000156203

UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIN DE INGENIERA MECNICA

DISEO Y FABRICACIN DE UNA MQUINA MOLDEADORA DE

BOTONES DE CHOCOLATE

Por:

Daniel Josu Morgado Fernndez

INFORME DE PASANTA

Presentado ante la Ilustre Universidad Simn Bolvar como requisito parcial para optar al ttulo de

Ingeniero Mecnico

Sartenejas, Julio de 2012

UNIVERSIDAD SIMN BOLVAR

DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES

COORDINACIN DE INGENIERA MECNICA

DISEO Y FABRICACIN DE UNA MQUINA MOLDEADORA DE

BOTONES DE CHOCOLATE

Por:

Daniel Josu Morgado Fernndez

Realizado con la asesora de:

Tutor Acadmico: Andrs Clavijo Tutor Industrial: Juan Carlos Fernndez

INFORME DE PASANTA Presentado ante la Ilustre Universidad Simn Bolvar

como requisito parcial para optar al ttulo de Ingeniero Mecnico

Sartenejas, Julio de 2012

iv

RESUMEN

El presente trabajo es un proyecto que consiste en el diseo, desarrollo y fabricacin de una propuesta para solucionar un problema en una fbrica de chocolate. La solucin especfica consiste en el diseo y fabricacin de una maquina formadora de chocolate cuyo fin ltimo es producir botones de chocolate. El proyecto se divide de acuerdo a una metodologa de diseo en cinco etapas: diseo conceptual, de detalle, fabricacin, ensamblaje y puesta a punto. Como resultado se obtuvo una maquina moldeadora de botones y esferas de chocolate sin incluir el sistema de enfriamiento. Se realizaron pruebas a la banda transportadora y el movimiento rotativo de los cilindros formadores, con resultados satisfactorios. Se concluye que la pasanta logr los objetivos planteados en todos aquellos aspectos que estuvieron al alcance del estudiante.

v

AGRADECIMIENTOS

Gracias a Dios y a mi familia.

vi

NDICE GENERAL

RESUMEN ................................................................................................................ iv

AGRADECIMIENTOS .............................................................................................. v

NDICE GENERAL .................................................................................................. vi

INDICE DE FIGURAS ........................................................................................... viii

INTRODUCCIN ...................................................................................................... 1

Objetivos del proyecto ............................................................................................ 1

CAPTULO I .............................................................................................................. 2

FUNDAMENTOS TEORICOS .............................................................................. 2

1.1. Descripcin de la empresa ........................................................................... 2

1.2. Proceso de fabricacin del chocolate ........................................................... 2

1.3. Proceso de moldeo de chocolate .................................................................. 6

1.4. Herramientas generadoras de ideas .............................................................. 7

1.5. Herramientas para el diseo ......................................................................... 7

1.6. Maquinaria de taller ..................................................................................... 7

CAPTULO II ........................................................................................................... 10

DESARROLLO DEL PROYECTO ..................................................................... 10

2.1. Metodologa ............................................................................................... 10

2.1.1. Especificaciones...................................................................................... 10

2.1.2. Antecedentes ........................................................................................... 11

2.1.3. Diseo conceptual ................................................................................... 14

2.1.4. Diseo de detalle ..................................................................................... 16

2.2. Materiales de fabricacin ........................................................................... 26

2.2.1. Listado de equipos y herramientas .......................................................... 26

vii

2.2.2. Proveedores ............................................................................................. 26

2.2.3. Listado de materiales usados .................................................................. 27

2.3. Fabricacin................................................................................................. 28

2.3.1. Fabricacin del chasis ............................................................................. 28

2.3.2. Fabricacin de la cinta transportadora .................................................... 30

2.3.3 Fabricacin de cilindros moldeadores ..................................................... 33

2.3.4. Fabricacin del sistema de traccin. ....................................................... 35

CAPTULO III .......................................................................................................... 36

RESULTADOS .................................................................................................... 36

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ....................................................... 37

REFERENCIAS........................................................................................................ 39

ANEXOS .................................................................................................................. 41

ANEXO A: Patentes ............................................................................................. 42

ANEXO B: Clculos ............................................................................................. 48

ANEXO C: Planos ................................................................................................ 53

viii

INDICE DE FIGURAS

Figura 1. Recoleccin de cacao........3

Figura 2. Secado de habas....3

Figura 3. Esquema del proceso de fabricacin de chocolate....4

Figura 4. Maquina de conchear de Lindt..5

Figura 5. Mquina de conchear moderna......5

Figura 6. Ejemplo de moldeadora11

Figura 7. Vista seccionada de la maquina moldeando conejos de chocolate...12

Figura 8. Ejemplo de moldeadora continua..12

Figura 9. Mquina moldeadora ML-600...13

Figura 10. Anlisis morfolgico...14

Figura 11. Refrigeracin de los cilindros..16

Figura 12. Seccin de chasis sin modificaciones..17

Figura 13. Seccin inicial del chasis.18

Figura 14. Seccin intermedia del chasis..18

Figura 15. Seccin final del chasis19

Figura 16. Recorrido del chocolate...19

Figura 17. Detalle del sistema tensor20

Figura 18. Chasis con bandejas.20

Figura 19. Detalle de moldes.21

Figura 20. Engranajes....22

Figura 21. Vista de seccin del cilindro formador....23

Figura 22. Sistema de cadenas y ruedas dentadas.....23

Figura 23. Ruedas locas tensoras..24

Figura 24. Vista de tnel y evaporadores..25

Figura 25. Soldadura de ngulos.......28

Figura 26. Alineacin28

Figura 27. Chasis armado..29

Figura 28. Taladrado de seccin inicial.29

Figura 29. Colocacin de las guas del carro tensor..30

ix

Figura 30. Polea para cinta transportadora.31

Figura 31. Carro tensor...32

Figura 32. Bandejas de soporte...32

Figura 33. Detalle de cilindros moldeadores...33

Figura 34. Engranajes en posicin..34

Figura 35. Serpentines de enfriamiento..34

Figura 36. Roscado del cubo...35

Figura 37. Montaje motor reductor.35

1

INTRODUCCIN

La PROCESADORA FS, C.A. es una fbrica que se encuentra en crecimiento y

cuyo fin es elaborar productos derivados del chocolate. Uno de los productos ms

importantes de esta compaa ser la elaboracin de botones de chocolate. En este

momento la gerencia est concentrando sus recursos en la adquisicin de los equipos

necesarios para iniciar la produccin de esta lnea a finales del presente ao.

El moldeado de botones de chocolate requiere el uso de una maquina especial que

no se consigue en el pas y la exportacin es muy costosa y complicada debido al control de

divisas existente en el pas. Por lo tanto la solucin ms factible al problema consiste en

disear y fabricar dicha mquina. Esto justifica el desarrollo del presente proyecto pues se

le ofrece a la compaa una salida viable y econmicamente accesible. En funcin de lo

cual y en el marco del contexto antes descrito, se establecieron los objetivos que se detallan

a continuacin:

Objetivos del proyecto

El objetivo general del presente proyecto consiste en disear y fabricar una maquina

moldeadora de botones de chocolate.

Los objetivos especficos son:

Diagnostico de las necesidades y factibilidad;

Diseo de la maquina;

Fabricacin de las piezas hechas a la medida y adquisicin de piezas

existentes en el mercado;

Ensamblaje de la maquina y

Pruebas y ajuste para una operacin optima.

2

CAPTULO I

FUNDAMENTOS TERICOS

1.1. Descripcin de la empresa

PROCESADORA FS, C.A., es una empresa venezolana que tiene como propsito la

manufactura y comercializacin de productos de chocolate. Como poltica de expansin y

crecimiento, la empresa se encuentra en la etapa de adquisicin, fabricacin e instalacin de

nuevos equipos necesarios para la produccin. Esta fbrica est ubicada en la zona

industrial el Rodeo de Guatire, Estado Miranda. Consta de un galpn de 360 m2 construido

con paredes aislantes con centro de anime para reducir la transferencia de calor con el

ambiente. El galpn dispone de suministro elctrico de 220V y 110V y est iluminado con

lmparas fluorescentes. La ventilacin estar seccionada, un rea ser ventilada por aire

acondicionado procurando una temperatura de 21C mientras que el resto constara de

ventilacin natural. Actualmente cuenta con los siguientes equipos para el procesamiento

de chocolate: molino de bola, mquina universal para refinar chocolate, 3 depsitos de

chocolate, molino de azcar, bomba de desplazamiento positivo para el manejo de

chocolate y bombos grageadores para coberturas de caramelo.

1.2. Proceso de fabricacin del chocolate

El proceso de fabricacin del chocolate consta de tres etapas [1]:

Cultivo y cosecha.

Seleccin y control de habas.

Fabricacin.

En cuanto al cultivo y la cosecha [2], en las habas se busca obtener un aroma bien

desarrollado. La recoleccin, fermentacin y secado del cacao suele hacerse a mano en el

mismo lugar donde crecen los rboles. Realizar un proceso artesanal ayuda a mantener la

calidad de las habas.

3

En cuanto a la cosecha, resulta interesante resaltar que no existen mquinas, sino

que el proceso se hace a mano (Figura 1). Se utilizan pequeos cuchillos curvos montado

en palos largos para alcanzar los frutos ms altos. Luego, las cortezas, que son gruesas, se

abren con un machete y se sacan las habas de cacao, las cuales estn cubiertas de pulpa.

Figura 1. Recoleccin de cacao.

La limpieza de las habas comprende los siguientes pasos [3]: las habas se recogen y

apilan en montones, en los siguientes tres a siete das las habas fermentan (Figura 2). Se

calienta la pulpa alrededor de las habas lo cual activa las enzimas y crea unos compuestos

qumicos que le dan el sabor que nosotros conocemos como chocolate. En ese proceso, las

habas pierden 50% de su peso y se sabe que ha culminado la fermentacin cuando obtienen

un color marrn profundo.

Figura 2. Secado de habas.

4

La segunda etapa consiste en la seleccin y control de las habas. Para producir un

chocolate de alta calidad las habas tienen que pasar por un proceso de controles que

aseguran la seleccin de las mejores. Esto se logra a travs de numerosos ensayos de

laboratorio y pruebas para corroborar las condiciones de las mismas.

Por ltimo, se fabrica el chocolate. A continuacin un esquema representativo del

proceso de fabricacin (Figura 3).

Figura 3. Esquema del proceso de fabricacin de chocolate [4].

Para chocolates de alta calidad se agrega un paso antes del temperado llamado

concheado. La mquina de conchear fue inventada en 1880 por el chocolatero suizo

Rodolfe Lindt. El nombre se debe a que originalmente la mquina es un recipiente muy

5

grande con forma de concha (Figura 4). Con el tiempo fue evolucionando en una mquina

ms grande y cilndrica (Figura 5). El proceso consiste en remover el chocolate lquido

suavemente durante un perodo de tiempo que para los fabricantes de chocolate ms barato

no excede un mximo de doce horas pero para los fabricantes de chocolate de calidad el

concheado puede llegar a ser de hasta siete das. Este proceso permite que el sabor del

chocolate se vaya enriqueciendo al tiempo que se hace ms suave, se va eliminando poco a

poco todo posible resto de amargor y la textura alcanza esa consistencia ideal [6].

Figura 4. Maquina de conchear de Lindt.

Figura 5. Mquina de conchear moderna.

6

El temperado es uno de los pasos claves [7], para este proceso se alternan

momentos de calentado y enfriamiento consiguiendo as la contextura slida, lustre suave,

brillo mate, buen chasquido y acabados perfectos. El proceso consiste en introducir el

chocolate en unas enormes ollas, donde es removido y cuidadosamente enfriado mientras

an permanece en estado lquido. Es un proceso delicado debido que la manteca de cacao

contiene varios tipos de sustancias grasas con diferentes puntos de fusin y solidificacin,

el templado provoca el rpido enfriado de la masa logrando una distribucin uniforme de

los diversos tipos de sustancias grasas.

1.3. Proceso de moldeo de chocolate

Tradicionalmente, los chocolates con geometras tridimensionales se producen

mediante el moldeo. El chocolate terminado puede ser un bloque slido, una cascara vaca

o una cascara rellena. Independientemente de la forma del chocolate todos comparten

atributos tales como el acabado y el brillo.

El moldeo convencional suele emplear un gran nmero de moldes, usualmente

hechos de policarbonato. El equipo utilizado es de gran tamao y suelen ser de los equipos

de manufactura ms caros y complejos en el rea de confeti.

Usualmente el proceso de moldeo de chocolate consta de 5 pasos: (a) la mezcla se

derrite a 45C y se atempera a una temperatura que oscila entre 29 y 30 C, (b) el chocolate

liquido atemperado se deposita en un molde de policarbonato, (c) el molde se agita para

remover las burbujas de aire y distribuir el chocolate, (d) se enfra y endurece el chocolate,

y (e) se retira el chocolate del molde.

7

1.4. Herramientas generadoras de ideas

Para la realizacin de este proyecto se implementaran dos herramientas generadoras

de ideas, la tormenta de ideas y el anlisis morfolgico. A continuacin una breve

explicacin de las mismas.

La tormenta de ideas: es una tcnica usada para estimular el pensamiento y

provocar el surgimiento de muchas ideas nuevas enfocadas en la solucin de un problema.

Consiste en proponer ideas sin importar lo absurdas que parezcan, para esto se debe crear

un ambiente informal y relajado donde todas las ideas son vlidas, ninguna debe ser

criticada ni juzgada. Todas las ideas deben ser registradas en un lugar visible a todos los

participantes para permitir combinarlas con facilidad [8].

El anlisis morfolgico: trabaja sobre una lista de atributos, proponiendo un

mtodo automtico para combinar parmetros y resolver un problema. Puede desarrollarse

de varias maneras una de las ms comunes es hacer un cuadro y relacionar las columnas y

las filas mediante lneas permitiendo una o ms entradas, lo que genera una matriz que

brinda una visin global e instantnea, reduciendo las posibilidades de que se escape algn

vnculo [9].

1.5. Herramientas para el diseo

Para el diseo de las piezas y el ensamblaje total se cont con un software de

clculo numrico y con un software de diseo para los planos.

1.6. Maquinaria de taller

Para este proyecto se contaba con un taller de maquina y herramientas para la

fabricacin de todas las partes necesarias. Las maquinas son las siguientes:

8

Taladradora: mquina especializada en mecanizar agujeros, es muy sencilla, tiene

dos movimientos, el de rotacin que es llevado a la herramienta de corte llamada broca, y el

de penetracin o avance que lo imprime el eje de la mquina [10]. Entre las variedades de

taladro se utilizaron las siguientes:

Taladro porttil: es verstil debido a la capacidad de trasladarlo al lugar de trabajo

pero el esfuerzo de corte y la capacidad de taladrado estn bastante limitados.

Taladro de banco: Son mquinas grandes y fijas al suelo, se emplean para grandes

dimetros y profundidades alcanzan bajas y altas revoluciones controladas por una caja de

cambios de engranajes o poleas.

Esmeril elctrico: Es una mquina operada manualmente cuya utilizada en el rea

de manufactura para para cortar, pulir metales, y para componer excesos de soldadura.

Tronzadora: herramienta de corte por abrasin, empleando un disco abrasivo

impulsado por un motor elctrico, a diferencia del esmeril esta generalmente se encuentra

fija a una mesa.

Cizalladora: Herramienta de corte por cizalla, consiste de una hoja inclinada con

respecto al canto de una mesa que al descender cortan por efecto de cizalla, la hoja es

impulsada hidrulica neumtica o mecnicamente y es usada para cortar lminas de

distintos metales hasta un espesor mximo determinado por el fabricante.

Dobladora: Herramienta empleada para doblar laminas metlicas, pueden ser

manuales por efecto de palanca donde el ngulo de doblado es controlado por el operador a

simple ojo, tambin pueden ser hidrulicas, neumticas o mecnicas, donde el ngulo es

controlado por perillas de graduacin.

Soldadora MAG: Es un tipo de soldadura por arco elctrico, donde la proteccin

del arco se consigue mediante el suministro de dixido de carbono, creando una atmosfera

9

de proteccin alrededor del rea que est siendo soldada evitando as la formacin de

xido. Tanto el gas como el material de aporte son suministrados por la pistola de soldar

automticamente, el operador solo debe graduar la intensidad de corriente y la velocidad de

suministro de alambre dependiendo de lo que se va a soldar y presionar el interruptor en la

pistola [11].

Soldadora con electrodo revestido: Soldadura por arco elctrico, el material de

aporte es suministrado por una varilla del mismo material a soldar que est recubierta de un

revestimiento que al fundirse genera una atmosfera que protege el arco elctrico y evita la

formacin de xido, adems deja una capa de escoria sobre el cordn de soldadura que

controla el enfriamiento evitando temple [11].

Corte por plasma: El plasma permite el corte de acero mediante la formacin de un

arco elctrico y un gas que es estrangulado en un rea pequea adquiriendo gran energa

cintica y al hacer contacto con las altas temperaturas del arco elctrico alcanza el cuarto

estado de la materia, lo que lo ioniza, y por polaridad funde y corta el metal.

Torno paralelo: Es una mquina de mecanizado por arranque de viruta, en este

caso la pieza es la que gira mientras que la herramienta es fija. Usada principalmente para

realizar superficies de revolucin o planas, tambin sirve para realizar roscados [12].

10

CAPTULO II

DESARROLLO DEL PROYECTO

2.1. Metodologa

2.1.1. Especificaciones

Problema: moldear enfriar y solidificar botones de chocolate a partir de

chocolate lquido atemperado.

Necesidad: La ausencia de productores nacionales de chocolate en esta

presentacin representa una buena oportunidad comercial para esta empresa

que an no se ha integrado al mercado.

Especificaciones:

Moldeo de chocolate con forma de botones.

Fcil operacin.

Temperatura de entrada del chocolate de aproximadamente 29C y

salida de aproximadamente 14C.

El chocolate debe entrar en estado lquido y salir en estado slido.

La mquina debe moldear, enfriar y transportar simultneamente y de

forma continua.

Produccin deseada de 200 Kg/h.

La dimensin longitudinal de la mquina no debe exceder los 10 m.

El proceso entero debe llevarse a cabo en un ambiente con humedad

controlada.

Factores ambientales:

Temperatura

Humedad

Clima

Espacio disponible

Fuentes de energa disponibles

Materiales de construccin

Herramientas disponibles

11

Salida: Mquina capaz de producir aproximadamente 200 Kg/h de botones

de chocolate slido. Construida dentro del lmite de tiempo de las pasantas

y con costos accesibles para una empresa en sus inicios con un presupuesto

restringido.

2.1.2. Antecedentes

Antes de comenzar con el diseo se hizo una bsqueda de maquinas del mismo

estilo y soluciones a este problema en otros pases.

La primera [13], es una mquina para el moldeo continuo de tabletas de chocolate,

consiste de un molde rotativo refrigerado con al menos una entrada de chocolate (Figura 6).

El chocolate lquido es retenido en el molde mediante una cinta en contacto con el molde

parte del recorrido durante esta parte del recorrido el chocolate se enfra y solidifica

parcialmente permitiendo retirarlo del molde (para mayor detalle ver anexo A).

Figura 6. Ejemplo de moldeadora.

La segunda patente [14], Es un aparato diseado para llenar simultneamente una

varios moldes para la produccin de chocolate solido o relleno (Figura 7). Dicho aparato

permite varias modificaciones para la produccin de distintos tipos de chocolate (para

mayor detalle ver anexo A).

12

Figura 7. Vista seccionada de la maquina moldeando conejos de chocolate.

La tercera patente [15], Describe una mquina para moldear botones de chocolate

consta de dos rodillos formadores con cavidades alineadas, de los cuales al menos uno tiene

un canal que se extiende a lo largo de la circunferencia del rodillo en el plano perpendicular

al eje del mismo, y que intercepta las cavidades en el rodillo (Figura 8). Los rodillos giran

uno en direccin contraria del otro formando botones a medida que las cavidades alineadas

coinciden (para mayor detalle ver anexo A).

Figura 8. Ejemplo de moldeadora continua.

13

A dems de las patentes mencionadas anteriormente se us como referencia

informacin proporcionada por Lloveras, un fabricante espaol que ha estado en el negocio

desde 1899. De este fabricante obtuvimos un presupuesto para una mquina ML-600

(Figura 9), que inclua informacin de referencia bastante til; por ejemplo, proveyeron una

idea en cuanto a magnitudes de potencia, dimensiones y precios (Para mayor informacin

visitar http://www.lloveras.com/).

Figura 9. Mquina moldeadora ML-600

14

2.1.3. Diseo conceptual

Anlisis morfolgico (Figura 10).

Figura 10. Anlisis morfolgico.

Se escogi la ruta trazada en rojo basados en conveniencia y factibilidad, la ruta en azul es

igual a la roja excepto por el tipo de chocolate, por lo que se decidi aadir la posibilidad

de moldear botones o esferas.

Lluvia de ideas

Se llev a cabo de manera espontnea cada vez que se presentaba un problema o una

limitante. El equipo se reuna a compartir ideas en busca de una solucin muchas veces

representndolas grficamente en dibujos.

A continuacin se presentan algunos de los casos ms generales del proceso.

15

Dimensiones de la mquina: el diseo original propona una nica banda transportadora

de longitud suficiente para enfriar el chocolate, pero luego de los clculos de velocidad de

la banda se concluy que el espacio disponible no era suficiente para una banda tan larga,

por lo que se sugirieron varias ideas:

Reducir la velocidad de la cinta: esta idea genera ms tiempo dentro de tnel de

enfriamiento pero reduce la produccin considerablemente.

Aumentar el intercambio de calor dentro del tnel: esta idea reduce el tiempo de

enfriamiento del chocolate pero los equipos de congelacin son el componente ms

costoso del proyecto.

Aumentar la longitud de la cinta agregando un segundo nivel: agregar un nivel a la

banda permite duplicar la distancia de la cinta ocupando el mismo espacio

longitudinal.

Como resultado se cambi el diseo de una banda a dos bandas una sobre la otra para

duplicar la distancia del tnel de enfriamiento y adems se propuso un variador de

frecuencia en motor para graduar la velocidad hasta garantizar el enfriamiento del chocolate

y la mayor productividad posible.

Refrigeracin de los cilindros formadores: En principio el plan era refrigerar los cilindros

mediante la expansin de un gas refrigerante dentro de los mismos, pero debido a que los

cilindros se encuentran en movimiento, el sellado del gas era un problema que origino

diversas propuestas:

Juntas rotativas: estas juntas permitiran el paso del gas a pesar del movimiento,

pero conseguir juntas para gases refrigerantes en esas condiciones resulto ser un

problema an ms grande.

Usar un chiller para enfriar algn fluido y bombearlo a travs de los cilindros:

esta es uno de los mtodos ms convencionales pero incorpora un elemento de

bombeo y prdidas en tuberas.

Convertir los cilindros en evaporadores: de este modo se elimina el elemento de

bombeo y la transmisin de calor entre el gas y el fluido refrigerante se lleva a

cabo dentro de los cilindros, pero requiere de un sellado del refrigerante.

16

Como resultado se cambi el diseo de expansin directa a expandir dentro de un espiral de

cobre dentro de los cilindros que no se encuentra en movimiento sino sujeta a un eje que

atraviesa el cilindro sostenido por rodamientos y sellado con estoperas que retendrn Glicol

o algn otro refrigerante dentro de los cilindros para garantizar la transmisin de calor

(Figura 11).

Figura 11. Refrigeracin de los cilindros.

2.1.4. Diseo de detalle

La mquina consistir de una estructura de acero que sostendr los moldes

cilndricos y dos bandas transportadoras una sobre la otra. Luego de ser moldeado, el

chocolate cae sobre la primera banda y atraviesa un tnel de enfriamiento, al final de la

primera banda cae sobre la segunda banda donde termina de endurecerse para luego ser

retirado.

Esta seccin detalla el diseo de la mquina incluye los planos, los resultados de los

clculos, la descripcin y la justificacin del diseo de las partes. Los planos muestran las

dimensiones fsicas de las partes de la mquina. En tanto que los clculos se realizaron para

la seleccin de los equipos de refrigeracin y las ruedas dentadas necesarias para alcanzar

las velocidades deseadas. Para facilitar la lectura se han colocado los clculos en el anexo B

y los planos en el anexo C. A continuacin una tabla resumen de los clculos.

17

Valor Unidades

Calor a retirar del chocolate 1697 W

Calor a retirar del ambiente 61,322 W

Calor total a retirar en los cilindros 1758 W

Calor a retirar en tnel de enfriamiento 1053 W

Numero de dientes para ruedas dentadas 1 36

Numero de dientes para ruedas dentadas 2 20

Detalle del chasis

Debido al gran tamao y por facilidad de manejo y transporte, Se decidi dividir el

chasis en tres secciones de 1,5m de largo (figura 12), conectadas entre s mediante

espaciadores de 1,90m de largo. La estructura tiene 1,55m de alto debido a que las bandas

transportadoras van a ir una encima de la otra espaciadas lo suficiente para evitar contacto y

adems dejando espacio en el fondo para instalar una tercera cinta en caso de ser necesario

en un futuro.

Figura 12. Seccin de chasis sin modificaciones

Cada seccin del chasis se modific para una funcin especfica.

Seccin inicial: Esta seccin sostendr los cilindros formadores y las poleas

conductoras de la cinta transportadora, se decidi colocarlas del mismo lado para utilizar un

solo motor y tener todo el sistema de potencia del mismo lado. Las bases para el motor y el

18

reductor se colocaron en la parte inferior debajo de los rodillos para evitar que la estructura

interfiriera con las cadenas (Figura 13).

Figura 13. Seccin inicial del chasis.

Seccin intermedia: Esta seccin solo esta modificada con un rodillo que levante la

parte inferior de la cinta evitando que cuelgue y reduciendo la tensin en los extremos

(Figura 14).

Figura 14. Seccin intermedia del chasis.

19

Seccin final: La seccin final fue preparada para ajustar la tensin de la cinta. Para

ello esta seccin solo necesita las bases sobre las cuales deslizaran los carros tensores, se

colocaron en la parte interna de la estructura para aprovechar los tramos verticales del

chasis como soportes para el resto de las piezas del sistema tensor (Figura 15).

Figura 15. Seccin final del chasis

Detalle de la cinta transportadora

Como se mencion anteriormente la cinta fue dividida en dos partes colocadas una

encima de la otra. La cinta inferior es mas larga para garantizar que el chocolate caiga de la

cinta superior a la inferior en uno de los extremos y el otro extremo se separe lo suficiente

de la estructura para retirar el chocolate ya frio de la maquina (Figura 16).

Figura 16. Recorrido del chocolate.

20

Las poleas se escogieron de 17cm de dimetro para aprovechar material de reciclaje,

y el largo esta fijado por el ancho del chasis.

El sistema tensor consiste de unas guas soldadas al chasis sobre las cuales

deslizaran carros tensores solidarios a las chumaceras que sostienen las poleas, el

movimiento del carro estar restringido y controlado por un tornillo sinfn sostenido en

ambos extremos por el chasis (Figura 17). Se decidi emplear tuercas y un tornillo sinfn en

lugar de engranajes, por facilidad de construccin y bajos costos.

Figura 17. Detalle del sistema tensor.

Debido a la distancia entre los rodillos, la cinta debe deslizar sobre una plancha o

sobre rodillos auxiliares, por facilidad y disposicin de materiales se opt por deslizar sobre

una plancha, para esto se fabricaron pequeas bandejas de acero inoxidable que se apoyarn

sobre unas varillas solidarias al chasis (Figura 18).

Figura 18. Chasis con bandejas.

21

Detalle de cilindros moldeadores

Para el moldeo se consideraron las siguientes opciones:

Accionamiento frecuencia de moldeo Sistema de control Precio Mantenimiento

Biela manivela accionando un molde

Intermitente Complicado Econmico Mnimo

Brazos neumticos accionando un molde Intermitente Complicado Costoso Alto

Cilindros moldeadores Continuo Sencillo Econmico Mnimo

Se opt por cilindros debido a que es la opcin mas fcil de controlar a diferencia de

un sistema neumtico o de biela manivela que necesita un sistema de control para detener la

cinta mientras se moldea el cilindro proporciona un moldeo continuo que no genera paradas

de cinta maximizando la produccin y simplificando el sistema de control. El moldeo se

lleva a cabo con dos cilindros separados entre si una distancia de aproximadamente 1 mm,

cada cilindro tiene tallada en la superficie exterior la mitad de un botn, el chocolate es

moldeado entre los dos cilindros que giran en sentidos contrarios, el resultado es medio

botn en cada cilindro que al coincidir forman un botn completo (figura 19).

Figura 19. Detalle de cilindros.

Para garantizar que los cilindros se movieran de forma sincronizada se colocaron

engranajes en las tapas (figura 20) de manera que uno de los cilindros est siendo

conducido por el motor mientras que el otro cilindro es conducido por el primer cilindro.

Los engranajes tienen un margen de ajuste debido a que los tornillos no van en agujeros

circulares sino en canales para permitir que ambas mitades de los moldes coincidan

perfectamente.

22

Figura 20. Engranajes.

Los cilindros moldeadores representaron un reto debido a que adems de estar en

movimiento deben ser refrigerados a una muy baja temperatura.

En principio se propuso un sistema innovador donde el frio se obtena expandiendo

directamente dentro de los cilindros, pero como los cilindros se encuentran en movimiento

fue imposible conseguir juntas rotativas que soportaran las especificaciones del gas sin

permitir fugas. Por tanto el diseo fue modificado a un sistema de chiller ms

convencional, empleando un serpentn de cobre dentro de los cilindros mas no en contacto

con ellos, sostenido en ambos extremos por rodamientos (figura 21), logrando as que el

serpentn se mantenga fijo mientras que los cilindros giran, de este modo no son necesarias

juntas rotativas. Para procurar el intercambio de calor entre el serpentn y el cilindro se

llen el interior del cilindro con glicol, y para evitar fugas del mismo, se colocan estoperas

junto con los rodamientos en el extremo del serpentn.

23

Figura 21. Vista de seccin del cilindro formador.

Detalle del sistema de traccin.

Tanto la banda transportadora como los cilindros formadores sern accionados por

el mismo motor, mediante un sistema de cadenas y ruedas dentadas (Figura 22). El motor

de 1 KW es acoplado a un reductor mecnico de 30:1 mediante poleas y correas, para

reducir la velocidad an ms, la polea del reductor es de 16 pulgadas mientras que la del

motor es de 4 pulgadas. Finalmente para alcanzar la velocidad deseada, el motor es

controlado con un variador de frecuencia.

Figura 22. Sistema de cadenas y ruedas dentadas.

24

Los engranajes conducidos solidarios tanto a los cilindros moldeadores como a las

poleas de la cinta transportadora son de 36 dientes, pero para garantizar que la velocidad

tangencial sea la misma, el engranaje conductor de los cilindros moldeadores es de 20

dientes mientras que el de la cinta es de 36 (para mayor detalle ver anexo B). Ambas

cadenas disponen de una polea loca confinada a un carril para propsitos de tensar la

cadena (Figura 23).

Figura 23. Ruedas locas tensoras.

Detalle del tnel de enfriamiento

Para el tnel se decidi cubrir el chasis completo con paneles aislantes dejando solo

pequeas reas descubiertas para el paso del chocolate. Se proponen evaporadores en los

laterales con su respectiva batera de ventiladores debido a que es lo ms observado en

tneles de enfriamiento (Figura 24).

25

Figura 24. Vista de tnel y evaporadores.

El control de la humedad se lleva acabo mediante los aires acondicionados, los

cuales condensan la humedad en el aire y debido a que no solo el tnel tiene evaporadores

sino que el cuarto donde se encuentra la maquina tambin va a estar acondicionado el

filtrado de la humedad ser doble. El tnel tendr presin positiva para asegurar que el

chocolate no entre en contacto con polvo u otros agentes en el ambiente.

26

2.2. Materiales de fabricacin

2.2.1. Listado de equipos y herramientas

Taladro porttil

Taladro de banco

Esmeril elctrico

Tronzadora

Cizalladora

Dobladora

Soldadora MAG

Soldadora con electrodo revestido

Monta cargas

Cinta mtrica

Corte por plasma

Torno paralelo

Vernier

Destornilladores

Llaves Allen

Llaves

Alicates

Guantes

Lentes de proteccin

Botas de seguridad

2.2.2. Proveedores

EMOTEC, Energy and Motion Technology S.A.

Motasa S.A.

Rodamientos ROVI C.A.

27

Argotec C.A.

Suministros 3A C.A.

Atades de Venezuela.

2.2.3. Listado de materiales usados

ngulo o perfil L 65x5 mm

Tuberas de 7

Laminas de acero inoxidable 2x1 m

Pletinas de acero 15x5.

Barras de acero inoxidable de 3

Tornillos M10

Tuercas M10

Tornillos M14

Tuercas M14

Arandelas

Rodamientos de rodillo

Estoperas 19x21x10

Ruedas dentadas 40B36H

Ruedas dentadas 40B20H

Barra roscada

Chumaceras P207

Chumaceras P205

Variador de frecuencia

Motor elctrico trifsico 220V de 1 KW

Reductor mecnico 1:30

28

2.3. Fabricacin

2.3.1. Fabricacin del chasis

El chasis fue fabricado con ngulos o perfil L 65x65x5 mm, las piezas fueron

cortadas con tronzadora a la medida y soldadas con electrodo revestido (Figura 25). Una

vez listas las tres secciones se alinearon con nylon de pesca (Figura 26) y unieron mediante

extensiones soldadas (figura 27).

Figura 25. Soldadura de ngulos.

Figura 26. Alineacin.

29

Figura 27. Chasis armado

Luego a cada seccin se le hicieron modificaciones para la instalacin de las piezas

necesarias.

Seccin inicial: Se Soldaron y perforaron soportes para las poleas de las cintas

transportadoras, adems se taladr la parte superior en donde irn colocados los cilindros

moldeadores (Figura 28). A lo largo de los laterales se sold una varilla que servir de

soporte para las planchas sobre las cuales se deslizar la cinta transportadora, y en la parte

inferior se soldaron bases para soportar el motor y el reductor mecnico.

Figura 28. Taladrado de seccin inicial.

30

Seccin intermedia: Esta seccin fue modificada con agujeros en los tramos

verticales del centro para colocar chumaceras con el fin de instalar un rodillo que levante la

parte inferior de la cinta evitando que cuelgue y reduciendo la tensin en los extremos. A

dems fue modificada con las varillas en los laterales para el soporte de las planchas sobre

las cuales se deslizar la cinta.

Seccin final: Para la seccin final se soldaron las guas de los carros tensores

(Figura 29), y se perforo el extremo para introducir el tornillo sin fin que controlara la

posicin de los carros tensores, el otro extremo del tornillo est sostenido por una tuerca

soldada a la estructura

Figura 29. Colocacin de las guas del carro tensor.

2.3.2. Fabricacin de la cinta transportadora

La fabricacin de la cinta transportadora inici con la fabricacin de las poleas, las

cuales se hicieron con material de reciclaje, empleado un tubo de 0.17m de dimetro el cual

fue cortado en secciones de 0.49m de largo, luego se le soldaron las tapas laterales y los

ejes. Posteriormente las poleas fueron torneadas para alinearlas y reducir los ejes a un

31

dimetro comercial de 35mm para emplear chumaceras P-205, tambin se torneo la

superficie exterior de los cilindros cambiando la forma de totalmente recta a convexa, para

garantizar que la cinta se mantenga centrada (Figura 30).

Figura 30. Polea para cinta transportadora.

Luego de la fabricacin de los cilindros y la compra de chumaceras, se procedi a la

fabricacin del sistema tensor de la cinta.

El carro tensor no es ms que un ngulo cortado a la medida de la chumacera con

agujeros que permiten el ajuste de las chumaceras al ngulo mediante esprragos y tuercas

(Figura 31). En la otra cara del ngulo se soldaron dos tuercas alineadas, las cuales

enroscaran en el tornillo sinfn procurando as el desplazamiento del carro a medida que

gire el tornillo sinfn, una vez conseguida la tensin deseada es necesario trancar el sistema

para que no se desajuste con la operacin de la mquina, para esto se enrosc una tuerca

adicional en cada tornillo sinfn con el propsito de bloquear la tuerca del carro con un

efecto de contra tuerca.

32

Figura 31. Carro tensor.

Una vez listas y ajustadas las poleas, se procedi a medir con una cinta mtrica la

longitud nominal de la cinta para mandar a vulcanizarla en un lugar especializado. Y

finalmente se fabricaron las bandejas de acero inoxidable que no son ms que laminas

dobladas en dos de sus extremos para ser apoyadas sobre unas varillas soldadas al chasis

(figura 32).

Figura 32. Bandejas de soporte.

33

2.3.3 Fabricacin de cilindros moldeadores

Los cilindros se formaron a partir de una plancha de acero inoxidable, la misma fue

cortada y calandrada para formar cilindros de igual tamao y luego soldada en la unin.

Posterior mente se fabricaron las tapas y los ejes. Una de las tapas fue fijada a los cilindros

con soldadura mientras que la otra con tornillos. Luego el cilindro fue llevado a un centro

de mecanizado para que realizaran con una fresadora la forma de los moldes en la

superficie de los cilindros, el resultado fue medio botn en cada cilindro que al coincidir

forman un botn completo (figura 33).

Figura 33. Detalle de cilindros moldeadores.

Los engranajes para la sincronizacin de los cilindros fueron mandados a hacer en

un taller especializado y se atornillaron a las tapas (Figura 34).

34

Figura 34. Engranajes en posicin.

Para el serpentn se enroll una tubera de cobre en espiral y se sold al eje de acero

inoxidable con plata (Figura 35).

Figura 35. Serpentines de enfriamiento.

35

2.3.4. Fabricacin del sistema de traccin.

Luego de la compra de las ruedas dentadas se perforo y rosco un agujero en el cubo

para ajustar a los ejes con un tornillo prisionero (Figura 36).

Figura 36. Roscado del cubo.

Se instalo el motor y el reductor con tornillos M10 sobre las bases hechas con

ngulo 65x65x5mm soldadas al chasis (Figura 37).

Figura 37. Montaje motor reductor.

Para finalizar se colocaron las cadenas para transmitir la potencia a la cinta y los moldes.

36

CAPTULO III

RESULTADOS

El diseo de la mquina formadora de botones de chocolate contempl diversas

fases que se cumplieron a su cabalidad en la medida de lo posible.

En cuanto al diseo, se realiz una propuesta inicial durante las primeras cinco

semanas. Luego se fue modificando en la medida que se presentaron los problemas durante

la fabricacin. Por ejemplo, se decidi usar dos cintas en vez de una, como se haba

contemplado al principio, debido a que en relacin al tiempo no haba suficiente recorrido

para que el chocolate se enfriara por completo. Esta experiencia evidencia que el diseo,

ms que una fase finita es un proceso permanente al que se acude cada vez que sea

necesario con el fin de maximizar el rendimiento del equipo en fabricacin.

Teniendo en mente el diseo inicial, se procedi a adquirir las partes. Primero, se

investig a ver que se consegua en el mercado. A excepcin del variador de frecuencia,

hubo que fabricar las piezas porque no estaban disponibles en el mercado. Se procedi a

comprar los materiales necesarios para la fabricacin de las piezas y se encarg el equipo

de enfriamiento, el cual, a la fecha an no ha llegado.

En cuanto a la fabricacin, se sigui el siguiente orden: chasis, cilindros formadores,

cinta transportadora (incluye rodillos, estructura de soporte, sistema de alineacin y

tensin), y sistema de potencia. Durante esta etapa las dificultades que se presentaron

tenan que ver con el diseo; por ejemplo, los rodillos resultaron ms grandes de lo

esperado obligando a ensanchar ciertas secciones de la maquina.

En lo referente al ensamblaje se logr montar y poner en funcionamiento la banda

transportadora y el sistema de transmisin de potencia. El tnel de enfriamiento y la

refrigeracin de los cilindros formadores quedaron pendientes debido a que los equipos

necesarios no haban llegado para la fecha de culminacin de la pasanta.

37

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Al final de la pasanta se logr el objetivo general del presente proyecto, que fue

disear y fabricar una maquina moldeadora de botones de chocolate. En cuanto al

ensamblaje solo quedo pendiente lo relativo al enfriamiento, debido a que los equipos

solicitados no llegaron a tiempo. Se logr probar el funcionamiento de la banda

transportadora junto con el movimiento rotativo de los cilindros formadores.

Entre los aprendizajes adquiridos durante la pasanta se encuentran:

Aun cuando uno debe hacer un diseo y clculos previos, el diseo es un

proceso continuo sujeto a cambios y rediseo durante la fabricacin.

El diseo mecnico se ve limitado por la disponibilidad de equipos o partes

especializadas en el mercado local.

Un proyecto de esta magnitud no es un trabajo para una sola persona sino

que requiere un equipo, debido a que la solucin de ciertos problemas

requiere abordarlos desde diferentes perspectivas.

Fue muy importante portar equipo de seguridad lo cual evit daos en

situaciones riesgosas.

Fue satisfactorio poner en funcionamiento el equipo luego de poner en

prctica los aprendizajes tericos aprendidos durante la carrera.

Si se requiriera hacer una mquina similar, sera recomendable:

Hacer seguimiento a los proveedores de los equipos para evitar retrasos

innecesarios.

Se debe prestar especial atencin a la refrigeracin de los cilindros

formadores debido a que es la pieza ms especializada ya que requiere

alcanzar una temperatura muy baja sin comprometer el sellado del

refrigerante para evitar cualquier contacto con el chocolate.

38

Si el chasis est dividido en secciones se debe considerar el proceso de

alineacin antes de fabricar las uniones entre las secciones, fabricar piezas

idnticas es casi imposible por lo que puede ser ms eficiente alinear antes

de fabricar y luego hacer piezas a la medida para garantizar que la alineacin

se mantenga.

Se recomienda cambiar los materiales de construccin incluyendo los

engranajes y el chasis por materiales mas aptos para la industria alimenticia

como el acero inoxidable, para evitar problemas con las autoridades y

procurar un producto de alta calidad.

En resumen, la pasanta logr los objetivos planteados casi en su totalidad, siendo

que por motivos ajenos a la voluntad del estudiante no se pudo culminar la maquina. El

producto de la pasanta contribuy en gran medida a lograr la meta que PROCESADORA

FS, C.A. tiene de iniciar la produccin de botones de chocolate a finales del presente ao.

En este sentido el resultado global de la pasanta es satisfactorio.

39

REFERENCIAS

[1] Beckett, S.T. (2009). Traditional chocolate making.Industrial chocolate manufacture and use. Beckett, S.T. (Editor). Captulo 1.

[2] Fowler, M.S. (2009). Cocoa beans: From tree to factory.Industrial chocolate

manufacture and use. Beckett, S.T. (Editor). Captulo 2.

[3] Kamphuis, H.J. (2009). Production and quality standards of cocoa mass, cocoa

butter and cocoa powder. Industrial chocolate manufacture and use. Beckett, S.T. (Editor).

Captulo 6.

[4] Liendo, R. (2005). Procesamiento del cacao para la fabricacin de chocolate y sus

subproductos. Tecnologa postcosecha. INIA Divulga 6, 1-4. Disponible en

http://sian.inia.gob.ve/repositorio/revistas_tec/inia_divulga/numero%206/liendo_r.pdf

(consultado 19/4/2012)

[5] Ziegleder, G. (2009). Flavour development in cocoa and chocolate. Industrial

chocolate manufacture and use. Beckett, S.T. (Editor). Captulo 8.

[6] Beckett, S.T. (2009). Conching. Industrial chocolate manufacture and use. Beckett,

S.T. (Editor). Captulo 9.

[7] Talbot, G. (2009). Chocolate temper. Industrial chocolate manufacture and use.

Beckett, S.T. (Editor). Captulo 12.

[8] Silva y Ortiz, M. (1996). El proceso de la creatividad. Cuadernos de Investigacin.

Mxico: Universidad Nacional Autnoma de Mxico.

[9] Cerda, H. (2006). La creatividad en la ciencia y la educacin. Segunda edicin.

Colombia: Editorial Magisterio.

40

[10] Milln, S. (2006). Procedimientos de mecanizado. Madrid: Editorial Paraninfo.

[11] Domnguez, E. y Ferrer, J. (2008). Mecanizado bsico y soldadura. Espaa: Editex.

[12] Agueda, E.; Gracia, J.; Gmez, T.; Gracia, J. y Martin, J. (2008). Mecanizado

bsico. Madrid: Editorial Paraninfo.

[13] Suttle, J.M.; Martin, J.M.; Willcocks, N.A.; Camporini, A.B. y Collins, T.M.

(2001). U.S. Patente No. US006217927B1. United States Patent Office.

[14] Town, R.H. (1967). U.S. Patente No. 33261412. United States Patent Office.

[15] Pontzer, D.; Kashulines, P.T. Jr.; Crossley, B. y Collins, T. (2010). U.S. Patente No.

US20100021596A1. United States Patent Office.

[16] Incropera, F., DeWitt, D. (1999). Fundamentos de transferencia de calor, 4. Ed.

Mxico: Prentice Hall.

41

ANEXOS

42

ANEXO A: Patentes

48

ANEXO B: Clculos

49

Clculos de calor transferido a los cilindros formadores:

Propiedades del aire a 20C [18]

Balance de energa en el chocolate:

Sustituyendo los valores obtenemos la cantidad de calor que debe retirarse del chocolate:

A continuacin se busca el calor absorbido del ambiente:

Calculo del coeficiente de conveccin ha considerando conveccin libre debido a la baja

velocidad rotacional de los cilindros.

Los valores de C y n se obtuvieron dela tabla 9.1 del Incropera [18]

50

El resultado obtenido es duplicado debido a que son dos cilindros

Finalmente se calcula el calor total a retirar mediante la suma de ambos calores.

Este valor representa el mnimo necesario para llevar a cabo el proceso, pero el fabricante

espaol emplea un compresor de 26 HP para el chiller y a pesar de que ellos enfran por

separado y luego bombean hacia los cilindros, la diferencia es muy grande. Debido a esto

se sugiere tomar un factor de seguridad alto y se propone un equipo de mayor potencia a la

calculada.

Clculos de calor para el tnel de enfriamiento:

Calor absorbido del chocolate:

De nuevo este valor es el mnimo, y considerando que el tnel esta aislado del ambiente.

Considerando el compresor de 7,5 HP empleado por el fabricante espaol para el tnel de

enfriamiento, la diferencia es muy grande, por lo que se sugiere seleccionar un equipo que

no solo cumpla las exigencias calculadas sino que tambin las exceda.

51

Clculos para el sistema de transmisin de potencia:

A continuacin una representacin grfica simplificada del problema (Figura 3)

Figura 3. Modelo simple del sistema de transmisin de potencia.

Del grafico anterior se conocen los siguientes valores:

El objetivo es que los dos cilindros tengan la misma velocidad tangencial, lo cual es

expresado de la siguiente manera:

52

Si Rm2 = Re1 = Re2, Entonces:

Conociendo los datos de la rueda dentada m2:

Se calcula el modulo de la rueda dentada y a partir del mismo conseguimos el numero de

dientes de la rueda dentada m1 para lograr que las velocidades tangenciales de los cilindros

formadores y los rodillos de la banda sean iguales

El nmero es redondeado y se compra una rueda dentada de 20 dientes.

53

ANEXO C: Planos

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