mejor solución.
Establecidas las especicaciones técnicas y
la morfología de la máquina se diseñan los
elementos mecánicos, con el uso de software de
la especialidad, considerando un análisis térmico,
estático y vibratorio del tornillo extrusor, eje
del cabezal y base soporte para determinar su
comportamiento a las condiciones del trabajo, y la
selección del control eléctrico y electrónico de los
DISEÑO DE UN PROTOTIPO DIDÁCTICO DE MÁQUINA SOPLADORA DE PLÁSTICO
NEUMÁTICA
DESIGN OF A PROTOTYPE OF TEACHING PLASTIC MACHINE AIR BLOWER
1
Ernesto Ramiro Santillán ,
2
Mario Jiménez León,
3
Xavier Masapanta A.,
4
Esteban Gavilanes V.
1-2
Universidad de Fuerzas Armadas ESPE – Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica, Quijano y Ordoñez y Marques de Maenza s/n.
3
Asesoría en electromecánica
4
SURMAQ S.A. Quito.
E-mails:
1
ersantillan@espe.edu.ec ,
2
mpjimenez@espe.edu.ec ,
3
masapanta86@gmail.com ,
4
esteban_d12@hotmail.com
parámetros de funcionamiento del prototipo
Palabras clave: Polietileno, máquina sopladora,
plástico, análisis térmico.
ABSTRACT
The paper presents the design of a training
prototype plastic blowing machine, for small
containers of high density polyethylene formed
by the blown matrices. The specications of the
machine is estimated, with the modular prototype
analysis functions is determined by obtaining
several alternative solutions for each function,
performing quantitative analysis and comparing
each different alternatives with the criteria set by
level of importance, through the weighting you
reach the best solution.
Established specications and type of machine
elements are designed, using specialty software,
thermal; static and vibration analysis is performed
to determine the right material for each item.
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Keywords: Polyethylene, blowing machine,
plastic, thermal analysis
1. INTRODUCCIÓN
El diseño de máquinas es una base teórica incluye
estudios prácticos en un tema que día a día toman
mayor importancia en la industria.
Se utiliza la metodología del diseño concurrente
utilizando la casa de calidad que considera las
especicaciones técnicas del prototipo, el análisis
funcional y la solución más adecuada de entre
varias alternativas para el diseño de la máquina
[1].
Se realiza el diseño mecánico del tornillo extrusor;
utilizando software de aplicación para análisis
térmico y estático de los elementos más críticos de
la máquina como: tornillo extrusor, eje del cabezal.
Está considerado el estudio vibratorio de la base
de la extrusora, seleccionando los dispositivos
eléctricos, electrónicos, neumáticos, tablero de
control de cual consta la máquina.
2. DESARROLLO
El proceso de moldeo por soplado consiste
en adquirir una manga tubular de polietileno
plasticado (párison) que se produce en la
extrusora después de pasar por la boquilla, la que
se concentra entre las caras huecas que forman
el molde y al suministrar aire a presión obliga al
material plasticado a tomar la forma del molde.
[1]
De la temperatura de plasticación con la que
sale el material de la boquilla depende el tiempo
necesario para enfriar la pieza antes de salir del
molde. [2]
El llenado correcto de las cavidades del molde
depende de la presión de soplado. La presión se
ajusta según el tamaño de la pieza y del diseño del
molde [3].
Se utiliza la metodología del Diseño concurrente
utilizando la casa de calidad, considerando los
requerimientos del Laboratorio de Neutrónica y
que son transformadas en especicaciones técnicas
del prototipo, mediante el análisis funcional y la
morfología, se establece la solución más adecuada
de entre varias alternativas para el diseño de la
máquina [4]. obteniéndose la mejor alternativa
de solución: llenado de tolva con un recipiente,
la plasticación y dosicado con husillo único, el
moldeo con soplado y desmoldeo neumáticamente
[3][5].
Para el efecto se realiza el diseño mecánico y
térmico del tornillo extrusor; y del eje del cabezal
utilizando software CAE para el análisis térmico
y estático. Se consideró el estudio vibratorio
de la base de la extrusora, y la selección de los
dispositivos neumáticos, eléctricos y electrónicos,
que conforman la máquina y el tablero de control
del prototipo para el control de los parámetros de
funcionamiento( velocidad del tornillo extrusor,
temperatura de moldeo, presión de soplado,
tiempo de soplado) del prototipo como un sistema
didáctico
En la gura 1 se indica el proceso de moldeo por
soplado
Figura 1. Proceso de molde por soplado
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3. MATERIALES Y MÉTODOS
Las especicaciones técnicas de la máquina se
determinan siguiendo el Diseño Concurrente,
según Riba [4] y que se indican en la tabla 1
Tabla 1. Especicaciones Técnicas de la Máquina
Adicionalmente se considera las dimensiones
típicas para extrusoras de plástico recomendado
por Laeur Pierre et al [5] y Stevens, M. J., &
Covas, J. (1995). [6] detallado en la tabla 2.
Según Laeur Pierre et al [5] se determina los
parámetros que inuyen en el diseño de la extrusora,
se indican de acuerdo con la nomenclatura
mostrada en la gura 2 y gura 3:
En la gura 2, se observa la nomenclatura utilizada
y el proceso que se aplica al polietileno de alta
densidad (HDPE) dentro de la extrusora que consta
de tres etapas llamadas: Alimentación, Transición
y Dosicado [2] [3].
Tabla 2 Dimensiones típicas de una extrusora de plástico convencional [5]
Tabla 3 Parámetros del diseño Geométrico del tornillo
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Figura 2. Diferentes zonas de una extrusora [8]
Los parámetros geométricos de diseño del tornillo
son la longitud (L), el diámetro (D), el ángulo del
lete (φ) y paso de rosca (p) [6].
Figura 3. Nomenclatura y sistema de coordenadas
dentro de la extrusora consta de tres etapas
llamadas: Alimentación, Transición y Dosicado
[2] [3].
Considerando las cargas por torsión se determina
el comportamiento del tornillo extrusor
(material AISI 4140 normalizado) realizando el
análisis estático mediante el programa ANSYS,
obteniéndose la tensión de Von Mises y un factor
de seguridad de 2,61 que se observan en la gura 4
y 5 respectivamente.
Figura 4. Tensión de Von Mises en el tornillo extrusor
Figura 5. Factor de seguridad del tornillo extrusor
Análisis térmico del tornillo extrusor
Para determinar el comportamiento del tornillo a
las condiciones térmicas que requiere el proceso
de transformación del polietileno de alta densidad
se realizó el estudio en el software ANSYS,
considerando como condición de frontera las
temperaturas en las tres zonas del tornillo,
procediendo a la simulación del estado térmico.
dando como resultado una deformación de 0,157
mm y un factor de seguridad de 1,3 como se
observa en la gura 6 y 7 respectivamente
Figura 6. Deformación total del tornillo por temperatura y carga
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Figura 7. Factor de seguridad del tornillo por cargas y temperatura
Análisis estático del eje del cabezal
Las soluciones obtenidas, al realizar el análisis
estático en el eje del cabezal (material AISI 4140
normalizado) considerando la carga de trabajo por
efecto de la presión de obstrucción de 123,3 MPa,
de la tensión de Von Mises y el factor de seguridad
se observa en la gura 8 y gura 9 respectivamente
Figura 8. Tensión de Von Mises del eje del cabezal
Figura 9. Factor de seguridad del eje del cabezal
Análisis térmico del eje de cabezal
Considerando la temperatura que se genera en las
resistencias eléctricas (tipo suncho blindadas con
cintas de Níquel Cromo 80/20 y aisladas con mica
) (T_rest=281,8°C) que forman parte del sistema
de extrusión, se realiza el análisis térmico en el
eje del cabezal obteniéndose la deformación por
la temperatura y la tensión de Von Mises, como se
observa en la gura 10 y 11 respectivamente
Figura 10 Deformación del eje del cabezal por la temperatura
Figura 11 Tensión de Von Mises del eje del cabezal con temperatura
Análisis estático del soporte de la extrusora
Considerando la carga que se genera en el soporte
(material fundición gris) de 2394 N, se realiza el
análisis estático obteniéndose la tensión de Von
Mises, y el factor de seguridad de 2,44 como se
observa en la gura 12 y 13 respectivamente
Figura 12. Tensión de Von Mises del soporte de la extrusora
Figura 13. Factor de seguridad del soporte de la extrusora
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Análisis vibracional del soporte de la extrusora
Con el software ANSYS se realizó el estudio
modal que permite ver las diferentes formas de
deformación a una frecuencia máxima de 500 Hz
como se observa en la gura 14.
Figura 14 : Deformaciones en el análisis modal
El resultado obtenido por ANSYS a la respuesta
transitoria a una frecuencia de 500 Hz y la carga
sometida de 2394 N da como resultado una tensión
de Von Mises y deformación presentadas en la
gura 15 y gura 16 respectivamente.
Figura 15 Tensión de Von Mises de la base a una frecuencia de 500 Hz
Figura 16. Deformación de la base a una frecuencia de 500 Hz
El resultado obtenido por la simulación en el
análisis transitorio del ANSYS da como resultado
un factor de seguridad de:
1
213
8, 41
25,31
ut
S
MPa
n
MPa
σ
= = =
Vericándose que el soporte de fundición gris de
la base resistirá las cargas a dicha frecuencia
Control electrónico del prototipo
Para efecto del control eléctrico y electrónico se
utilizó una placa electrónica con optotriacs que
aísla el control con el circuito de potencia, que
permitirá a más de la protección del PLC una
mayor velocidad en el control de los distintos
dispositivos de la máquina.
Funcionamiento Lógico del proceso
En la gura 18 se detalla la representación del
funcionamiento lógico del proceso de la máquina
sopladora de plástico incorporando el mando
manual y automático.
Figura 18. Diagrama de ujo del proceso de moldeo
El prototipo dispone de los elementos de potencia
y el tablero que permite controlar la velocidad del
tornillo, temperatura y los dispositivos neumáticos
del proceso de moldeo como se observa en las
guras 19 y 20 y que servirán como equipo
Ec. 1
Figura 17. Placa electrónica con optotriacs
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didáctico para generar piezas de HDPE, obtenidas
por soplado
Figura 19. Armario eléctrico
Con un programa CAD se realizó el modelado
geométrico de cada elemento mecánico que
conforma la máquina sopladora de plástico, como
se representa en el ensamblaje nal de la gura
Figura 20. Modelado de la máquina sopladora de
plástico
4. EXPERIMENTACIÓN Y
RESULTADOS
Las temperaturas mínimas en cada zona del tornillo
de extrusión y tener un resultado excelente para
el moldeo y soplado con una velocidad mínima
constante (24.6 RPM) con una frecuencia de 30
Hz se detalla en la tabla 4
La presión de soplado adecuado (2 bares) y
como resultado un envase bien formado con una
velocidad mínima constante y las temperaturas de
cada zona ya establecidas anteriormente se detalla
en la tabla 5.
Para disponer de los tiempos de soplado adecuados
y como resultado un envase bien formado con una
velocidad mínima, tiempo de soplado constante y
las temperaturas de cada zona pre establecidas. Se
varia la presión de soplado ajustando el regulador
de presión, en la tabla 6 se observan los resultados.
Para establecer la velocidad máxima del tornillo
extrusor, que trabaja en el sistema de moldeo-
corte y soplado utilizando los datos recomendados
anteriormente. Se gira el potenciómetro variando
la frecuencia del variador a diferentes valores,
obteniéndose los resultados detallados en la tabla
7.
Tabla 4 Apariencia del párison según la temperatura
Tabla 5 Presión de Soplado
Tabla 6 Tiempo de Soplado
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5. CONCLUSIONES
• El proceso de diseño del prototipo para la
máquina sopladora de plástico, considero los
requerimientos iniciales del usuario, como
base para determinar las características del
sistema y analizar el comportamiento de
los componentes mecánicos, eléctricos y
neumáticos que conforman la sopladora. Lo
que permitió llegar a la selección de la máquina
de moldeo por soplado de extrusión continua,
con una presión de soplado optima de 2 bar,
con un tiempo de soplado de dos segundos.
• Para obtener la velocidad adecuada en la
producción de envases de polietileno se acopló
al tornillo extrusor un motor de 1750 RPM, un
reductor de velocidades conjuntamente con
un sistema de bandas y poleas, un variador de
frecuencia para alcanzar una velocidad de 105
RPM.
• En las pruebas realizadas a diferentes valores
de temperatura, presión, tiempo de soplado
y frecuencia, se obtuvo como resultado que
a mayor temperatura la manga de plástico
(párison) se vuelve muy blanda, a una presión
de soplado inferior de 1 Bar y un tiempo
inferior a 2 segundos el envase utilizado como
muestra (racimo de uva) no obtendrá la forma
deseada y nalmente al aumentar la frecuencia
del variador mayor a 40Hz se obtendrá el
producto con mayor desperdicio del material
REFERENCIAS
[1]Askeland, D. R., Fulay, P. P., & Wright, W.
J. (2010). The Science and Engineering of
Materials. Australia: Sexta Edición.
[2]Holman, J. (1986). Transferencia de Calor.
México, D. F.: Continental.
[3]Crawford, R. (1998). Plastics Engineering.
London: 3ra Edición.
[4]Riba, C. (2002). Diseño Concurrente. Barcelona:
Centro de Publicaciones del Campus Nord.
[5]Laeur Pierre, G., & Vergnes, B. (2014).
Polymer Extrusion. Great Britain and the
United States.
[6]Stevens, M. J., & Covas, J. (1995). Extruder
Principles and Operation 2da Edición. Braga,
Portugal: Chapman & Hall.
BIOGRAFÍA
1 Ernesto Santillán M., nació
en Riobamba. Ingeniero
Mecánico de la Escuela
Superior Politécnica de
Chimborazo - Ecuador,
Máster en Dirección
de Empresas Mención
Proyectos, Egresado en
el programa de Maestría de Diseño Producción
y Automatización Industrial en la Escuela
Politécnica Nacional, Docente tiempo parcial en
la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE en
la ciudad de Latacunga desde el 2010. Consultor
Individual en proyectos de desarrollo e inversión
2. Mario Jiménez L, nació
en Salcedo. Ingeniero en
Electromecánica en la Escuela
Politécnica del Ejército –
Ecuador. Máster en Energías
Renovables en la Universidad
de las Fuerzas Armadas ESPE,
Tabla 7 Velocidad máxima del tornillo
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Docente tiempo completo en la Universidad de
las Fuerzas Armadas ESPE extensión Latacunga
desde 1987
3 Xavier Masapanta A. Nació en
Latacunga el 18 de Diciembre
de 1986. Universidad de
las Fuerzas Armadas ESPE
Extensión Latacunga donde
obtuvo el título de Ingeniero en
Electromecánica en el 2015.
4 Esteban Gavilanes V. Nació
en Ambato el 18 de agosto de
1985. Realizó sus estudios
secundarios en el Instituto
Tecnológico Docente Guayaquil
obteniendo título de Bachiller
Técnico en Electrónica. Sus
estudios Superiores los realizó
en la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Extensión Latacunga donde obtuvo el título de
Ingeniero en Electromecánica en el 2015
Registro de publicación:
Fecha de recepción 27 de julio 2015
Fecha aceptación 14 diciembre 2015
Santillán R., Jiménez M., Masapanta X., Gavilanes E., /
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