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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MOLDES PARA LA FABRICACIÓN DE COJINERIA
Y ESPALDAR EN ESPUMA DE POLIURETANO PARA ASIENTOS DE BUSES
INTERMUNICIPALES
JHON REINALDO GUERRERO PÁRRAGA
COD: 20151375025
RONALD EDGAR VEGA CASTILLO
COD: 20151375010
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2017
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MOLDES PARA LA FABRICACIÓN DE COJINERIA
Y ESPALDAR EN ESPUMA DE POLIURETANO PARA ASIENTOS DE BUSES
INTERMUNICIPALES
JHON REINALDO GUERRERO PÁRRAGA
COD: 20151375025
RONALD EDGAR VEGA CASTILLO
COD: 20151375010
Proyecto de grado para optar al grado de Ingeniero Mecánico
PRESENTADO A:
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2017
TABLA DE CONTENIDO
pág.
RESUMEN 14
INTRODUCCIÓN 15
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 16
2. OBJETIVOS 17
2.1 OBJETIVO GENERAL 17
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 17
3. MARCO TEÓRICO 18
3.1 ESPUMA DE POLIURETANO 18
3.1.1. Propiedades físicas de la espuma de poliuretano 19
3.1.2. Química de la espuma de poliuretano 20
3.1.3. Isocianato y tipos de isocianatos 22
3.1.4. Poliol 24
3.2 TIPOS DE POLIURETANOS 25
3.3 USOS DEL POLIURETANO Y SUS APLICACIONES 27
3.4 RIM (MOLDEADO POR INYECCIÓN REACTIVA) 28
3.4.1. Molde para moldeo por inyección reactiva RIM 30
3.5 ASPECTO PARA EL DISEÑO DE MOLDES 30
3.6 ASPECTOS FUNDAMENTALES EN LA CONSTRUCCIÓN DE MOLDES 32
3.7 MOLDE DE DOS PLACAS 33
3.8 SELECCIÓN DE MATERIALES PARA MOLDES 34
3.8.1. Aleaciones de aceros para moldes 34
3.8.2. Moldes en aluminio 35
3.9 ETAPAS DE FABRICIACIÓN DE UN MOLDE 36
4. METODOLOGÍA 37
4.1 DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA 37
4.1.1. Primera etapa: Análisis de los moldes actuales 37
4.1.2. Segunda etapa: Propuesta de mejora 44
4.1.3 Tercera etapa: Diseño mecánico 45
4.2 DISEÑO DE LAS PIEZAS 45
4.2.1. Diseño del cojín ejecutivo 47
4.2.2. Diseño del espaldar Valencia 51
4.3 DISEÑO DE LOS MOLDES 55
4.3.1. Diseño tapa y cavidad molde cojín ejecutivo 57
4.3.2. Diseño de la cavidad del espaldar Valencia 65
4.3.3. Diseño de la tapa móvil del espaldar Valencia 68
4.3.4. Circuito neumático de apertura y cierre de los moldes 73
4.4 DISEÑO DE LA ESTACIÓN DE TRABAJO 81
4.4.1. Diseño Mesa de trabajo para el porta moldes 81
4.4.2. Estructura jaula de soporte molde cojín 95
4.4.3. Cálculos para las bisagras en el molde del cojín 98
4.4.4. Diseño para el mecanismo de palanca para la
articulación cojín 103
4.4.5. Cálculo de los tornillos para la palanca soporte
articulación molde cojín 112
4.4.6. Análisis del soporte para el cilindro que abre y
cierra el molde del espaldar Valencia 119
4.4.7. Estructura jaula soporte del molde espaldar Valencia 127
4.4.8. Cálculos para bisagras en el molde del espaldar Valencia 131
4.5 CUARTA ETAPA: CONSTRUCCIÓN 148
4.5.1. Fundición 149
4.5.2. Mecanizado 150
4.5.3. Construcción de la estación de trabajo y estructura
de los moldes 153
4.5.4. Montaje neumático 153
4.6 QUINTA ETAPA: PUESTA EN MARCHA 155
5. RESULTADOS 160
5.1 CAPACITACIÓN 160
5.2 CALIDAD DEL PRODUCTO 160
6. CONCLUSIONES DEL PROYECTO 167
BIBLIOGRAFIA 168
ANEXOS 173
LISTA DE TABLAS
pág.
Tabla 1 Peso de las piezas inyectadas. 40
Tabla 2 Puesta a punto de los moldes. 41
Tabla 3 Tiempo de operación por día de trabajo 41
Tabla 4 Requerimientos y parámetros. 30
Tabla 5 Condiciones para el molde. 56
Tabla 6 Elementos neumáticos requeridos para el molde. 80
Tabla 7 Dimensiones de las roscas ISO series de paso y finos. 113
Tabla 8 Especificaciones para pernos métricos de acero. 114
Tabla 9 Relación de peso. 161
Tabla 10 Proceso de puesta a punto de moldes. 161
Tabla 11 Tiempo de operación obtenido por día de trabajo. 163
Tabla 12 Requisitos de la empresa. 164
Tabla 13 Requisitos dimensionales. 165
Tabla 14 Materiales a usar. 166
LISTA DE FIGURAS
pág.
Figura 1. Nomenclatura química de la espuma de poliuretano. 19
Figura2. Reacción de polimerización o gelación. 21
Figura 3. Reacción de soplado. 22
Figura 4. Ejemplos de tipos de isocianatos. 23
Figura 5. Moléculas de isocianatos. 24
Figura 6. Sistema de inyección de poliuretano. 29
Figura 7. Aspectos fundamentales en la construcción de un molde. 31
Figura 8. Molde de dos placas. 34
Figura 9. Ficha de operación del proceso actual de inyección
de espuma para el cojín. 39
Figura 10. Ficha de operación del proceso de inyección espaldar
Valencia. 39
Figura 11. Dimensiones las sillas. 46
Figura 12. Dimensiones mínimas y rangos permitidos de
las sillas para toda clase de vehículos. 46
Figura 13. Medición de la espuma con deformidades. 47
Figura 14. Datos del material del cojín. 48
Figura 15. Valor de la masa del cojín en Solid Edge. 50
Figura 16. Proceso scanner 3D. 51
Figura 17. Proceso de digitalización scanner 3D. 52
Figura 18. Logotipo del programa Geomagic Desing X. 52
Figura 19. Valores de masa y volumen del
nuevo espaldar en Solid Edge. 55
Figura 20. Espesor crítico de la tapa fija del molde del cojín. 58
Figura 21. Pieza importada. 59
Figura 22. Diseño del perfil de cierre. 59
Figura 23. Distribución para la tapa. 60
Figura 24. Separación de la tapa. 60
Figura 25. Construcción del bloque. 60
Figura 26. Trazo de separación. 61
Figura 27. Formación de la cavidad y de la tapa. 61
Figura 28. Corte interno a 60 mm. 62
Figura 29. Obtención de la tapa. 62
Figura 30. Redondeos en los bordes. 63
Figura 31. Diseño 3D de la cavidad del cojín y la Tapa móvil. 63
Figura 32. Propiedades masa y volumen cavidad fija del molde cojín. 64
Figura 33. Propiedades masa y volumen tapa móvil del molde cojín. 64
Figura 34. Espesor crítico de la tapa fija del espaldar Valencia. 65
Figura 35. Espesor crítico de la tapa móvil del espaldar Valencia. 69
Figura 36. Propiedades masa y volumen cavidad fija
del molde espaldar Valencia. 72
Figura 37. Propiedades de masa y volumen de
la tapa móvil del espaldar Valencia. 73
Figura 38. Ábaco para hallar la fuerza del cilindro. 75
Figura 39. Circuito neumático para el cojín y para el espaldar Valencia. 78
Figura 40. Montaje a nivel laboratorio para el circuito
neumático del cojín. 79
Figura 41. Montaje a nivel laboratorio para el circuito
neumático del espaldar Valencia. 79
Figura 42. Diagrama de carga distribuida para la estructura. 81
Figura 43. Diagrama de cuerpo libre para la estructura. 82
Figura 44. Diagrama de fuerzas cortantes y diagrama de momento flector
para las cargas de la estructura tubular. 83
Figura 45. Medidas principales de la mesa porta moldes. 85
Figura 46. Esquema CAD de la mesa porta moldes. 85
Figura 47. Base soporte para el actuador. 86
Figura 48. Ubicación del soporte en la mesa. 86
Figura 49. Estructura terminada. 87
Figura 50. Diagrama de cuerpo libre de la platina cuando
el molde está abierto. 88
Figura 51. Diagrama de fuerzas en cortante y momento flector. 89
Figura 52. Diagrama de cuerpo libre de la platina cuando
el molde está cerrado. 90
Figura 53. Diagrama fuerza cortante momento flector. 91
Figura 54. Ubicación de la fuerza en el soporte. 93
Figura 55. Aplicación de la fuerza. 94
Figura 56. Valores máximos de esfuerzo. 94
Figura 57. Jaula para la placa fija molde del cojín. 95
Figura 58. Ensamblaje de la jaula con la placa fija. 96
Figura 59. Masa del molde con la jaula. 96
Figura 60. Jaula para la placa móvil molde cojín. 97
Figura 61. Ensamblaje de la tapa móvil del molde del
cojín con la jaula. 97
Figura 62. Masa del molde con la jaula. 98
Figura 63. Diagrama de cuerpo libre para la tapa del cojín,
para las bisagras. 99
Figura 64. Bisagras y bujes para apertura. 101
Figura 65. Diámetros de los bujes y la bisagra. 102
Figura 66. Posición de las bisagras. 102
Figura 67. Verificación de apertura. 103
Figura 68. Estructura sin palanca de apertura. 103
Figura 69. Ubicación de la base del cilindro neumático. 104
Figura 70. Líneas de movimiento del cilindro neumático. 104
Figura 71. Construcción de líneas para la palanca. 105
Figura 72. Diagrama de cuerpo libre para la palanca. 105
Figura 73. Posible lugar de falla. 107
Figura 74. Elemento de estado de esfuerzo. 107
Figura 75. Sección trasversal. 109
Figura 76. Palanca terminada. 110
Figura 77. Posicionamiento de la fuerza. 110
Figura 78. Valores obtenidos por la simulación. 111
Figura 79. Ensamblaje de la palanca. 112
Figura 80. Ensamblaje final con el actuador neumático vista general y
vista lateral. 112
Figura 81. Esquema CAD de la mesa porta moldes. 119
Figura 82. Diagrama de cuerpo libre de la platina cuando
el molde está abierto. 120
Figura 83. Diagrama de fuerza cortante y diagrama
de momento flector. 121
Figura 84. Diagrama de cuerpo libre para la base del cilindro neumático
del espaldar Valencia cuando está cerrado. 122
Figura 85. Diagrama fuerza cortante y diagrama de momento flector. 124
Figura 86. Ubicación de la fuerza en el soporte. 125
Figura 87. Aplicación de la fuerza. 126
Figura 88. Valores máximos de esfuerzo. 126
Figura 89. Jaula de la placa fija del molde. 127
Figura 90. Ensamblaje de la jaula con la tapa fija. 128
Figura 91. Masa del molde con la jaula. 129
Figura 92. Jaula para la placa móvil del molde espaldar. 130
Figura 93. Ensamblaje de la jaula con la tapa móvil. 130
Figura 94. Masa del molde con la jaula. 131
Figura 95. Diagrama de cuerpo libre para la tapa del molde espaldar
Valencia, para las bisagras. 132
Figura 96. Ubicación de la bisagra. 134
Figura 97. Ubicación de las bisagras. 135
Figura 98. Verificación de apertura. 135
Figura 99. Ensamblaje del molde sobre la estructura. 136
Figura 100. Construcción de líneas para la palanca. 136
Figura 101. Diagrama de cuerpo libre de la palanca. 137
Figura 102. Posible lugar de falla. 139
Figura 103. Elemento de estado de esfuerzo. 139
Figura 104. Sección área trasversal. 140
Figura 105. Palanca terminada. 141
Figura 106. Ubicación de la fuerza. 142
Figura 107. Simulación realizada. 143
Figura 108. Ensamblaje final con el actuador neumático vista general
y vista lateral. 148
Figura 109. Cuba de fundición. 149
Figura 110.Fundición vertida en el molde. 150
Figura 111. Desmoldado de los bloques. 150
Figura 112. Centro de mecanizado. 151
Figura 113. Inicio de mecanizado. 151
Figura 114. Molde cojín del mecanizado. 152
Figura 115. Molde espaldar Valencia. 152
Figura 116. Proceso de lapeado. 153
Figura 117. Proceso de ensamblado del molde del cojín. 154
Figura 118. Proceso de ensamblado del molde
del espaldar Valencia. 154
Figura 119. Prueba de apertura y cierre. 155
Figura 120. Manejo del molde. 159
Figura 121. Vertido de la espuma con el cabezal de inyección. 157
Figura 122. Accionamiento de la válvula de pedal para cerrar. 157
Figura 123. Cierre del gancho de seguridad. 158
Figura 124. Apertura del molde. 158
Figura 125. Muestras de la espuma terminada. 159
Figura 126. Comprobación peso. 159
14
RESUMEN
En el presente trabajo de grado, se muestran los pasos seguidos para el diseño y la
construcción de moldes en aluminio, en donde inyectando espuma de poliuretano se
obtiene un componente fundamental en la fabricación de una silletería para pasajeros
de buses intermunicipales en la empresa Súper Tapiautobus & CIA. LTDA.
Los dos moldes diseñados y construidos son: Producto espuma Cojín Ejecutivo y
espuma modelo Espaldar Valencia; también, se diseñó y construyó una estructura para
poder soportar y mover los moldes en una estación de trabajo, donde se incorporó un
sistema de apertura y cierre con válvulas mediante cilindros neumáticos. Los dibujos se
hicieron ayudados por el programa CAD de SOLID EDGE ST8, para la parte de
neumática se utilizó Festo Pneumatics FLUIDSIM V4.2. Para el espaldar Valencia se
hizo un proceso de ingeniería inversa con escáner láser 3D.
El diseño y construcción de estos moldes se dio para ayudar a mejorar la producción
que se tenía en la empresa Súper Tapiautobus & CIA. LTDA mejorando tiempos del
ciclo de inyección que bajaron en 7%, la producción diaria aumento 50% para
espaldares y para los cojines aumento 15%. Además se resuelven problemas de
calidad presentes cuando se usa la inyección de poliuretano y aumentar la versatilidad
del producto, dando paso a la creación de nuevos modelos. Los diseños de los moldes
son conformes a la norma NTC 5206 VEHÍCULOS PARA EL TRANSPORTE
TERRESTRE PÚBLICO COLECTIVO Y ESPECIAL DE PASAJEROS. REQUISITOS Y
MÉTODOS DE ENSAYO.
15
INTRODUCCIÓN
El diseño de los moldes para el conformado de espumas en la industria automotriz es
un tema con poco estudio, pero se ha encontrado la suficiente información para
determinar que dichos moldes son esencialmente de dos placas, facilitando el desmoldé
de los elementos que allí se trabajen. Para comenzar con el diseño del molde se deben
tener en cuenta factores como la presión de la espuma al reaccionar químicamente, la
velocidad de corte al momento de mecanizar el molde, el material de construcción del
molde entre otros.
Con esta investigación se mostrará todo aquello relacionado con la espuma de
poliuretano, el método de moldeo por inyección reactiva RIM que se utilizará en la
mezcla de los componentes y los diferentes pasos para el diseño como lo son los
materiales del molde, dimensiones, capacidad de cierre y todo aquello que involucre
entradas y salidas de diseño de moldes para espuma de poliuretano.
16
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Este proyecto se crea gracias a la necesidad que tiene la empresa Súper Tapiautobus &
CIA. LTDA con el fin de renovar el proceso que involucra la fabricación de las espumas
para el cojín y el espaldar de las sillas, viéndose forzada a mejorar los moldes
reemplazando las molduras de carcaza en resina y fibra de vidrio por otros en cuerpo
de metal para evitar deformaciones en las espumas, para así reducir las demoras y las
pérdidas en el proceso de fabricación. Actualmente la empresa cuenta con una serie de
moldes de cojines y espaldares en la fabricación de silletería para buses de tipo urbano
o intermunicipal. Dichos moldes están fabricados en materiales como fibra de vidrio y
resinas, trabajan en días hábiles 10 horas aproximadamente; su vida útil actual es de 8
años.
En este momento, ya por el tiempo que llevan trabajando los moldes presentan
desgaste, lo cual se ve reflejado en desperdicios de material, la forma de la espuma no
es simétrica ni uniforme. Por esta razón, se decide tomar el modelo de cojín Ejecutivo y
espaldar Valencia, que son los modelos propios de la empresa que actualmente están
en mayor producción, ya que estos moldes presentan grietas, rebabas excesivas,
aumentos de los tiempos de producción, las operaciones de apertura y cierre de moldes
se realiza mediante clamps (ganchos de sujeción) manuales, son moldes que no
conservan el calor además necesitan calentarse constantemente con una antorcha,
para hacer más efectiva la reacción y el desmolde de la pieza.
Es por este motivo que se pensó en el diseño y construcción de un nuevo molde en
aluminio, en un banco de trabajo con apertura y cierre del molde mediante
accionamientos neumáticos, y será el inicio para la creación de una nueva línea de
producción moderna y brindando una mejor calidad, con respecto a cómo se trabaja en
la actualidad en la empresa. Con esto se busca que ayudar a cubrir las necesidades y
se obtenga una espuma de mejor calidad, acabados sin rebabas, densidades estables
en toda la contextura de la espuma, mejorar el desmolde de la pieza, mejorar tiempos
de producción.
17
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
Diseño y construcción de molde para la fabricación de los cojines y espaldares en
espuma de poliuretano usados en las sillas de buses urbanos e intermunicipales.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Definir los parámetros de diseño del molde.
Diseño del molde y módulo estructural para apertura y cierre.
Fabricación del molde y modulo estructural.
Pruebas al conjunto construido y ensamblado.
18
3. MARCO TEÓRICO
3.1 ESPUMA DE POLIURETANO
La Espuma de Poliuretano (PUR) es un material sintético y duroplástico, altamente
reticulado y no fusible, que se obtiene de la mezcla de dos componentes generados
mediante procesos químicos a partir del petróleo y el azúcar: el Isocianato y el Poliol1.
La espuma de poliuretano es un material sólido que puede ser poroso dependiendo de
la densidad del mismo. La porosidad se genera por la presencia de gas debido a la
reacción de agentes soplantes como el agua, que reacciona por los grupos Isocianato
generando ácido cámbrico, que de forma espontánea libera CO2 o cuando se adiciona
un agente físico que se evapora2. Los poliuretanos pueden ser flexibles o rígidos. Por lo
tanto, son tremendamente versátiles.
Los poliuretanos lineales, obtenidos a partir de dioles (compuesto químico que contiene
dos grupos hidroxilo) y diisocianatos (compuesto químico que contiene dos grupos
cianatos (-N=C=O) y que poseen características magnificas para ser polimerizados),
tienen también interés industrial y aplicaciones en la fabricación de fibras sintéticas.
1 HONEYWELL INTERNACIONAL, El Aislamiento y el PUR. Características y aplicaciones. Disponible en
<http://www.saizmartinez.es/pdf/caracteristicas-aplicaciones.pdf >
2 JHON OCAMPO GONZALEZ. “Criterios de formulación de espumas flexibles de poliuretano MDI
basados en la evaluación cualitativa de propiedades finales realizadas a nivel laboratorio”. Universidad
Nacional de Colombia, facultad de ingenierías, departamento de ingeniería química. Bogotá D.C.
Colombia, 2012.
Disponible en <http://www.bdigital.unal.edu.co/8530/1/293747.2012.pdf >
19
Figura 1. Nomenclatura química de la espuma de poliuretano.
Fuente: FRANCISCO BLANCO ALVARES 3
La mezcla de POLIOL e ISOCIANATO, que son líquidos a temperatura ambiente,
produce una reacción química exotérmica. Esta reacción química se caracteriza por la
formación de enlaces entre el Poliol y el Isocianato, consiguiendo una estructura sólida,
uniforme y muy resistente. Si el calor que desprende la reacción se utiliza para evaporar
un agente soplador, se obtiene un producto rígido que posee una estructura celular, con
un volumen muy superior al que ocupaban los productos líquidos4.
3.1.1. Propiedades físicas de la espuma de poliuretano
Las propiedades físicas críticas de una espuma flexible de poliuretano son: la densidad,
la dureza, la resiliencia, la resistencia al desgarre y la deformación permanente. Ellas
constituyen, junto con una adecuada procesabilidad, los criterios fundamentales para
seleccionar su debida formulación.
En casos específicos la permeabilidad relativa del aire, la elongación y la resistencia a
la tracción juegan un papel importante. La densidad está determinada por los agentes
de soplado presentes en la formulación.
El agente primario de expansión es el dióxido de carbono, generado durante la reacción
química entre el Poliol y el Isocianato. También se emplean otros agentes soplantes
3 FRANCISCO BLANCO ALVARES. “Materiales Poliméricos de Mayor Interés Industrial”. Universidad de
Oviedo. pág. 231 4 Asociación de Instaladores De Aislamiento AISLA, Asociación de la Industria del poliuretano Rígido.
LIBRO BLANCO DEL POLIURETANO INYECTADO Y PROYECTADO. España 2016. Disponible en
<http://impimur.com/PUR.pdf >
20
externos, como el cloruro de metileno, pues es un agente que se caracteriza por tener
un bajo punto de ebullición y se evapora gracias al calor liberado de la reacción de
polimerización. Naturalmente, cuanto mayor sea la expansión, menor será la densidad
de la espuma.
La dureza de la espuma depende fundamentalmente de la cantidad de ureas
presentes en el polímero y, en menor grado, de la presencia de estructuras de
alofanatos y biuretas. Al aumentar el nivel del agua en la formulación se incrementa la
dureza de la espuma como consecuencia de la formación de agregados de urea, pero
al mismo tiempo se reducen otras propiedades críticas, principalmente la deformación
permanente. Al aumentar la cantidad de agentes externos de expansión además del
dióxido de carbono resulta en una disminución de la dureza5.
3.1.2. Química de la espuma de poliuretano
Los poliuretanos se sintetizan a partir de la reacción exotérmica de moléculas que
contienen al menos dos grupos Isocianato (N=C=O) con moléculas que contienen
átomos activos de hidrógeno, de las cuales las más populares son los polioles cuya
estructura tiene entre dos y ocho hidroxilo (OH). El grupo isocianato reacciona con los
átomos de hidrógeno unidos a átomos más electronegativos que el carbono.
Un número relativamente limitado de isocianatos y polioles se requiere para satisfacer
las necesidades de propiedades físicas y químicas y las condiciones de desempeño
requeridas en un sector productivo determinado. El uso adecuado de distintos tipos de
catalizadores, tenso-activos y otros aditivos, permite la síntesis del polímero justo en el
momento de la manufactura en el cual se desea incorporar, optimizando el ciclo de
procesamiento y facilitando la producción a gran escala.
5 REVISTA PALMAS. “Los polímeros de poliuretano y la industria colombiana: una oportunidad para el
aceite de palma” Vol. 28 No. Especial, Tomo 2, 2007. Página(s) 35 – 42. Miguel W Quintero, Alejandro
Boyacá, José Rodrigo Gómez.
Disponible en <http://publicaciones.fedepalma.org/index.php/palmas/article/view/1288 >
21
De acuerdo con los tipos de isocianatos empleados (aromático o alifático) y poliol
(poliéter o poliéster), se obtienen materiales de muy distintas características: espumas
flexibles, rígidas, elastómeros termoestables y termoplásticos, adhesivos,
recubrimientos, sellantes, tintas, fibras y materiales compuestos.
La formación de la espuma es un proceso complejo que envuelve la acción física de
diversos agentes y dos reacciones químicas fundamentales, a saber, la polimerización y
el soplado.
La reacción denominada de “gelación” ocurre entre los grupos isocianato e hidroxilo, y
constituye un proceso de polimerización por etapas, del cual resulta un polímero
entrecruzado. La reacción se llama “de soplado” la cual tiene lugar entre dos grupos de
Isocianato y una molécula de agua, generándose dióxido de carbono y un polímero de
urea6.
Figura 2. Reacción de polimerización o gelación.
Fuente: REVISTA PALMAS7
6 REVISTA PALMAS. “Los polímeros de poliuretano y la industria colombiana: una oportunidad para el
aceite de palma” Vol. 28 No. Especial, Tomo 2, 2007. Página(s) 35 – 42. Miguel W Quintero, Alejandro
Boyacá, José Rodrigo Gómez.
Disponible en <http://publicaciones.fedepalma.org/index.php/palmas/article/view/1288 >
7 REVISTA PALMAS. “Los polímeros de poliuretano y la industria colombiana: una oportunidad para el aceite de palma” pág. 36
22
Figura 3. Reacción de soplado.
Fuente: REVISTA PALMAS8
3.1.3. Isocianato y tipos de isocianatos
Los isocianatos son compuestos orgánicos que contienen en su molécula el grupo –
N=C=O unido al radical alifático o aromático. Entre los aromáticos más utilizados se
destaca el toluendiisocianato (TDI) y comercializado normalmente como una mezcla de
isómeros 2,4 y 2,6. Destaca también el Diisocianato Bismefil Metileno (MDI) y el 1,6-
hexametildiisocianato (HDI), Isofora diisocianato, etc. Los isocianatos reaccionan
espontáneamente con una gran variedad de compuestos que contengan átomos de
hidrógeno activos, como alcoholes o aminas.
En la actualidad, los isocianatos se utilizan frecuentemente no como tales, sino como
pre polímeros, en forma de estructuras más complejas que reaccionan más suavemente
que los monómeros y presentan presiones de vapor más bajas9. Los tipos de
8 REVISTA PALMAS. “Los polímeros de poliuretano y la industria colombiana: una oportunidad para el aceite de palma” pág. 37
9ASEPEYO Mutua de accidentes de trabajo y enfermedades profesionales, RIESGOS DE EXPOSICION
A ISOCIANATOS. España 2005.
23
isocianatos que se encuentran son: Isocianatos alifáticos e Isocianatos aromáticos
que son los de mayor empleo en la industria del poliuretano. Los alifáticos son utilizados
principalmente para recubrimientos y elastómeros especiales y los aromáticos son
utilizados para la producción de espumas y la mayoría de elastómeros, en la figura se
ven los dos tipos de moléculas de isocianatos.
Figura 4. Ejemplos de tipos de isocianatos.
Fuente: JHON OCAMPO GONZALEZ10
El Metil Difenil Diiisocianato (MDI) y el Toluendiisocianato (TDI), que se ven en la figura,
ambos son isocianatos aromáticos, son los productos que dominan el mercado para la
producción de espumas de poliuretano.
10 JHON OCAMPO GONZALEZ. “Criterios de formulación de espumas flexibles de poliuretano MDI
basados en la evaluación cualitativa de propiedades finales realizadas a nivel laboratorio” pág.12
24
Figura 5. Moléculas de isocianatos.
Fuente: JHON OCAMPO GONZALEZ11
3.1.4. Poliol
El poliol, también es denominado polialcohol o glicol, es un compuesto químico que se
utiliza principalmente en la industria alimentaria. Sirve para la fabricación de
edulcorantes como el sorbitol, el xilitol o el manitol es muy poco tóxico y contiene menos
calorías que el azúcar de esa aun teniendo un sabor parecido12. La palabra poliol
significa “muchos grupos OH”, tal que un Poliol es aquella molécula que tiene en su
estructura dos o más grupos hidroxilos, con pesos, moleculares incluso mayores a 10
000. Se dividen en dos principales clases: los Polioles poliéter y los Polioles poliéster.
Un 90% de los polioles utilizados en la actualidad son a base de poliéter. Los polioles se
caracterizan por su funcionalidad, el índice de hidroxilo (número de OH en mg de
KOH/g), su peso molecular y su contenido de óxido de etileno.13
11 JHON OCAMPO GONZALEZ. “Criterios de formulación de espumas flexibles de poliuretano MDI
basados en la evaluación cualitativa de propiedades finales realizadas a nivel laboratorio” pág.12 12 POLIOL-Definición. Disponible en <http://static.ccm2.net/salud.ccm.net/faq/pdf/poliol-definicion-15773-
mw976z.pdf >
13 JHON OCAMPO GONZALEZ. “Criterios de formulación de espumas flexibles de poliuretano MDI basados en la evaluación cualitativa de propiedades finales realizadas a nivel laboratorio”. Universidad Nacional de Colombia, facultad de ingenierías, departamento de ingeniería química. Bogotá D.C. Colombia, 2012. Disponible en <http://www.bdigital.unal.edu.co/8530/1/293747.2012.pdf >
25
TIPOS DE POLIOLES
Polioles poliéter
Polioles poliéster
Polioles de origen vegetal
3.2 TIPOS DE POLIURETANOS
El poliuretano es una resina sintética que se caracteriza por su escasa permeabilidad a
los gases, alta resistencia química, excelente aislamiento eléctrico.
La espuma de poliuretano se forma básicamente por la reacción química del poliol y el
isocianato, aunque su formulación admite variantes y aditivos. Dicha reacción libera
dióxido de carbono, gas que va formando las burbujas.
El poliuretano se puede formar en tres tipos:
Poliuretano rígido
El poliuretano rígido es un material sintético duroplástico, altamente reticulado
especialmente y no fusible. En densidades habituales, para aislamiento térmico, el
poliuretano contiene solamente una pequeña parte del volumen de material sólido con
una densidad de 30 kg/m3, sólo el 3% del volumen es materia sólida.
La alta capacidad aislante del poliuretano rígido por proyección no se consigue en la
construcción con ningún otro material aislante conocido. Estas características
especiales se deben a la baja conductividad térmica que posee el gas espumante
capturado en el interior de las células cerradas.
Propiedades del poliuretano rígido:
Elevado poder aislante a pesar de utilizar espesores reducidos.
Aplicaciones posibles en un elevado margen de temperaturas.
Peso reducido.
Transformación simple y económica.
26
Propiedades mecánicas elevadas.
Óptima resistencia al envejecimiento.
Estabilidad química y biológica.
Posibilidad de ajustar la resistencia a la compresión y a la flexión.
Ausencia de goteo en caso de incendio.
El uso del poliuretano rígido es utilizado en: aislamiento e impermeabilización de
techos, lozas, muros divisores y acústicos, frigoríficos y bodegas, refuerzos
estructurales paneles, aislamiento de ductos de agua caliente, carrocerías de camiones
y microbuses y como anti-ruidos.
Poliuretano flexible
Esta técnica emplea la dosificación y bombeo simultáneo de las materias primas, las
cuales se preparan en un número de componentes líquidos o caudales que van al
cabezal de mezcla y posteriormente son descargadas como un líquido viscoso que se
esparce sobre una banda transportadora, en donde se da comienzo al crecimiento de la
espuma hasta obtener su altura final o deseada. Sus principales usos son de
acojinamiento en muebles, colchones, interiores de automóviles y bajo alfombras.
Poliuretano moldeable
Es un plástico resistente al desgaste, ofreciendo libertad al diseño necesaria para los
productos de alta tecnología, garantiza una extraordinaria estabilidad dimensional y,
además, se puede hacer su proceso en series reducidas a bajo costo. El poliuretano
moldeable puede en gran variedad de elementos a los que se les deseen dar forma.
El sistema de fabricación del poliuretano moldeable puede ser por medio de espumado
en frío, ya que apenas se libera calor en su reacción, y es utilizado para crear piezas a
partir de moldes.
27
Se puede usar en la sala o industrias muy ruidosas para evitar emisiones acústicas una
fuente de sonido de precisión y resuelve muchos problemas de los emisores de sonido
convencionales14.
3.3 USOS DEL POLIURETANO Y SUS APLICACIONES
El poliuretano tiene utilidad en miles de productos, sirviendo a consumidores, empresas,
la salud, centros de investigación, y fuerzas militares por el mundo. Aplicaciones típicas
de filtración se encuentran en la industria automotriz, electrodomésticos, en el hogar, en
filtros cerámicos, entre otros.
En el área de refrigeración la espuma de poliuretano funciona como aislante térmico
para el control de temperaturas; para que la espuma sea favorable en su uso industrial
cuenta con un agente espumante que por la alta temperatura que se alcanza por la
reacción llena por completo las celdas proporcionando una espuma rígida con un
volumen de casi 35 veces de los componentes al inicio, sirviendo, así como un medio
de aislamiento efectivo en la industria de la refrigeración.
También tiene aplicación con la fabricación de muebles en general, pues la espuma de
poliuretano es un material muy versátil, ya que, según los aditivos y los medios de
fabricación utilizados, se pueden conseguir características muy distintivas y espumas
destinadas a usos variados. Algunos ejemplos de los lugares donde se puede usar en
los muebles como asientos de sofás y sillas, en los asientos de los conductores y
pasajeros del transporte intermunicipal, entre otros15.
14 CYNTHIA LISBET ALONZO GARCIA. “Implementación del sistema de controles de producción para la elaboración
de espuma de poliuretano, para la industria manufacturera”. Universidad San Carlos de Guatemala. Guatemala. 2010. Disponible en <http://biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_2231_IN.pdf >
15 CYNTHIA LISBET ALONZO GARCIA. “Implementación del sistema de controles de producción para la elaboración
de espuma de poliuretano, para la industria manufacturera”. Universidad San Carlos de Guatemala. Guatemala. 2010.
Disponible en <http://biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_2231_IN.pdf >
28
3.4 RIM (MOLDEADO POR INYECCIÓN REACTIVA)
El proceso de moldeo por reacción RIM de inyección trabaja combinando dos
componentes líquidos que reaccionan químicamente en un molde cerrado para formar
una pieza de plástico termoestable. A diferencia de la inyección de termoplásticos que
son procesos que requieren muy altas temperaturas y presiones parar fundir y forzar el
plástico en una herramienta de acero, el proceso de RIM requiere significativamente
menos energía y una fuerza de inyección mínima.
Los líquidos pasan por un generador de calor, y aumentan más su temperatura al
reaccionar químicamente y se polimerizan al interior del molde. Debido a la baja
viscosidad de los líquidos componentes (500-1 500 centipoises) y la baja temperatura
del sistema (90°-150° F), un molde promedio se puede llenar en unos pocos segundos
o menos, a presiones de moldeo de solamente 50-150 psi, y la pieza acabada puede
ser desmoldada en tan solo 60-120 segundos. En realidad, este proceso es la
combinación de un proceso químico y de moldeo, donde las materias primas no son
polímeros, sino reactivos químicos que formaran un polímero al ser moldeado en un
producto terminado.
El moldeo por RIM por lo general emplea la química del poliuretano. Al elegir diferentes
formulaciones químicas, el poliuretano resultante se puede optimizar para la flexibilidad,
la fuerza, la dureza de la superficie, resistencia al desgaste, amortiguación del sonido/
vibración, aislamiento térmico y resistencia al fuego.
La baja presión permite que las tapas de los moldes puedan ser mecanizadas en
aluminio a bajos costos, los tiempos de entrega son más cortos. En general el proceso
RIM puede ofrecer a los diseñadores e ingenieros libertad en los diseños del molde al
tiempo que proporciona una parte de estabilidad de las tolerancias a un costo
relativamente bajo16.
16 EXO EXOTHERMIC REACCTION INYECTION MOLDING. “Determining the right molding process for part design how rim molding advantages compare with traditional production technologies”. Disponible en <http://exothermic.com/resources/white-papers/ >
29
Figura 6. Sistema de inyección de poliuretano.
Fuente: BAYERN MATERIAL 17
Por otro lado, ya que el material se formula con agentes espumantes expande dentro de
un molde, requiriendo fuerzas de cierre bastante bajas (7 kg/cm2) en RIM solo requiere
de 50 ton de fuerza de cierre, lo cual es un valor bastante bajo comparado con los
valores de 2 000 a 3 500 ton que se utilizan en un modelo convencional18.
17 BAYERN MATERIAL SICENCE Engineering Polyurethanes RIM Part and Mold Design Guide. Pág. 6
18 MANUEL CABALLERO ÁGULA. “Manual de inyección de plásticos. ciclo de operaciones de transformación de plástico y caucho”. Disponible en <http://docplayer.es/8551538-Manual-de-inyeccion-de-plasticos-ciclo-de-operaciones-de-transformacion-de-plasticoconsejeria de educacions-y-caucho-julio-2010.html >
30
3.4.1. Molde para moldeo por inyección reactiva RIM
En cuanto al molde en este proceso se pueden utilizar distintos tipos de moldes (de
acero, o de aluminio mecanizado, fundición de aluminio, caucho de silicona, resina
epoxi, etc.), no obstante, son los modelos de resina los que se usan con más
frecuencia. Principalmente se realizan moldes para series pequeñas construidos a partir
de un modelo producido mediante métodos de prototipado rápido.
Los moldes pueden ser abiertos o cerrados; en este último caso se obtienen espumas
integrales, cuya densidad puede controlarse variando la concentración del gasificante.
Para obtener un tamaño uniforme de las células o burbujas, debe adicionarse un tenso-
activo que, modernamente, casi siempre es a base de siliconas19.
3.5 ASPECTOS PARA EL DISEÑO DE MOLDES
El diseño del molde va a depender del ingeniero o el diseñador, dependiendo de unas
necesidades básicas de la pieza a realizar, tomando en cuenta aspectos de forma,
materiales y procesos de construcción.
Teniendo en cuenta conceptos como:
Conicidad
La conicidad es un aspecto clave a la hora de extraer la pieza del molde. Esto se debe
a que en estado fluido el material polimérico llena perfectamente el hueco del molde,
pero al solidificar, el material se contrae dificultando la extracción.
19 Escuela de minas, laboratorio de cementos de la universidad de Oviedo, apuntes de clase, asignatura
“MATERIALES POLIMÉRICOS Y COMPUESTOS CAPITULO 8 MATERIALES POLIMERICOS DE
MAYOR INTERES INDUSTRIAL”. Profesor: D. Francisco Blanco Álvarez. (2004-2005).
Disponible En <http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/apunmpyc.htm>
<http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/AP.T8.1MPyC.Tema8.MaterialesPolimericosInteresIndustrial.pdf >
31
Contracción
Conocer la contracción que posee el material es imprescindible a la hora de diseñar el
molde ya que, al enfriarse, el material se contrae y por lo tanto se debe diseñar la pieza
con unas dimensiones ligeramente mayores a las originales.
Redondeos
Evitar las aristas vivas y los ángulos rectos ya que, en estos puntos el fluido generará
turbulencias debido al cambio brusco de dirección. Esto a su vez generará tensiones
que desencadenan en deformaciones y que pueden ocasionar la ruptura de la pieza.
Acabado superficial
Para obtener un buen acabado superficial en la pieza se necesita un buen acabado
superficial en el molde (macho y cavidad). Para ello habrá que llevar a cabo una
fabricación cuidadosa y ajustada. Además, se debe tener en cuenta el material del que
se hará el molde ya que, debido al calor que van a soportar ambas partes, los
elementos aditivos del acero pueden trastocar la pieza20.
20JANIRE FERNANDEZ BARROSO. “Diseño de un molde de Inyección de una pieza plástica”. Escuela de Ingeniería
Técnica industrial de Bilbao. España. 2014. Disponible en https://addi.ehu.es/simple-
search?query=DISE%C3%91O+DE+UN+MOLDE+DE+INYECCI%C3%93N+DE+UNA+PIEZA+PL%C3%81STICA+&
submit=Go
32
3.6 ASPECTOS FUNDAMENTALES EN LA CONSTRUCCIÓN DE MOLDES
Figura 7. Aspectos fundamentales en la construcción de un molde.
Fuente: ESTEBAN JUAN SEJAS ALANOCA21.
21 ESTEBAN JUAN SEJAS ALANOCA. “Manual de diseño de moldes de inyección”. Universidad Autónoma Gabriel Rene Moreno. Bolivia. Pág. 46
33
Para hacer un buen esquema sistemático del diseño de un molde que sea efectivo se
debe tener en cuenta una serie de datos que el esquema de la parte superior brinda
para este proceso o procedimiento.
Dicho esquema brinda información para poder esquematizar el molde, ya que, ayudará
con posibles configuraciones para iniciar el diseño22. Además, se deben tomas
aspectos como:
Dimensiones del molde
La distancia que queda entre las placas fija y móvil, cuando el molde está cerrado
define el espesor del molde que puede utilizarse, mientras el tamaño de los platos o
tapas limita el alto y el ancho del mismo.
El espesor máximo del molde es la distancia máxima que se obtiene entre el plato o
tapa fija y el plato o tapa móvil cuando ce encuentra cerrado el molde.
Tiempo de curado de la espuma de poliuretano
Es el tiempo comprendido entre el final de la aplicación de la inyección o vertido del
material, con el molde abierto y el comienzo del cierre del molde. Es el lapso de tiempo
requerido para asegurar que el material haya solidificado y así poder ser extraído sin
ser distorsionado. Este es el tiempo más largo del ciclo llegando a alcanzar desde el 50
al 85% del ciclo total de producción.
3.7 MOLDE DE DOS PLACAS
Este tipo de molde es el más utilizado en la inyección de espumas, y el vertido de
poliuretano debido a su sencillez de construcción, ya que solo se tiene que mecanizar
el macho y la hembra en las placas pues hay gran variedad de productos que pueden
hacerse en este tipo de moldes.
22 ESTEBAN JUAN SEJAS ALANOCA. “Manual de diseño de moldes de inyección”. Universidad Autónoma Gabriel Rene Moreno. Bolivia. 2012. Disponible en <http://myslide.es/search/?q=Manual+de+dise%C3%B1o+de+moldes+de+inyeccion. >
34
Figura 8. Molde de dos placas.
3.8 SELECCIÓN DE MATERIALES PARA MOLDES
Para asegurar una vida útil del molde es necesario que los materiales usados para la
fabricación tengan buenas propiedades mecánicas y térmicas:
Alta resistencia al desgaste (dureza superficial)
Buena resistencia a la corrosión (agresiones químicas)
Estabilidad dimensional al cambio de temperaturas
Buena conductividad térmica (enfriamiento)
3.8.1. Aleaciones de aceros para moldes
Las aleaciones de acero más utilizadas en la fabricación de moldes, por su buena
resistencia al desgaste y sus múltiples aleaciones posibles. A continuación, se muestran
las aleaciones principalmente utilizadas para los moldes:
Aceros de cementación (pobre en carbono) - dureza y resistencia al desgaste
21MnCr5, X6CrMo4, X19 NiCrMo4
Aceros para bonificación – alta tenacidad y mecanización bonificada
40CrMnMo7, 40CrMnMoS8, 54NiCRMoV6
Aceros para temple integral – estructura homogénea de gran dureza
X45NICrMo4, 90MnCrV8, X210Cr12, X165CrMoV12
35
Aceros de galvanización – resistencia contra la corrosión
X42Cr13, X36CrMo17, X105CrMo17
La aleación se elige según la dificultad del modelado, especialmente la temperatura de
inyectado y el tiempo de enfriamiento permitiendo moldear piezas únicas, respetando
las tolerancias que dio el diseñador23.
Los tratamientos superficiales pueden mejorar varias propiedades del molde:
Mejora la conductividad térmica
Aumenta la resistencia al desgaste
Mejora el deslizamiento para el desmolde
3.8.2. Moldes en Aluminio
La aleación de aluminio-zinc-magnesio-cobre es un material idóneo termo-endurecible
para la fabricación de prototipos, pero también para la fabricación de series pequeñas y
medianas.
Se pueden realizar moldes en aluminio con el fin de reducir costos de fabricación, pero
sus propiedades solo permiten moldear prototipos, series cortas y medianas, o algunas
pruebas para validar el diseño antes de construir el molde de acero definitivo, esto
ofrece como toda una serie de ventajas y desventajas:
Ventajas: bajo precio, reducción de peso, fácil mecanizado, enfriamiento rápido (mejor
conducción térmica).
Desventajas: baja resistencia mecánica, baja resistencia la desgaste, poca rigidez (bajo
módulo de elasticidad), elevado coeficiente de dilatación térmica.
23EMMANUEL RIBERA. “Proyecto diseño de moldes de inyección y prototipado rápido”. Instituto Tecnológico Metalmecánico. España 2005. Disponible en <http://www.aimme.es/archivosbd/observatorio_oportunidades/Proyecto_Moldes_Prototipos_2005.pdf >
36
Las aleaciones en aluminio permiten aumentar la durabilidad de los moldes, mejorando
su resistencia a los cambios de temperatura, su resistencia al desgaste y su rigidez.
Pero esas propiedades mecánicas no igualarían las de los aceros para moldes24.
3.9 ETAPAS DE FABRICACION DE UN MOLDE
Después de definir el diseño del molde, el polímero a verter o a inyectar y los materiales
adecuados para el molde, se tiene que estudiar el método de fabricación de las tapas o
secciones que serán mecanizados independientemente según la complejidad de cada
parte colocándola en una base de tamaño normalizado.
Para fabricar un molde se utiliza una gran variedad de elementos estándar compatibles
con la mayoría de las máquinas disponibles. Estas piezas permiten minimizar las
operaciones de mecanizado y así ganar tiempo sobre la fabricación del molde, lo que
representa un factor importante sobre el tiempo de desarrollo de un producto.
La geometría de la cavidad suele hacerse mediante mecanizado de alta velocidad MAV.
Etapas de mecanizado de la cavidad:
Identificación de las operaciones a realizar, teniendo en cuenta la complejidad de
la geometría, la precisión dimensional y la rugosidad.
La selección de las herramientas que se deben utilizar en función de las
características de la máquina y del proceso de mecanizado.
Descripción secuencial de todas las operaciones de mecanizado, precisando la
profundidad de los pasos para el desbaste y el acabado.
Cálculo de las condiciones de mecanizado y la introducción de parámetros en el
programa de la máquina de control numérico.
Control superficial y dimensional de la pieza construida con los elementos de
medición y verificación adecuados.
Ejecución del mecanizado en el tiempo establecido25
24 HANS GASTROW.” Moldes de inyección 100 casos prácticos”. España: Plasic Comunicación. S.L. Barcelona
Activa, 1998
37
4. METODOLOGÍA
Con el fin de lograr los objetivos propuestos, el proyecto se dividió en 5 etapas
principales.
En la primera etapa se realizó un análisis del proceso actual, observando en detalle
aspectos como calidad de las espumas y tiempo del proceso, también se tuvo a
consideración el esfuerzo físico que tienen que realizar los operarios al abrir y cerrar los
moldes actuales para evitar algún tipo de percance que afecte la integridad del
trabajador.
En la Segunda etapa, luego de identificar los problemas en cada uno de estos aspectos,
se proponen alternativas de solución y se selecciona aquella que tenga mejor impacto.
Ya en la tercera etapa, se procede a realizar el diseño de mejora de la solución
escogida teniendo en cuenta factores de costos, facilidad de ensamble y
mantenimiento.
Como cuarta etapa, se realiza la construcción del elemento o los elementos que
constituyen la solución al problema de la forma de las espumas y rebabas, y ya como
quinta y última etapa, se procede a evaluar la mejora.
4.1 DESARROLLO DE LA METODOLOGÍA
4.1.1 Primera etapa: Análisis de los moldes actuales.
Para la fabricación actual de cojines y espaldares que son partes esenciales de la silla,
la compañía cuenta con moldes de inyección de poliuretano que están elaborados de la
mezcla de resina epóxica con fibra de vidrio, lo cual son materiales ideales para: facilitar
desmolde de la pieza, conservación de la temperatura, soportar cargas de presión
25 EMMANUEL RIBERA. “Proyecto diseño de moldes de inyección y prototipado rápido”. Instituto Tecnológico Metalmecánico. España 2005. Disponible en <http://www.aimme.es/archivosbd/observatorio_oportunidades/Proyecto_Moldes_Prototipos_2005.pdf >
38
internas en la cavidad y bajo peso. Pero al ser moldes de fácil fabricación y bajo costo,
tienen una vida útil muy corta, los mantenimientos son lentos y constantes, se
desgastan rápidamente con el uso y con el paso del tiempo al inyectar se altera la
geometría de la pieza.
Actualmente debido al aumento de producción las piezas cojín ejecutivo y espaldar
Valencia, tienen la mayor demanda, esto hace que se preste atención y se enfoque el
proyecto sobre estas piezas.
El proceso de producción inicia con ubicar y sujetar el molde en la mesa, liberar las
prensas manuales (Clamp), abrir el molde, limpiar la cavidad, calentarlo usando un
soplete o antorcha, hasta llegar a la temperatura de 60ºC, seguido a esto aplicar el
desmoldante, realizar la inyección (depositar cierta cantidad de material en unos
cuantos segundos según lo programado en la máquina), bajar la tapa y asegurar las
prensas de tal forma que la materia prima se adapte a la forma de la cavidad, esperar
un tiempo de curado, liberar las prensas y sacar la pieza de forma manual.
39
Figura 9. Ficha de operación del proceso actual de inyección de espuma para el cojín.
Figura 10. Ficha de operación del proceso de inyección espaldar Valencia.
40
Las imágenes anteriores son los procedimientos de operación para el proceso actual de
fabricación. Observando que, es un proceso de operaciones manuales. En los moldes
actualmente el sobrante de material hace parte de del sello en la cavidad, los cierres se
realizan mediante Clamps en donde el operario a lo largo de la jornada manifiesta
agotamiento en sus brazos. Esto podría decirse que es causa de no obtener una óptima
producción de unidades fabricadas.
Para poder definir parámetros de inyección del nuevo producto, es necesario tener en
cuenta la relación de flujo másico a la cual inyecta la máquina, estos son:
Relación de mezcla actual: 100/65 o 60%-40%
Flujo másico total inyectado: 193.2 g
s
Flujo másico Poliol 117.6 g
s
Flujo másico Isocianato 75.6 g
s
A continuación, en la tabla se observa los pesos actuales de las espumas, para una
relación de mezcla actual de 100/65 con el cual se obtiene una densidad aproximada de
40 Kg/m3.
Tabla 1. Peso de las piezas inyectadas.
Código producto Molde Peso Pieza gr. (solo espuma)
MIE-08 Asiento Ejecutivo 1009 gr
MIE-24 Espaldar Valencia 1034 gr
Fuente. Realizada por los autores
Seguidamente, se observan los tiempos necesarios para la preparación de los moldes
antes de iniciar la operación de inyección.
41
Tabla 2. Puesta a punto de moldes.
OPERACIÓN PREPARACIÓN MOLDE
Pieza Puesta a punto y Calentamiento del molde
60ºC
Nº veces de calentamiento del
molde en el día laboral
Cojín ejecutivo 20 min 2
Espaldar
Valencia 15 min 2
Fuente. Realizada por los autores
Uno de los aspectos importantes percibidos, es el tiempo de operación del molde; en la
tabla se observan tiempos aproximados del proceso de fabricación de las piezas, estos
son definidos teniendo en cuenta los parámetros de la máquina.
Otro aspecto importante es el tiempo de operación del molde, en la tabla 3 se
evidencian los tiempos promedios del proceso en la elaboración de las piezas durante
un día de trabajo. El desarrollo de fabricación de cada pieza es definido teniendo en
cuenta los parámetros de la máquina.
Tabla 3. Tiempo de operación por día de trabajo.
TIEMPOS DE OPERACIÓN RESULTADOS
ACTUALES
Ciclo de inyección
(Aplic. Desmold + T.
iny)
Tiempo
cierre
(Cierre
Clamps)
Permanencia
de cierre
Tiempo
desmolde
(Retirar
clamps y
extraer la
pieza)
Ciclo Total
(Inyección +
desmolde)
Cantidad
es
producid
as X día T.
inyección.
T.
Restante
5,2 s 17,8 s 16 s 5 min 25 s 364 s (6 min) 80 Unid
6,1 s 25,9 s 16 s 5 min 18 s 366 s (6,1 min) 40 Unid
Fuente. Realizada por los autores
Con los datos obtenidos, se puede evidenciar que la operación de calentamiento del
molde es la que mayor tiempo lleva, pues es la puesta a punto antes de empezar la
rutina de trabajo, se espera reducir la cantidad de veces en que se calienta el molde a
solo 1 vez en el día, ya que esta operación se realiza en la mañana y luego que el
42
operario llega de su hora de almuerzo, debido a que el material seleccionado para el
molde deberá conservar más el calor.
Así mismo, durante el ciclo de inyección el valor T. restante representa la preparación
rápida del molde antes de aplicar la colada. Se espera reducir este tiempo con el nuevo
diseño, además de bajar el consumo del desmoldante.
Cabe resaltar que el tiempo de cierre y extracción de la pieza son factores importantes
a tener en cuenta en el nuevo diseño, ya que se evidencian variaciones durante el día
de trabajo del operario, dado por el agotamiento físico y la habilidad del mismo.
Dentro de otras falencias halladas se encuentra la calidad del producto, debido al
desgaste de los moldes generado a través de los años, las piezas presentan
deformidad, esto a causa que los moldes fueron fabricados de manera artesanal por un
modelista, lo cual hace que las piezas no sean simétricas y uniformes.
Además que, por este desgaste presentado, el desmolde se complica y en ocasiones la
pieza queda atrapada y no sale completa o la pieza se daña dentro del molde. También,
es causa del desgaste que los sellos que impiden que la materia prima se salga de su
cavidad, actualmente generan una rebaba o desperdicio por cada pieza fabricada.
Tanto son los desperdicios causados que en promedio cada mes se generan 250Kg de
material sobrante a causa de las rebabas generadas por la producción de espumas y
que no puede ser reutilizado. Este factor deberá tenerse en cuenta para reducir estos
costos de desperdicios.
Con todo lo anteriormente mencionado, para iniciar con el diseño del molde y su
respectiva estructura es necesario definir una serie de parámetros de entrada, que
permitirán dar soluciones de mejora, como se observa.
43
Tabla 4. Requerimientos y parámetros.
PARAMETROS DE DISEÑO
A REQUISITOS DE LA EMPRESA B REQUISITOS
DIMENSIONALES C
MATERIALES A USAR
A1 Reducción en la cantidad de rebabas generadas por cada espuma fabricada.
B1
Las dimensiones de las espumas deben verificarse respecto a la norma NTC 5206 / 2009 numeral 5.9.8
C1
Uso de la espuma de Poliuretano que actualmente se emplea en la compañía como materia prima.
A2 Reducción de tiempos muertos y aumentar la producción de unidades.
B2 Mejorar la calidad de la espuma en cuanto a su forma uniforme.
C2
Se debe usar un material que supla las necesidades encontradas en la fabricación del molde.
A3 Reducción de materia prima utilizada para la fabricación de cada pieza.
B3 Las dimensiones y diseño de las piezas deben ser con base al modelo actual.
C3
Se debe usar materiales de acero estructural para la construcción de todos los elementos que conformaran la estación de trabajo.
A4
Reducción del uso de consumibles utilizados para fabricar las espumas (desmoldante, gas propano)
B4
Las dimensiones de la estructura del porta moldes deben ser útiles para cualquier tipo de molde futuro que se desee fabricar o implementar.
C4
El molde no deberá deformarse por la presión que genera la espuma cuando ocurre la reacción química.
A5
Establecer un nuevo sistema de apertura y cierre para los moldes, que permitan reducir operaciones manuales y a su vez reducir el cansancio del operario.
B5
El nuevo diseño de las espumas, debe mejorar la versatilidad en cuanto a nuevos modelos de tapizados.
C5
El material usado en la fabricación de los moldes deberá conservar el calor y facilitar el desmolde de la pieza.
Fuente. Realizada por autores.
44
4.1.2. Segunda etapa: Propuesta de mejora.
Con el fin de cubrir todos estos percances, se plantea lo siguiente.
Rediseño de las piezas (Cojín y Espaldar) con el fin de que dimensionalmente estén
basados bajo la norma NTC5206. Se hará este rediseño usando herramientas CAD. El
cojín será modelado en 3D desde el inicio, basado en la forma del diseño anterior. Por
otro lado, el espaldar debido a la complejidad de las curvas y formas, se decide solicitar
un servicio de scanner 3D para realizar el modelamiento de la espuma, y
posteriormente realizar los ajustes necesarios de diseño.
Los moldes se fabricarán en fundición de duraluminio, pues es un material que ofrece:
Resistencia al desgaste y Durabilidad.
Conservación del calor.
Bajo costo de fabricación.
Fácil mecanizado
Conservación de su forma y geometría
Se propone este material debido a que actualmente en la industria automotriz se usa
este tipo de moldes por su resistencia, alta durabilidad. Además, por costos para la
empresa. Pues sí se decide de nuevo realizarlo en resina, existe la posibilidad de que el
molde tenga una baja durabilidad, se deformen las cavidades rápidamente y generaría
sobrecostos a corto tiempo. Con esto se garantiza reducir considerablemente costos en
mantenimiento.
Se diseñarán los moldes rígidos, con ajustes de tal forma que evite desperdicios de
material (rebaba), la cavidad será mecanizada en un CNC, lo cual garantiza la
geometría exacta obtenida de los diseños originales. Las cavidades luego del
mecanizado serán sometidas a un proceso de lapeado, con el fin de que el desmolde
sea rápido y evite daños en el producto.
Con el fin de reducir el desgate del operario a la hora de asegurar los moldes, debido a
la fuerza y cantidad de prensas que se deben ajustar por cada molde. Se plantea
realizar una mesa especial (porta molde) en este diseño, en el cual un cilindro
neumático ayudara en la apertura y cierre del molde, y se colocara una prensa más
sencilla, de fácil manejo, que le ayude a generar mayor hermeticidad. Con esto el
45
operario realizará la apertura mediante el accionamiento de una válvula pedal, aplicara
desmoldante en una proporción menor respecto al consumo anterior, se realizara la
inyección, accionara el pedal nuevamente para su cierre y se asegura con la prensa.
Luego de cierto tiempo, se libera la prensa, realiza la apertura, retira la pieza de manera
fácil y rápida, e inicia el ciclo nuevamente.
Valores importantes como: presión generada por la espuma al reaccionar, esfuerzos de
carga, fuerzas de avance y retroceso del cilindro neumático, serán tomados como
información obtenida por parte de fabricantes y de nuestro proveedor de la materia
prima. Pues son necesarios para la fase de modelamiento con el uso del software CAD
Solid Edge.
4.1.3 Tercera etapa: Diseño Mecánico.
Una vez aprobada la propuesta se procede a iniciar con el diseño de las espumas, los
moldes, la estructura de soporte y el sistema de apertura y cierre como se ilustra a
continuación.
4.2 DISEÑO DE LAS PIEZAS.
Como primer paso se toman los productos “Cojín Ejecutivo y Espaldar Valencia” se
realiza la respectiva comprobación dimensional con ayuda de la norma NTC5206. En la
imagen se observa los parámetros dimensionales a tener en cuenta. Se observa que
efectivamente las piezas tienen una leve deformidad en cuanto a simetrías, ángulos
requeridos, radios de las curvas. Con esto se procede a realizar el diseño según lo
establecido en la propuesta.
46
Figura 11. Dimensiones de las sillas.
Fuente. NTC 520626
Figura 12. Dimensiones mínimas y rangos permitidos de las sillas para toda clase de
vehículos.
Fuente. NTC520627
26 NTC 5206 VEHÍCULOS PARA EL TRANSPORTE TERRESTRE PÚBLICO COLECTIVO Y ESPECIAL DE
PASAJEROS. REQUISITOS Y MÉTODOS DE ENSAYO. Pág.33
47
De los datos expuestos en la norma, la compañía se basa de los rangos de medición
establecidos para la categoría Clase III (superior a 19 pasajeros) pues los productos
fabricados están orientados a buses de ocupación de 19 o más pasajeros usados en
viajes intermunicipales, de trayectos largos y que necesitan una buena comodidad
durante el desplazamiento.
Con esto, se procede a tomar una pieza de cada producto, de cierto lote fabricado y
realizando la respectiva inspección.
Figura 13. Medición de la espuma con deformidades.
Observando que efectivamente que las piezas tienen una leve deformidad en cuanto a
simetrías, ángulos requeridos y algunas longitudes, con esto se procede a realizar el
diseño según lo establecido en la propuesta.
4.2.1. Diseño del cojín ejecutivo.
Según lo planeado se inicia el proceso de construcción del modelo en 3D del nuevo
cojín, basados en la pieza original y la norma. Como se observa.
27 NTC 5206 VEHÍCULOS PARA EL TRANSPORTE TERRESTRE PÚBLICO COLECTIVO Y ESPECIAL DE
PASAJEROS. REQUISITOS Y MÉTODOS DE ENSAYO. Pág.32
48
Se inicia el diseño creando un sólido que se ajuste a las dimensiones que se
encuentran en la norma en la NTC5206 (Paso A), verificado esto, se procede a realizar
la construcción de ranuras para el tapizado y generar diseño de detalle (curvas a los
lados, redondeos para suavizar y mejorar la presentación en el paso B).
Figura 14. Datos del material del cojín.
Acabado el diseño, se cargan los valores del material de poliuretano para obtener una
densidad de 40 Kg/m3, allí se observa que el peso aproximado de la pieza será de 1 Kg
y un volumen de 0,025 m3 (pasos C y D), que es muy similar a la espuma que
actualmente fabrica. Con esto, definiendo un nuevo modelo 3D del cojín que cumple
49
con los parámetros de simetría, forma continua y solucionando los problemas hallados
en la revisión.
Antes de dar por finalizado el modelo 3D, se hizo necesario dar una última revisión en
donde se encontró que durante el proceso de ensamble de los cojines, se utilizaba
madera como base para soportar el cojín a la estructura y pegantes, que hoy en día son
factores de riesgo en cuanto a que son elementos inflamables que pueden ser
peligrosos en un vehículo, como se observa.
Es por esta razón que se decide implementar la base cojín soporte plástica de la
compañía en este nuevo diseño, pues trae como ventajas mejorar los tiempos de
producción, ahorro de materia prima, y vitalmente la seguridad pues como la espuma y
el plástico tienen agentes ininflamables.
.
Para continuar con el diseño, se extrae del archivo original de la base cojín soporte
plástica la superficie superior (paso E), se realiza un ajuste obteniendo una superficie
uniforme y limpia (paso F).
50
Posteriormente se incluye la superficie en el modelo 3D, con lo cual se realiza la
extracción de material a la espuma cortes a la pieza como se observa (pasos G, H, I).
Adicionalmente se hacen vaciados a la pieza con el fin de reducir su masa, brindar más
flexibilidad y una respiración a la espuma (pasos J, K).
Figura 15. Valor de la masa del cojín en Solid Edge.
Con esto se logra obtener un nuevo producto que se adapta a la base cojín (paso L) y
además reduce la masa (paso M).
Siendo esto puede observar que la nueva mejora a la espuma tendría un peso
aproximado de 739 gr, teniendo en cuenta la densidad de 40 Kg/m3 y un volumen de
0,018 m3 lo cual evidencia una reducción de masa cerca del 26% respecto a los valores
que se tenían del cojín inyectado en el molde anterior.
51
Lo cual muestra una mejora en el proceso, reduciendo materia prima, mejoraría tiempos
de producción sin perder la forma, funcionalidad, durabilidad y resistencia del producto.
Se deduce que esta espuma podría tener un tiempo de inyección aproximado de 4,25 s,
que da a entender la mejora al ciclo de inyección para esta pieza.
Parámetros propuestos:
Tiempo de inyección de la espuma en el molde del cojín: 4.25 s
Volumen de la cavidad del cojín: 0.0185 𝑚3
Masa del cojín aproximada: 0.739 kg
4.2.2. Diseño del espaldar Valencia.
La empresa SOLTECO - ATEGroup fue la encargada de realizar el proceso de
digitalización con scanner 3D al espaldar Valencia en el cual se usó un scanner portable
HANDY SCAN 700; allí se realizó el barrido de la pieza como se observa, apoyado de
puntos de precisión llamados targets (pasos A, B).
Figura 16. Proceso scanner 3D.
El programa VXElements es la plataforma de software en 3D del scanner HandySCAN,
que permite el funcionamiento de la tecnología de medición y digitalización 3D. Permite
una visualización en tiempo real, ofreciendo una experiencia de digitalización sencilla y
agradable. Allí se crea un archivo escaneado optimizado. Como se observa en los
pasos C y D en donde se observa la pre-visualización de la pieza por una nube de
52
puntos por el software VXElements, orientado bajo los targets que evitan la imprecisión
del scanner.
Figura 17. Proceso de digitalización scanner 3D.
Después el proveedor ajusta el modelo de nube de puntos, exportando los datos al
software Geomagic Desing X y desde allí realiza ajustes a la simetría de la espuma y
sus respectivas verificaciones dimensionales para corroborar que la copia fue correcta,
seguidamente se obtiene un modelo 3D de precisión obtenido de la espuma real.
Figura 18. Logotipo del programa Geomagic Desing X.
Mediante el apoyo software se exporta el sólido al software Solid Edge y se inicia el
rediseño de la pieza (paso A), corrigiendo los problemas encontrados.
53
Inicialmente mediante superficies se ajustan las ranuras para el tapizado (paso B), pues
en la mayoría de las veces las limitaciones de variación de modelos de sillas, dependen
de las formas de tapizado, con esto se abre la posibilidad de la creación de nuevos
modelos.
Como siguiente paso se realiza un ajuste en la parte posterior del espaldar de tal forma
que se obtenga una espuma más delgada y atractiva (paso C, D, E). Además, que
ayuda a que el pasajero tenga más espacio respecto a la silla de adelante y estén más
cómodas sus piernas.
54
Finalmente, se obtiene una pieza mejorada (Paso F y G) que cumple lo requerido en
cuanto a la uniformidad de la pieza, simetría, abierta a nuevos modelos y al cargar los
valores del material de poliuretano para obtener una densidad de 40 Kg/m3, viendo que
el peso aproximado de la pieza será de 824 gr. y un volumen de 0,020 m3, como se
observa.
55
Figura 19. Valores de masa y volumen del nuevo espaldar en Solid Edge.
Lo cual muestra que la masa tiene una reducción de cerca del 20.2%. Además, se
puede incluir también que esta espuma podría tener un tiempo de inyección aproximado
de 4,87s, que da a entender la mejora al ciclo de inyección para esta pieza.
Parámetros propuestos:
Tiempo de inyección de la espuma en el molde del Espaldar Valencia: 4.87s
Volumen de la cavidad del Espaldar: 0,0206 𝑚3
Masa del cojín aproximada: 0.824 kg
4.3 DISEÑO DE LOS MOLDES
Para iniciar el diseño de las cavidades se utilizó la información obtenida y la parte de
asistencia con el proveedor que mecanizará las figuras de los moldes, y cumpla con sus
necesidades.
En la tabla se es establecen las condiciones sobre las cuales se regirá el diseño del
molde.
56
Tabla 5. Condiciones para el molde.
Moldes de poliuretano
Ítem Espuma Cojín Espuma Espaldar
Numero de Cavidades 1 1
Forma de Ejecución del
molde
Molde dos placas-colada
normal
Molde dos placas-colada
normal
Sistema de la colada Normal Normal
Sistema de regulación de
temperatura Ninguna Ninguna
Sistema de extracción Manual Manual
Sistema de salida de gases Ninguna Ninguna
Materiales del molde Fundición de Duraluminio Fundición de Duraluminio
Fuente. Realizada por los autores.
Además, se toman en cuenta elementos como: el material, que por petición del dueño
de la empresa tiene que ser aluminio, en especial Duraluminio; pues este material se
escogió porque se puede mecanizar a altas velocidades reduciendo tiempos de entrega
de las piezas, y bajo peso. Soporta la fuerza de expansión de la espuma debido a la
presión generada cuando reaccionan el Poliol y el Isocianato al expandirse después de
mezclados y vertidos.
Inicialmente el espesor como mínimo de las paredes del molde se deja en 20 a 50 mm
por sugerencia de la empresa encargada de mecanizar las placas. Para analizar las
deformaciones que se puedan presentar se realizan los siguientes cálculos de fuerzas
en las placas sometidas a carga axial. Además, se debe conocer el área donde se
verterá la mezcla para formar la espuma y las fuerzas que se vean relacionadas.
El valor de la presión de los químicos al reaccionar cuando se mezclan es de 0.5 bar a
1 bar, este valor fue suministrado por la empresa ESPUMLATEX según el área de
I+De+I de la misma, quien suministra los químicos a Súper Tapiautobus & CIA. LTDA.
57
4.3.1. Diseño tapa y cavidad molde cojín ejecutivo
Ahora para el área del molde del cojín se tiene que:
𝐴 =(𝐵 + 𝑏)
2∗ ℎ
Ecuación1. Área de un trapecio
Donde:
B: es la base mayor del trapecio
b: es la base menor del trapecio
h: es la altura del trapecio
𝐴𝐶𝑜𝑗í𝑛 =(0.415𝑚 + 0.407𝑚)
2∗ 0.485𝑚
𝐴𝑐𝑜𝑗í𝑛 = 0.199𝑚2
De aquí 1 bar es equivalente a 100 𝐾𝑁
𝑚2 ; entonces se toma que 𝑃 =𝐹
𝐴 de donde se
despeja la fuerza quedando la siguiente ecuación:
𝐹 = 𝑃 ∗ 𝐴
Ecuación 2. Fuerza de empuje de la espuma
Donde:
P: es la presión de reacción de la espuma
A: es el área del molde donde la espuma hace contacto
𝐹 = 100 𝐾𝑁
𝑚2∗ 0.199 𝑚2
𝐹 = 19.9 𝐾𝑁
Entonces la fuerza de empuje de la espuma cuando reaccionan sus componentes es de
19.9 KN.
58
Figura 20. Espesor crítico de la tapa fija del molde del cojín.
Como se ve en la figura el espesor crítico para la tapa fija del molde del cojín se puede
tomar de 19.5 mm.
Para saber cuánto se podría llegar a deformar esta cavidad en el molde se utiliza la
ecuación de deformación por carga axial28:
𝛿 = 𝐹𝐿
𝐴𝐸
Ecuación 3. Deformación por carga axial
Dónde:
F: es la fuerza que genera la espuma de poliuretano al expandirse en el interior del
molde
L: es el espesor crítico de la cavidad del molde
A: es el área donde la espuma hace contacto con la cara del molde
E: es el módulo de fluencia del material que para este caso sería Duraluminio y el cual
tiene un valor de 72 GPa.
Entonces el cálculo de la deformación quedaría así:
𝛿 = (19 900𝑁)(0.0195 𝑚)
(0.199 𝑚2)(72 𝑋 109 𝑁𝑚2)
𝛿 = (0.02708𝑋10−6 𝑚) ∗ (1000 𝑚𝑚
1𝑚)
𝛿 = 0.02708𝑋10−3 𝑚𝑚
28 ROBERT L MOTT” Resistencia de materiales” .Quinta edición: Pearson Educación. México, 2009
59
Entonces 0.02708𝑋10−3 𝑚𝑚 sería el valor de la deformación que sufriría en donde se
tendría el espesor crítico para la cavidad fija del molde. Ahora se comienza con la
reproducción del molde para crear la cavidad como primer paso se importa el sólido de
la pieza a realizar su cavidad.
Figura 21. Pieza importada.
Seguido, se diseña el perfil de cierre del molde, es este caso se hará tomando como
base el borde de inicio de la base plástica, según como se observa.
Figura 22. Diseño del perfil de cierre.
Una vez obtenido la línea del cierre del molde, se valida el posible funcionamiento y
distribución entre lo que será la cavidad y la tapa del molde.
60
Figura 23. Distribución para la tapa.
.
Ya con esto, se genera una superficie guía de separación.
Figura 24. Separación de la tapa.
Construyendo un bloque rectangular, el cual tendrá una línea de compensación exterior
de 50mm respecto a las dimensiones generales de la pieza
Figura 25. Construcción del bloque.
Generando el corte de separación del cubo por la superficie establecida.
61
Figura 26 Trazo de separación.
Con esto se obtiene la separación de las caras, donde se puede ver la conformación de
la cavidad (superficie verde) y la tapa del molde (superficie roja).
Figura 27. Formación de la cavidad y de la tapa.
Ya separados los sólidos, se toma la parte de la tapa y realizando un corte interno de
60mm. Con el fin de obtener la zona exterior del sello, así se obtiene un espesor de
pared de 30 mm aproximadamente en la parte posterior de la pieza como se observa,
esto a su vez reduce el peso del molde.
62
Figura 28. Corte interno a 60 mm.
Con la operación actualizada de la tapa, el diseño de la cavidad automáticamente se
actualiza a su nuevo perfil, con el fin de no perder el acople. Seguido a esto en la parte
de la cavidad, se procede a realizar la contrasalida a los lados de la pieza, según la
recomendación del fabricante se sugirió 15º de contrasalida solo en esta parte como se
observa, ya que el diseño de la pieza el frente y la parte posterior tienen inclinaciones
en sus caras, que sirven como contrasalidas.
Figura 29. Obtención de la tapa.
Posteriormente en todos los bordes, se realizan redondeos con el fin de mejorar el
cierre y facilitar el mecanizado.
63
Figura 30. Redondeos en los bordes.
Como último paso, agregan los agujeros roscados M8 de diámetro x 25mm de
profundidad, para soportar la estructura para soportar la estructura en la cual se
adaptará el mecanismo de apertura y cierre.
Figura 31. Diseño 3D de la cavidad del cojín y la Tapa móvil.
64
Figura 32. Propiedades masa y volumen cavidad fija del molde cojín.
Figura 33. Propiedades masa y volumen tapa móvil del molde cojín.
65
Finalmente, se obtiene un molde rígido de alta resistencia que al cargar los datos de la
densidad del Duraluminio según el proveedor que es de 3300 Kg/m3 se obtiene un
molde que tendría un peso aproximado de 196 Kg en la cavidad y de 110 Kg en su
tapa, según esto se observa que la tapa al ser pesada ayuda a mejorar el sello del
molde.
4.3.2. Diseño de la cavidad del espaldar Valencia.
Para el diseño de la cavidad del espaldar se inicia de acuerdo a las medidas que se
obtuvieron del diseño de la espuma.
Pero se necesita calcular el área de contacto que tendrá la espuma con la cara superior
de la cavidad móvil. Se vuelven a utilizar las mismas ecuaciones que se usaron en los
cálculos para el molde del cojín.
𝐴 =(𝐵 + 𝑏)
2∗ ℎ
𝐴𝐶𝑜𝑗í𝑛 =(0.415𝑚 + 0.375𝑚)
2∗ 0.735𝑚
𝐴𝑐𝑜𝑗í𝑛 = 0.290𝑚2
De aquí 1 bar es equivalente a 100 𝐾𝑁
𝑚2 ; entonces se toma que 𝑃 =𝐹
𝐴 de donde se
despeja la fuerza quedando la siguiente ecuación 𝐹 = 𝑃 ∗ 𝐴
𝐹 = 100 𝐾𝑁
𝑚2∗ 0.290 𝑚2
𝐹 = 29 𝐾𝑁
Entonces la fuerza de empuje de la espuma cuando reaccionan sus componentes es de
29 KN.
Figura 34. Espesor crítico de la tapa fija del espaldar Valencia.
66
Para saber cuánto se podría llegar a deformar esta cavidad en el molde se utiliza la
siguiente ecuación:
𝛿 = 𝐹𝐿
𝐴𝐸
Dónde F es la fuerza que genera la espuma de poliuretano al expandirse en el interior
del molde, L es el espesor crítico de la cavidad del molde, A es el área donde la
espuma hace contacto con la cara del molde y E es el módulo de fluencia del material
que para este caso sería Duraluminio y el cual tiene un valor de 72 GPa.
Entonces el cálculo de la deformación quedaría así:
𝛿 = (29000𝑁)(0.0465 𝑚)
(0.290 𝑚2)(72 𝑋 109 𝑁𝑚2)
𝛿 = (0.06458𝑋10−6 𝑚) ∗ (1000 𝑚𝑚
1𝑚)
𝛿 = 0.06458𝑋10−3 𝑚𝑚
Entonces 0.06458𝑋10−3 𝑚𝑚 sería el valor de la deformación que sufriría en donde se
tendría el espesor crítico para la cavidad fija del molde.
Ahora se realiza la construcción en Solid Edge, como primer paso se construye un
bloque en el cual se creara la cavidad del molde, el cierre se decide realizar en la parte
posterior del espaldar (paso A).
67
Seguido se extrae la superficie de la espuma Valencia (paso B) y se realiza la
sustracción, obteniendo la cavidad (paso C).
Allí se hace un corte a los lados del perfil exterior de la espuma con un espesor de
pared de 40 mm y con una contrasalida de 110º con el fin de que se logre eliminar la
rebaba de la pieza y garantizar el sello mediante un cierre hermético, lo cual hace que
la materia prima se distribuya uniformemente sobre el molde (paso D)
68
Luego se hacen cortes a la cavidad y se adapta el herraje interno de la espuma, con el
fin de que esta se pueda colocar como inserto en el molde, y a su vez no permita la
salida de material (Paso E, F, G).
Además, se considera la opción de construir una estructura metálica que servirá como
soporte para la construcción de la mesa y parte del mecanismo de acción de apertura y
cierre neumático, para lo cual se diseñan agujeros roscados M8mm de diámetro x
25mm de profundidad, para soportar la estructura.
4.3.3. Diseño de la tapa móvil del espaldar Valencia.
Obtenida la cavidad se da inicio a la construcción de la tapa del molde. Igual como se
realizó en el diseño de la cavidad.
Se necesita calcular el área de contacto que tendrá la espuma con la cara superior de la
cavidad móvil. Se vuelven a utilizar las mismas ecuaciones que se usaron en los
cálculos para el molde del cojín.
𝐴 =(𝐵 + 𝑏)
2∗ ℎ
𝐴𝐶𝑜𝑗í𝑛 =(0.415𝑚 + 0.375𝑚)
2∗ 0.735𝑚
𝐴𝑐𝑜𝑗í𝑛 = 0.290𝑚2
De aquí los 1 bar es equivalentes a 100 𝐾𝑁
𝑚2 ; entonces se toma que 𝑃 =
𝐹
𝐴 de donde
despejamos fuerza quedando la siguiente ecuación 𝐹 = 𝑃 ∗ 𝐴
69
𝐹 = 100 𝐾𝑁
𝑚2∗ 0.290 𝑚2
𝐹 = 29 𝐾𝑁
Entonces la fuerza de empuje de la espuma cuando reaccionan sus componentes es de
29 KN.
Figura 35. Espesor crítico de la tapa móvil del espaldar Valencia.
Para saber cuánto se podría llegar a deformar esta cavidad en el molde se utiliza la
siguiente ecuación:
𝛿 = 𝐹𝐿
𝐴𝐸
Dónde F es la fuerza que genera la espuma de poliuretano al expandirse en el interior
del molde, L es el espesor crítico de la cavidad del molde, A es el área donde la
espuma hace contacto con la cara del molde y E es el módulo de fluencia del material
que para este caso sería Duraluminio y el cual tiene un valor de 72 GPa.
Entonces el cálculo de la deformación quedaría así:
𝛿 = (29000𝑁)(0.0395 𝑚)
(0.290 𝑚2)(72 𝑋 109 𝑁𝑚2)
𝛿 = (0.05447𝑋10−6 𝑚) ∗ (1000 𝑚𝑚
1𝑚)
𝛿 = 0.05447𝑋10−3 𝑚𝑚
Entonces 0.05447𝑋10−3 𝑚𝑚 sería el valor de la deformación que sufriría en donde se
tendría el espesor crítico para la cavidad fija del molde.
Primero se construye un bloque de igual dimensión a la cavidad (paso I).
70
Allí se importa la superficie de la parte posterior del espaldar y la parte superior de la
pared de la cavidad (paso J), realizando un ajuste a las dos superficies (paso K).
Eliminando lo innecesario y dejando la parte superior de la cavidad del molde y la forma
de la tapa trasera del espaldar (paso L), se genera la sustracción al solido obteniendo
así la tapa del molde (paso M).
71
De igual forma se realizan ajustes de detalle (paso N) y efectuando la adaptación del
herraje interno de la espuma mediante las ranuras a la tapa para ubicar el herraje
(Paso Ñ).
De igual manera se agregan los agujeros roscados M8 de diámetro x 25mm de
profundidad, para soportar la estructura (paso O).
.
Con esto se obtiene un molde que garantice el sello del mismo molde para evitar la
salida o formación de rebaba cuando los químicos reaccionen (paso P, Q)
72
Como se puede apreciar en las siguientes figuras, se ven los valores de las masas para
la tapa fija y la tapa móvil del espaldar Valencia.
Figura 36. Propiedades masa y volumen cavidad fija del molde espaldar Valencia.
73
Figura 37. Propiedades de masa y volumen de la tapa móvil del espaldar Valencia.
Finalmente, se obtiene un molde rígido de alta resistencia que al cargar los datos de la
densidad del aluminio fundido según el proveedor que es de 3300 Kg/m3 teniendo así
un molde que tendría un peso aproximado de 256 Kg en la cavidad y de 153 Kg en su
tapa, según esto se puede observar que la tapa al ser pesada ayuda a mejorar el sello
del molde.
4.3.4. Circuito neumático de apertura y cierre
Para elegir del actuador neumático es necesario saber que fuerza se necesitará para
abrir cada una de las tapas de los moldes. En las figuras (62 y 91) en donde se
menciona el valor de la masa de las tapas móviles, se tiene que la tapa móvil para el
molde del cojín tiene una masa de 129.975 kg y el valor de la masa de la tapa móvil del
espaldar Valencia es de 198.766 kg.
74
Ahora con la siguiente ecuación ya se puede calcular el peso de las tapas móviles de
los dos moldes:
𝐹 = 𝑚 ∗ 𝑔
Ecuación 4. Para saber el valor del peso en términos de fuerza
Donde:
m: es la masa del bloque de aluminio para cada molde
g: es la aceleración de la fuerza de gravedad
Para el molde del cojín
𝐹 = 129.975 kg ∗ 9.81 𝑚
𝑠2
𝐹 = 1275.054 𝑁
Para el molde del espaldar Valencia
𝐹 = 198.766 kg ∗ 9.81 𝑚
𝑠2
𝐹 = 1949.894 𝑁
Ya obtenidos los valores del peso para cada tapa se necesita saber el valor de la
presión en el interior del molde cuando la mezcla de Poliol y el Isocianato reaccionan.
Dicho valor de la presión de los químicos al reaccionar cuando se mezclan es de 0.5
bar a 1 bar, este valor fue suministrado por la empresa ESPUMLATEX según el área de
I+De+I de la misma, quien suministra los químicos a Súper Tapiautobus & CIA. LTDA.
Sabiendo esto se procede al cálculo de la fuerza que debe tener o deben tener los
cilindros neumáticos para abrir el molde y mantenerlo cerrado durante el proceso de
expansión de la espuma de poliuretano.
Se requiere un cilindro neumático con una carrera definida de 300 mm y un diámetro de
émbolo o camisa que junto con el aire a presión superen o dupliquen en fuerza a las
masas de las tapas móviles de los moldes para abrirlas y cerrarlas, también que eviten
la apertura de dichas tapas al generarse la reacción de la espuma.
75
Teóricamente se calculan las fuerzas de avance y retroceso. Se escogen cilindros de
doble efecto en donde el pistón es accionado por el aire comprimido en ambas carreras.
Realizando un trabajo aprovechable en los dos sentidos de marcha.
Siguiendo la guía del catálogo de la empresa Micro Automación para hallar el valor de
la fuerza, pues la fuerza disponible de un cilindro crece con mayor presión y con mayor
diámetro.
Figura 38. Ábaco para hallar la fuerza del cilindro.
Fuente. Micro Automación29.
29 MICRO AUTOMACIÓN “Catálogo Cilindros”. pág. 1.0.1.1 Disponible en
76
En la imagen superior, se tiene el diámetro de la camisa del cilindro Vs la presión (en
líneas diagonales); para así al llegar al cruce de las dos líneas en diferentes valores en
este caso de presión de 100 psi = 6.894757 bar que es la presión que entrega el
compresor que tiene instalado y activo la empresa Súper Tapiautobus & CIA. LTDA y el
diámetro de la camisa del cilindro que es de 100 mm al proyectarse hacia en donde
está la escala de fuerza se tiene visualmente un valor de 3 400 N aproximadamente.
Utilizando los datos tomados del catálogo se reemplazan en las ecuaciones para saber
las fuerzas de avance y retroceso de los cilindros neumáticos doble efecto:
Cilindro: Ø 100 mm
Carrera: 300 mm
Vástago: Ø 25 mm
Se realizan los cálculos para saber el valor de la fuerza de avance (𝐹𝑎) y la fuerza de
retroceso (𝐹𝑟) de los cilindros neumáticos con las siguientes ecuaciones30:
𝐹𝑎 = 𝜋
4 𝐷2𝑃𝑅
ECUACIÓN 5. Fuerza de avance del cilindro
𝐹𝑟 = 𝜋
4 (𝐷2 − 𝑑2)𝑃𝑅
ECUACIÓN 6. Fuerza de retroceso del cilindro
En donde:
D: diámetro del émbolo
d: diámetro del vástago
P: es la presión de aire del compresor
< http://www.microautomacion.com/catalogo/01Cilindros.pdf>
30 ANTONIO NICOLAS SERRANO “Neumática Practica”. España: Paraninfo, S.A. Madrid, 2009
77
R: Constante que varía según el diámetro del émbolo (0.95 para diámetros mayores a
40 mm)
Presión del compresor: 100 psi = 6.894757bar = 689.475 𝐾𝑁
𝑚2
Fuerza de avance del cilindro neumático
R= 0.95 Para cilindros mayores a Ø 40 mm
𝐹𝑎 = 𝜋
4 𝐷2𝑃𝑅
𝐹𝑎 = 𝜋
4 (0.1𝑚)2 (689.475
𝐾𝑁
𝑚2) (0.95)
𝐹𝑎 = 5.144 𝐾𝑁
Fuerza de retroceso del cilindro neumático
𝐹𝑟 = 𝜋
4 (𝐷2 − 𝑑2)𝑃𝑅
𝐹𝑟 = 𝜋
4 ((0.1𝑚)2 − (0.025𝑚)2) ∗ 689.475
𝐾𝑁
𝑚2(0.95)
𝐹𝑟 = 4.822 𝐾𝑁
Con los cálculos teóricos obtenidos de las fuerzas de avance y retroceso de los
cilindros, estos valores de fuerza son mayores a los obtenidos en la tabla, por ende, es
conveniente utilizar los actuadores neumáticos como lo son los cilindros de doble efecto
con diámetro de émbolo de 100 mm, ya que, se tiene mayor fuerza para garantizar el
cierre hermético de los moldes y evitar que el molde se abra cuando los químicos
reaccionen, generando rebabas y desperdicios de espuma.
Con el sistema neumático se busca que la apertura y cierre neumático de los moldes
facilite el proceso de fabricación de las espumas ayudando a reducir tiempos de
producción, puesto que con los moldes anteriores el trabajador tenía realizar un
esfuerzo físico bastante significativo para hacer el cierre de los moldes con ganchos
manuales (Clamps) los cuales eran 5 por molde para evitar la apertura de los moldes
por la reacción de la espuma de poliuretano.
78
Se utilizó el programa Festo Pneumatics FLUIDSIM V4.2 para recrear el montaje del
circuito neumático para la apertura y cierre del molde del cojín y del circuito neumático
del espaldar haciendo una representación virtual de cuando se accionaria con una
válvula de pedal.
El funcionamiento de los circuitos neumáticos para el cojín y el espaldar es sencillo
debido a la poca complejidad de los elementos utilizados; para el cojín se utilizó solo
una válvula de pedal de cinco vías biestable y dos posiciones (5/2) para accionar un
solo cilindro neumático. Para el espaldar se maneja igualmente una válvula de pedal de
cinco vías biestable y dos posiciones para accionar la salida y el retroceso de los dos
cilindros neumáticos en simultaneo (se decidió dejar la tapa móvil del espaldar con dos
cilindros neumáticos de doble efecto por el cierre hermético). Las velocidades de salida
y retroceso de los cilindros doble efecto se ajustan con las válvulas anti retorno
regulando la cantidad de aire que entra y sale de los cilindros.
Figura 39. Circuito neumático para el cojín y para el espaldar Valencia.
Circuito para el molde del cojín Circuito para el molde del espaldar
79
También se realizó un pequeño montaje a nivel laboratorio para visualizar el circuito
neumático al momento de accionar la válvula 5/2 como muestra de que es semejante
con la simulación en el programa Festo Pneumatics FLUIDSIM V4.2.
Figura 40. Montaje a nivel laboratorio para el circuito neumático del cojín.
Figura 41. Montaje a nivel laboratorio para el circuito neumático del espaldar Valencia.
A B C
A B
C D
80
La apertura y el cierre de los moldes se realiza mediante una válvula neumática 5/2
como se ve en la figura (40) en la imagen B, que es un mando directo sobre el cilindro
neumático de doble efecto; la válvula 5/2 dispone de dos vías de trabajo conectadas al
actuador, de una vía que se alimenta de aire a presión y dos vías de escape, con el
pedal en la primera pulsación el cilindro retrae su vástago y al pulsarlo de nuevo sale
para completar el ciclo como se aprecia en la figura(40) en los pasos A, B y C. El
actuador neumático en sus entradas de aire tiene integradas unas válvulas reguladoras
de flujo para poder manejar la velocidad de avance y retroceso del vástago.
Se optó por dejar la válvula de pedal conectada al cilindro directamente por la sencillez
del montaje y pues porque otro montaje con más válvulas y pedales hubiera salido
costoso. Además, la empresa cuenta con un compresor que suministra el aire a alta
presión para el sistema neumático de apertura y cierre del molde del cojín junto con el
molde del espaldar.
Para realizar el montaje neumático se requieren los siguientes elementos:
Tabla 6. Elementos neumáticos requeridos para el molde.
Elemento Cantidad
Válvula de 5/2 monoestable de pedal 2
Cilindro de doble efecto Ø 100 carrera 300mm 3
Válvulas anti retorno estranguladoras (reguladoras de velocidad) 4
Manguera de Ø 10 mm --
Silenciadores 4
Conectores rápidos o acoples 6
Fuente. Realizada por los autores
81
4.4 DISEÑO DE LA ESTACIÓN DE TRABAJO.
4.4.1. Diseño Mesa de trabajo para el porta moldes
Para el desarrollo de este módulo que soportará el peso de los moldes y a su vez el
sistema de neumático que realizará la apertura de estos. Se planea en un único modulo
estándar que sirva para cualquier tipo de molde y sea más versátil en su utilidad si se
desea usar otro molde este diseño funcione en la mesa.
Se inician los cálculos haciendo los diagramas de cargas distribuidas y cuerpo libre,
como se muestran.
Figura 42. Diagrama de carga distribuida para la estructura.
82
Figura 43. Diagrama de cuerpo libre para la estructura.
Se hace la sumatoria de fuerzas
⇒ ∑ 𝐹𝑥 = 0; No hay fuerzas que influyan en x
Sumatoria de fuerzas en Y
⇒ ∑ 𝐹𝑦 = 0;
𝑅𝐴 − 2872.5 + 𝑅𝐵 = 0
Sumatoria de momentos en A
⇒ ∑𝑀𝐴 = 0; ①
−0.305𝑚(2872.5𝑁) + 𝑅𝐵(0.61𝑚) = 0 ②
𝑅𝐵 =0.305𝑚(2872.5𝑁)
0.61𝑚= 1436.25
En ① 𝑅𝐴 − 2872.5 + 1436.25 = 0 ⇒ 𝑅𝐴 = 1436.25
𝑅𝐴 = 𝑅𝐵
83
Ahora se hace el diagrama de fuerza cortante y el diagrama de momento flector.
Figura 44. Diagrama de fuerzas cortantes y diagrama de momento flector para las
cargas de la estructura tubular.
Obtenidas las reacciones, se realizaron los diagramas de esfuerzo cortante y momento
flector, donde obtenido el valor máximo de M=438.05 Nm, con esto se consulta el
catálogo de tubería cuadrada marca Colmena obtenido por su página web y se extrae
de cierta referencia de tubería el valor del módulo elástico cuando está sometido a
flexión.
Inicialmente, se toma un tubo cuadrado de 50mmx50mmx2mm de espesor. Donde el
valor del módulo elástico a flexión31 es de 𝑆𝑥 = 𝑆𝑦 = 5.66𝑐𝑚3 = 5.66𝑥10−6𝑚3, con esto
se dice que el esfuerzo a flexión32 es:
𝜎 =𝑚
𝑠
Ecuación 7.para calcular el esfuerzo flexionante
31PERFIL ESTRUCTURAL COLMENA” Catalogo de perfiles” .Disponible en < www.tuboscolmena.com > 32 ROBERT L MOTT” Diseño de elementos de máquinas” Cuarta edición: Pearson Educación. México, 2006.
84
Donde:
M: es el momento máximo
S: módulo elástico
𝜎 =438.05𝑁𝑚
5.66𝑥10−6𝑚3= 77𝑥106
𝑁
𝑚2
𝜎 = 77𝑀𝑃𝑎
Realizando la comparación con otra referencia de un espesor mayor en este caso el
tubo cuadrado de 50mmx50mmx3mm de espesor. Donde el valor del módulo elástico a
flexión es de 𝑆𝑥 = 𝑆𝑦 = 7.79𝑐𝑚3 = 7.79𝑥10−6𝑚3, con esto se dice que el esfuerzo es:
𝜎 =𝑚
𝑠
𝜎 =438.05𝑁𝑚
7.79𝑥10−6𝑚3= 56.23𝑥106
𝑁
𝑚2
𝜎 = 56.23𝑀𝑃𝑎
Se observa que al aumentar el espesor del tubo se mejora la resistencia, lo cual reduce
su esfuerzo a generar una falla, por esta razón se decidió tomar la referencia de tubo
cuadrado de 50mmx50mmx3mm de espesor, como base para el diseño y construcción
de la mesa.
Para la construcción de este módulo que sirve como porta molde se inicia en base a las
dimensiones de los bloques de aluminio que forman las tapas de los moldes. Las
medidas de las placas son:
Dos placas en Duraluminio con dimensiones para el molde del cojín:
66 X 66 X 25 (Cm)
66 X 66 X 21 (Cm)
Dos placas en Duraluminio con dimensiones para el molde del espaldar Valencia:
94 X 64 X 11,5 (Cm)
94 X 64 X 20 (Cm)
85
Obteniendo un módulo de medidas de altura 685 mm, 660 mm de ancho y con un largo
de 660 mm.
Figura 45. Medidas principales de la mesa porta moldes.
Figura 46. Esquema CAD de la mesa porta moldes.
Soporte para los cilindros neumáticos.
De acuerdo a lo analizado para el montaje neumático, se decidió que para el molde del
cojín se instalará un soporte para el cilindro neumático, el cual generará la apertura del
86
molde; para el molde espaldar se montaran dos soportes igualmente para apertura y
cierre.
Figura 47. Base soporte para el actuador.
Estos soportes de unirán a la mesa de trabajo mediante el uso de soldadura
colocándose en la siguiente posición como muestra la imagen 48.
Figura 48. Ubicación del soporte en la mesa.
Se observa que el soporte quedará instalado en la parte inferior del módulo y se unirá a
los dos tubos que están incluidos en el diseño, de aquí partirá como base para el
desarrollo del mecanismo de apertura.
87
Mesa de trabajo para el molde del cojín
Como se mencionó anteriormente, el módulo del cojín será una mesa estándar el cual
se adaptaran los elementos necesarios para su respectivo funcionamiento (ganchos de
sujeción y topes). Además, como también se planteó se colocará un soporte para
realizar el respectivo montaje del cilindro y así realizar la apertura del molde. Como se
muestra a continuación.
FIGURA 49. Estructura terminada.
Cabe destacar, que el soporte para el módulo del cojín será colocado en el centro de la
estructura, pues la mejor forma que se encontró para realizar la apertura del molde es
desde el centro soportándose desde la parte superior. Que más adelante se explicará
en detalle.
Análisis del soporte para el cilindro que abre y cierra el molde del cojín
Para iniciar con el análisis de este cuerpo se hace el diagrama de cuerpo libre para la
base del cilindro neumático del cojín cuando está abierto.
88
Figura 50. Diagrama de cuerpo libre de la platina cuando el molde está abierto.
Se hace el diagrama de cuerpo libre para luego empezar a desarrollar las ecuaciones
para hallar las fuerzas involucradas.
𝛳1 = 124° 𝛳2 = 95° 𝐹𝑐 = 5144 𝑁
Sumatoria de fuerzas en X
⇒ ∑ 𝐹𝑥 = 0;
𝐹𝑄𝑅 cos 𝛳1 + 𝐹𝑆𝑥 + 𝐹𝐶 cos 𝛳2 = 0 ⇒ 𝐹𝑄𝑅 cos 124° + 𝐹𝑆𝑥 + 5144𝑁 cos 95° = 0 ①
Sumatoria de fuerzas en Y
⇒ ∑ 𝐹𝑦 = 0;
𝐹𝑄𝑅 sen𝛳1 + 𝐹𝑆𝑦 − 𝐹𝐶 sen𝛳2 = 0 ⇒ 𝐹𝑄𝑅 sen 124° + 𝐹𝑆𝑦 − 5144 sen 95° = 0 ②
Sumatoria de momentos en S
⇒ ∑𝑀𝑠 = 0;
0.084𝑚(𝐹𝑄𝑅 sen𝛳1) − 0.170𝑚(5144 ∙ sen𝛳2) = 0
0.084𝑚(𝐹𝑄𝑅 sen 124°) − 0.170𝑚(5144 ∙ sen 95°) = 0 ③
De ③ ⇒ 𝐹𝑄𝑅 =871.15 𝑁𝑚
0.084 sen124°= 12509.5𝑁
89
Ahora en 1 y 2 se reemplaza el valor de FQR
En ① 12509.5𝑁 ∙ cos 124° + 𝐹𝑆𝑥 + 5144 𝑁 ∙ cos 95° = 0
−6995.22𝑁 + 𝐹𝑆𝑥 − 448.33𝑁 = 0
−7443.55𝑁 + 𝐹𝑆𝑥 = 0
𝐹𝑆𝑥 = 7443.55𝑁
En ② 12509.5𝑁 ∙ sen 124° + 𝐹𝑆𝑦 − 5144 𝑁 ∙ sen 95° = 0
10370.854𝑁 + 𝐹𝑆𝑦 − 5124.43𝑁 = 0
𝐹𝑆𝑦 = −5246.42𝑁
Ya teniendo estas fuerzas se procede a hacer el diagrama de fuerzas en cortante y el
diagrama de momento flector para hallar el momento máximo de las fuerzas.
Figura 51. Diagrama de fuerzas en cortante y momento flector
El momento flector es el área bajo la curva de las fuerzas en cortante, 0.084 m es la
distancia que la fuerza se mantiene constante.
𝑀 = −5246.42𝑁 * 0.084 m
𝑀 = −440.70 𝑁𝑚
90
Diagrama de cuerpo libre para la base del cilindro neumático del cojín cuando está
abierto.
Figura 52. Diagrama de cuerpo libre de la platina cuando el molde está cerrado.
𝛳1 = 124° 𝛳2 = 89° 𝐹𝑐 = 5144 𝑁
Sumatoria de fuerzas en X
⇒ ∑ 𝐹𝑥 = 0;
𝐹𝑄𝑅 cos 𝛳1 + 𝐹𝑆𝑥 + 𝐹𝐶 cos 𝛳2 = 0 ⇒ 𝐹𝑄𝑅 cos 124° + 𝐹𝑆𝑥 + 5144𝑁 cos 89° = 0 ①
Sumatoria de fuerzas en Y
⇒ ∑ 𝐹𝑦 = 0;
sen𝛳1 + 𝐹𝑆𝑦 − 𝐹𝐶 sen𝛳2 = 0 ⇒ 𝐹𝑄𝑅 sen 124° + 𝐹𝑆𝑦 − 5144 sen 89° = 0 ②
Sumatoria de momentos en S
⇒ ∑𝑀𝑠 = 0;
91
0.084𝑚(𝐹𝑄𝑅 sen𝛳1) − 0.170𝑚(5144 ∙ sen𝛳2) = 0
0.084𝑚(𝐹𝑄𝑅 sen 124°) − 0.170𝑚(5144 ∙ sen 89°) = 0 ③
De ③ ⇒ 𝐹𝑄𝑅 =874.35 𝑁𝑚
0.084 sen124°= 12555.44𝑁
Ahora en 1 y 2 se reemplaza el valor de FQR
En ① 12555.44𝑁 ∙ cos 124° + 𝐹𝑆𝑥 + 5144 𝑁 ∙ cos 89° = 0
−7020.91𝑁 + 𝐹𝑆𝑥 + 89.76𝑁 = 0
−6931.15𝑁 + 𝐹𝑆𝑥 = 0
𝐹𝑆𝑥 = 6931.15𝑁
En ② 12555.44𝑁 ∙ sen 124° + 𝐹𝑆𝑦 − 5144 𝑁 ∙ sen 89° = 0
10408.93𝑁 + 𝐹𝑆𝑦 − 5143.22𝑁 = 0
𝐹𝑆𝑦 = −5265.71𝑁
Ya teniendo estas fuerzas se procede a hacer el diagrama de fuerzas en cortante y el
diagrama de momento flector para hallar el momento máximo de las fuerzas.
Figura 53. Diagrama fuerza cortante y momento flector.
92
El momento flector es el área bajo la curva de las fuerzas en cortante, 0.084 m es la
distancia que la fuerza se mantiene constante.
𝑀 = −5265.71𝑁 * 0.084 m
𝑀 = −442.31 𝑁𝑚
Esfuerzo que hará el Soporte para el Cilindro en el molde del Cojín
Se utiliza la ecuación 𝜎 =𝑚
𝑠 con el momento máximo de mayor valor para elementos a
flexión de ahí:
Se obtiene s:
𝜎 =𝑚
𝑠 ⇒ 𝑠 =
𝐵ℎ2
6=
(9𝑥10−3𝑚)(0.1𝑚)2
6= 1.5𝑥10−5𝑚3
𝜎 =442.31𝑁𝑚
1.5𝑥10−5𝑚3
𝜎 = 29.48𝑥106𝑁
𝑚2
𝜎 = 29.48𝑀𝑃𝑎
Se puede utilizar material Lamina HR Acero 1020, ya que su esfuerzo último es de
𝑆𝑢 = 379𝑀𝑃𝑎.
Se analizaron los casos de cómo se afecta la platina cuando el molde está cerrado y
abierto, tomando el valor donde la fuerza es mayor que es cuando el cilindro cierra el
molde de ahí también el momento máximo para ver el esfuerzo a flexión que soportará
la platina con un valor de 29.48𝑀𝑃𝑎.
Por último se realiza una simulación por elementos finitos, ejecutada desde el mismo
programa de Solid Edge, para validar los esfuerzos en los cuales estará sometido el
soporte. Se desea analizar de igual forma, en el instante donde soportado el cilindro
neumático y se genera la fuerza máxima de F=5144 N a una inclinación de 84º, ya que
93
es fuerza la necesaria para cerrar el molde, la propuesta es analizar la resistencia de la
pieza en este instante.
Ingresados los valores de la fuerza del cilindro cuando está cerrado (componentes de la
fuerza en X y Y) Fcx = 5116 N y Fcy= 537.7 N como se observa, se ancla la superficie
que estará pegada a la mesa de trabajo.
Figura 54. Ubicación de la fuerza en el soporte.
Seguidamente se corre la simulación como se observa a continuación en las figuras 55 y 56.
94
Figura 55. Aplicación de la fuerza.
Figura 56. Valores máximos de esfuerzo.
Se observa que el máximo esfuerzo se realizará en la parte de la unión del tubo y la
platina, como se observa en los nodos o zonas rojas. Además, se detalla que no afecta
en gran parte la unión entre el soporte y la mesa. De lo cual dados los resultados de la
simulación, se obtiene que:
95
Máximo valor de traslación en el sentido de la fuerza: 0,673 mm
Mínimo valor de esfuerzo (Von Misses): 0,311MPa
Máximo valor de esfuerzo (Von Misses): 235 MPa
Lo cual asegura que cuando se presente esta situación de esfuerzo, no se presentarán
fallas durante este movimiento obteniendo un diseño seguro.
4.4.2. Estructura jaula de soporte molde cojín.
Se decide construir una estructura metálica que abrace la cavidad de aluminio al ser un
material liviano y a su vez baja dureza, para brindarle rigidez, para evitar que se
maltrate o altere la cavidad y tapa del molde. Además, si hay que realizar alguna
modificación a la cavidad o la tapa en un futuro, se puede remover la estructura y se
llevaría al molde al centro de mecanizado sin ningún inconveniente.
Se inicia con la cavidad del molde, allí se decide pensar en usar 1 1/2” x 1 1/2” x 1/8”
que soporte la parte superior e inferior del molde y se unen los marcos con platina de
2” x 1/8”, en la parte superior se unirá por soldadura y en la parte inferior se unirá
mediante tornillos de Ø10mm. Como se observa.
Figura 57. Jaula para la placa fija molde del cojín.
96
En la parte inferior de la estructura también se colocarán dos tubos cuadrados de 40mm
x 40mm x 2,5mm como separadores del módulo, con el fin de que el montacargas con
la que cuenta la compañía lo pueda alzar y manipular sin complicaciones. Así
finalmente, se ve la estructura montada en la cavidad. La estructura se fijará a la
cavidad mediante los tornillos de 8mm.
Figura 58. Ensamblaje de la jaula con la placa fija.
Con esto, se actualizan los parámetros dimensionales del molde, el cual ahora tiene un
peso aproximado de 214 Kg. Como se detalla a continuación.
Figura 59. Masa del molde con la jaula.
97
Seguido a esto se realiza de igual manera la estructura para la tapa del molde, allí
también se usa ángulo de 1 1/2” x 1 1/2” x 1/8” que soporte la parte inferior de la tapa y
en la parte superior se construye una cruz de platina de espesor de 12 mm que se une
al marco inferior, adicionalmente se realizan los agujeros Ø10mm del soporte para el
mecanismo que quedara en el centro que conecta a la tapa y al cilindro. De igual forma,
en la parte inferior se unirá mediante platinas a la parte superior con soldadura y en la
parte superior se soportara mediante tornillos. Como se observa.
Figura 60. Jaula para la placa móvil molde cojín.
Luego, se observa la estructura montada en la tapa. La estructura de igual forma se
fijara a la cavidad mediante los tornillos de 8mm.
Figura 61. Ensamblaje de la tapa móvil del molde del cojín con la jaula.
Mostrando el peso nuevo, el cual es aproximado a 130 Kg como ve a continuación.
98
Figura 62. Masa del molde con la jaula.
Como último paso, se diseñan las bisagras para realizar la articulación del molde. Se
diseñaran tres puntos de sujeción distribuidos en la cara.
4.4.3. Cálculos para las Bisagras en el molde del cojín
Para iniciar con el cálculo se las bisagras para la tapa móvil en el molde del cojín lo
primero es hacer el diagrama de cuerpo libre para identificar las fuerzas que se puedan
ver involucradas o que afecten el diseño.
99
Figura 63. Diagrama de cuerpo libre para la tapa del cojín, para las bisagras.
Se hace un esquema para organizar todo en un diagrama en 3D para ver las
coordenadas y direcciones de las fuerzas.
𝛳𝑓 = 89°
𝐹𝑐 = 5144 𝑁 ∙ cos 89°𝑖 + 5144 𝑁 ∙ sen 89°𝑗
𝐹𝑐 = 89.76𝑁𝑖 + 5143.22𝑁𝑗
𝐹𝑅 = 𝐹𝑃 + 𝑤
En donde FP es la fuerza que produce la espuma sobre el área de contacto del molde y
W es la fuerza del peso de la tapa.
𝐹𝑅 = 19900𝑁 + (−1275.054𝑁) = 18624.95𝑁
Se hace la sumatoria de fuerzas en X
⇒ ∑ 𝐹𝑥 = 0;
𝐹𝐶 + 𝐹𝐴𝑥 + 𝐹𝐵𝑥 = 0 ⇒ 89.76 + 𝐹𝐴𝑥 + 𝐹𝐵𝑥 = 0
2𝐹𝐴𝑥 = −89.76𝑁
𝐹𝐴𝑥 = −44.88𝑁
100
𝐹𝐴𝑦 = 𝐹𝐵𝑦
𝐹𝐴𝑥 = 𝐹𝐵𝑥
Se hace la sumatoria de fuerzas en Y
⇒ ∑ 𝐹𝑦 = 0;
𝐹𝐴𝑦 = 𝐹𝐵𝑦
𝐹𝐶𝑦 + 𝐹𝐴𝑦 + 𝐹𝐵𝑦 + 18624.95𝑁 = 0 ⇒ 5143.22 + 2𝐹𝐴𝑦 + 18624.95𝑁 = 0
2𝐹𝐴𝑦 + 23168.17 = 0
𝐹𝐴𝑦 = −11884.085𝑁
Se calcula la magnitud de la fuerza A con sus componentes en X y en Y.
𝐹𝐴 = √(𝐹𝐴𝑥)2 + (𝐹𝐴𝑦)2 = √(44.88𝑁)2 + (−11884.085𝑁)2 = 11884.17𝑁
𝐹𝐴 = 11884.17𝑁
El calculó se realizó con dos bisagras, pero por seguridad y efectos de diseño se
utilizan 3 bisagras para el Molde Cojín.
Pasador de las bisagras
Para el material en el cual se debe fabricar el pasador de la bisagra, se toma un
diámetro de Ø16 sugerido por la persona que asistió en parte el diseño del molde. Ya
con esto se calcula el esfuerzo a doble cortante33:
𝜏𝑐𝐴 =𝐹𝐴
2𝐴𝐴
Ecuación 8. Esfuerzo cortante
33 ROBERT L MOTT” Resistencia de materiales” .Quinta edición: Pearson Educación. México, 2009
101
Donde:
FA: es la fuerza que recibirá el perno
AA: es el área transversal del perno
𝐴𝐴 =𝜋𝐷2
4=
𝜋 ∙ (16𝑥10−3𝑚𝑚)2
4= 0.2010𝑥10−3𝑚𝑚2
𝜏𝑐𝐴 =𝐹𝐴
2𝐴𝐴=
11884.17𝑁
2(0.2010𝑥10−3𝑚𝑚2)
𝜏𝑐𝐴 = 29.562𝑥106𝑁
𝑚𝑚2= 29.562𝑀𝑃𝑎
Se escoge Acero 1040, porque es un acero de medio contenido de carbono sugerido
para la construcción de ejes y pasadores.
Sy del Acero 1040 = 496MPa.
Sys (Resistencia a la fluencia en cortante) = 0.577Sy
Sys= 0.577(496MPa)
Sys= 286.192 MPa
Se diseñan piezas para realizar por corte láser en lámina de 9mm y se colocan bujes de
Ø1” con hueco de Ø16, y la pieza contraria llevara un pasador de Ø16 mm, con esto se
obtiene una bisagra estable y resistente para la articulación del molde.
Figura 64. Bisagras y bujes para apertura.
Se detallan dimensiones donde se posicionan las bisagras para realizar la apertura.
102
Figura 65. Diámetros de los bujes y la bisagra.
Por último se ubica el juego de bisagras en la cara del molde como se observa.
Figura 66. Posición de las bisagras.
Para verificar la apertura se realizar la respectiva simulación del movimiento del molde.
103
Figura 67. Verificación de apertura.
4.4.4. Diseño para el mecanismo de palanca para la articulación cojín.
Es el elemento que hará la unión del cilindro neumático con la tapa para poder abrir y
cerrar el molde. Para comenzar con el mecanismo se realiza el montaje del molde sobre
la mesa.
Figura 68. Estructura sin palanca de apertura.
Siguiente a esto, el mecanismo de apertura se realiza por el método grafico de
construcción de líneas de movimiento. Basados en el catálogo de los elementos
neumáticos de MICRO. Se suministran los planos 3D y se montan en la estructura.
104
Figura 69. Ubicación de la base del cilindro neumático.
Según lo consultado con asesores, que aconsejan usar un cilindro de carrera 300 mm
pues es este tipo de moldes se necesitan cilindros de carreras largas.
Así que parte de una carrera inicial y final, el cual se dibujó con las líneas de
movimiento de este cilindro. (Las medidas son tomadas desde el eje del soporte hasta
la horquilla).
Figura 70. Líneas de movimiento del cilindro neumático.
105
A continuación se agregan unas líneas de pivote respecto a la bisagra y realizando el
movimiento respecto a la apertura de la tapa.
Figura 71. Construcción de líneas para la palanca.
Acá simplemente se varía el ángulo de apertura de la tapa hasta que se encuentre el
adecuado y no interfiera con elementos o se sobre esfuerce más de lo normal durante
la apertura, así se llega al resultado de que la mejor apertura es cuando la tapa está a
87º. Apreciando que el cilindro de carrera 300 mm si es el adecuado para este
movimiento de apertura.
Ya para comenzar con la parte de los cálculos estructurales se hace el diagrama de
cuerpo libre en la palanca.
106
Figura 72. Diagrama de cuerpo libre para la palanca.
Ecuaciones para la palanca del molde del cojín
𝑀𝐷⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ = 𝐹𝑐⃗⃗⃗⃗ 𝑋 �⃗⃗�
�⃗⃗� = −352 𝑚𝑚 𝑖 + 116 𝑚𝑚 𝑗
𝐹𝑐⃗⃗⃗⃗ = 5144 𝑁 cos 89 𝑖 + 5144 𝑁 𝑠𝑒𝑛89 𝑗
𝐹𝑐⃗⃗⃗⃗ = 89.76 𝑖 + 5143.21 𝑗
𝑀𝐷⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ = [−0.352 𝑖 + 0.166 𝑗]𝑚 𝑋 [89.76 𝑖 + 5143.21 𝑗]𝑁
𝑀𝐷⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ = −1810.42 𝑁𝑚 𝑘 − 10.41𝑁𝑚 𝑘
𝑀𝐷⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ = −1820.43 𝑁𝑚
∑ Fx=0
𝐹𝑐 cos𝛳2 + 𝐹𝑡𝑥 = 0
5144 𝑁 cos 89 + 𝐹𝑡𝑥 = 0
𝐹𝑡𝑥 = −89.76 𝑁
∑ Fy=0
107
𝐹𝑐 sen𝛳2 + 𝐹𝑡𝑦 = 0
5144𝑁 sen 89 + 𝐹𝑡𝑦 = 0
𝐹𝑐 cos𝛳2 + 𝐹𝑡𝑥 = 0
𝐹𝑡𝑦 = −5143.21 𝑁
Así pues, con el punto donde se sujetara el cilindro se modela la palanca de acuerdo a
lo obtenido. Se plantea una platina de espesor 19 mm, por las cargas que debe resistir.
Se realizan los cálculos a flexión de la palanca de la tapa del cojín
Figura 73. Posible lugar de falla
La palanca se encuentra sometida a flexión debido al movimiento que realiza el cilindro
neumático al abrir y cerrar el molde. Para iniciar el cálculo se selecciona un elemento
para el estado de esfuerzo revisando cada uno de los ejes para ver en cual hay
esfuerzos a flexión pero solo se encuentra en el eje x, para inicial se toma dicho
elemento paralelo a la fuerza, se toma una sección transversal de la placa, se calcula el
momento.
108
Figura 74. Elemento de estado de esfuerzo
Ahora se halla el momento
𝑀 = 𝐹𝑐 𝑋 𝐿
Donde
Fc: es la fuerza del cilindro =que es igual a 5144 N
L: es la longitud desde el lugar donde se ejerce la fuerza hasta donde se cree que
ocurrirá la falla siendo igual a 0.122 m
𝑀 = 5144 𝑁 ∗ 0.122𝑚
𝑀 = 627.57 𝑁𝑚
Se obtiene S:
𝑆 =𝐵𝐻2
6
109
Figura75. Sección trasversal
𝑆 =19 𝑚𝑚 ∗ (29𝑚𝑚)2
6
𝑆 = 2.66𝑋10−6𝑚3
Ahora se calcula esfuerzo de flexión el que está sometido el elemento
𝜎𝑥 =𝑚
𝑠
𝜎𝑥 =657.27𝑁𝑚
2.66 𝑥 10−6 𝑚3
𝜎𝑥 = 247 𝑥 106 𝑁
𝑚2
𝜎𝑥 = 247 𝑀𝑝𝑎
110
Figura 76. Palanca terminada.
Por último se realiza una simulación por elementos finitos, ejecutada desde el mismo
programa de Solid Edge, para validar los esfuerzos en los cuales estará sometida la
platina.
Se desea analizar en el instante en el cual el cilindro después de actuado el botón
genera la fuerza necesaria para iniciar el cierre del molde, la idea es analizar la
resistencia de la pieza en este instante.
En este caso se toma la mayor fuerza la cual estará interactuando el elemento, que es
Fc=5144N a 89º. Como se observa.
Figura 77. Posicionamiento de la fuerza.
111
Se toman como variables, material acero estructural, se restringe la base de la pieza,
pues esta parte estará fijada con tornillos a la estructura de la tapa del molde.
Realizando la simulación para comprender los esfuerzos por el método de Von Misses.
Figura 78. Valores obtenidos por la simulación.
Dados los resultados de la simulación, se obtiene que:
Máximo valor de traslación en el sentido de la fuerza: 0,407 mm
Mínimo valor de esfuerzo (Von Misses): 9,99e-020 MPa
Máximo valor de esfuerzo (Von Misses): 250 MPa
Con lo cual se asegura que no se presentaran fallas durante este movimiento y se
obtendrá un diseño seguro.
Por último se realiza el montaje en el molde, se monta el cilindro neumático y se verifica
su funcionamiento mediante la simulación de movimiento.
112
Figura 79. Ensamblaje de la palanca.
Movimiento de apertura del molde mediante la simulación del mecanismo en el
ensamblaje.
Figura 80. Ensamblaje final con el actuador neumático vista general y vista lateral.
4.4.5. Cálculo de los tornillos para la palanca soporte articulación Molde cojín.
Para los pernos se planea hacer una perforación en la tapa para hacer la rosca de los
tornillos que serán de acero y un agujero roscado de aluminio, la longitud roscada
mínima será 2 veces su diámetro nominal. Se planea usar tornillos milimétricos M12
rosca ordinaria y platinas en acero con espesor de 9 y 12 milímetros.
Se inicia el cálculo de los tornillos con la fuerza externa que actuará para cada perno se
sujeción.
113
𝐹𝑒 =𝐹𝑇𝑦
𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜𝑠
Ecuación 9: Fuerza Externa
𝐹𝑒 =5143.21𝑁
8
𝐹𝑒 = 642.9𝑁 𝑥 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑗𝑒𝑐𝑖ó𝑛.
Tabla 7. Dimensiones de roscas ISO series de paso y finos.
Fuente. LIBARDO V VANEGAS USECHE34
34 LIBARDO V VANEGAS USECHE. “curso de diseño I ingeniería mecánica” Universidad Tecnológica de Pereira. Disponible en < http://blog.utp.edu.co/lvanegas/dis1/ >
114
Se utilizarán tornillos métricos grado 4.6 Rosca ISO M12.
d nominal=12mm, Paso=1.75 mm, dr=9.85. At=84.27mm2.
Resistencia mínima a la tracción: Sp=380 MPa
Resistencia mínima a la fluencia: Sy=420 MPa
Resistencia ultima a la tracción: Su=520 MPa
Tabla 8. Especificaciones para pernos métricos de acero.
Fuente. LIBARDO V VANEGAS USECHE35
El cálculo se hace bajo una tracción inicial conocida.
𝐹𝑖 = 𝑁𝑠𝑒𝑝 ∙ 𝐹𝑒(𝑘𝑐
𝑘𝑐+𝑘𝑏); 1.5 < 𝑁𝑠𝑒𝑝 < 2
Ecuación 10. Precarga para cada perno
Donde es el factor de seguridad de separación de las partes que se toma como 2, Fe
que es la fuerza externa y las constantes elásticas Kc y Kb.
35 LIBARDO V VANEGAS USECHE. “curso de diseño I ingeniería mecánica” Universidad Tecnológica de Pereira. Disponible en < http://blog.utp.edu.co/lvanegas/dis1/ >
115
Se calculan las constantes elásticas Kc y Kb; para las constantes Kc se tienen dos
materiales distintos con tres espesores Kcm1 acero, Kcm2 acero y Kcm3 Duraluminio.
Constantes elásticas para el acero y el aluminio donde A es el área de la placa
descontando el área de los orificios, E es el módulo de elasticidad del material y L es la
longitud o espesor de las placas.
𝑘𝑐 =𝐴𝑐 ∙ 𝐸𝑐
𝐿𝑐
Ecuación 11. Constante elástica de los elementos que actúan como tuercas
1
𝑘𝑐𝑚=
1
𝑘𝑐𝑚1+
1
𝑘𝑐𝑚2+
1
𝑘𝑐𝑚3
Ecuación 12. Suma de las constantes elástica de los elementos que actúan como
tuercas
𝐴𝑐𝑚 =𝐴𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎−8(
𝜋𝐷2
4)
8, área de contacto de la placa.
𝐴𝑐𝑚 =30000 𝑚𝑚2 − 8 (
𝜋 ∙ (12 𝑚𝑚)2
4 )
8
𝐴𝑐𝑚 =30000𝑚𝑚2 − 1608.5𝑚𝑚2
8= 3636.90 𝑚𝑚2
𝐴𝑐𝑒𝑟𝑜 1 = 𝑘𝑐𝑚1 =𝐴𝑐𝑚1∙𝐸𝑐𝑚1
𝐿𝑐𝑚1, constante elástica acero 1
𝑘𝑐𝑚1 =3636.90 𝑚𝑚2 ∙ 207𝑥109 𝑁
𝑚𝑚2
9𝑥10−3𝑚= 83.648𝑥109
𝑁
𝑚
𝐴𝑐𝑒𝑟𝑜 2 = 𝑘𝑐𝑚2 =𝐴𝑐𝑚2∙𝐸𝑐𝑚2
𝐿𝑐𝑚2, constante elástica acero 2
116
𝑘𝑐𝑚2 =3636.90 𝑚𝑚2 ∙ 207𝑥109 𝑁
𝑚𝑚2
0.012𝑚= 62.736𝑥109
𝑁
𝑚
𝐴𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑜 = 𝑘𝑐𝑚3 =𝐴𝑐𝑚3∙𝐸𝑐𝑚3
𝐿𝑐𝑚3, constante elástica aluminio
𝑘𝑐𝑚3 =3636.90 𝑚𝑚2 ∙ 72𝑥109 𝑁
𝑚𝑚2
0.025𝑚= 10.474𝑥109
𝑁
𝑚
1
𝑘𝑐𝑚=
1
𝑘𝑐𝑚1+
1
𝑘𝑐𝑚2+
1
𝑘𝑐𝑚3,
Constante elástica total en la cual interactúa el tornillo.
1
𝑘𝑐𝑚=
1
83.648𝑥109 𝑁𝑚
+1
62.736𝑥109 𝑁𝑚
+1
10.474𝑥109 𝑁𝑚
1
𝑘𝑐𝑚= 1.233691𝑥10−10
𝑘𝑐𝑚 = 8.1057𝑥109 𝑁
𝑚;
Ahora se calculan las constantes de elásticas para pernos parcialmente roscados con
la ecuación:
𝑘𝑏1 =𝐴𝑏 ∙ 𝐸𝑏
𝐿𝑏
Ecuación 12. Constante elástica para el perno
Donde A es el área sin roscar o roscada del perno, E es el módulo de elasticidad del
material y L es la longitud de la zona sin roscar o de la longitud de la rosca.
1
𝑘𝑏=
1
𝑘𝑏1+
1
𝑘𝑏2
Ecuación 13. Suma de las constantes elásticas de la zona roscada y sin roscar del
perno.
117
𝐴𝑏1 =𝜋𝐷2
4=
𝜋(12𝑚𝑚) 2
4= 113.0973𝑚𝑚2 = 0.1130973𝑥10−3𝑚2
Constante de elástica parte del tornillo sin roscar.
𝑘𝑏1 =𝐴𝑏1 ∙ 𝐸𝑏1
𝐿𝑏1=
(0.1130973𝑥10−3𝑚2) ∙ 207𝑥109 𝑁𝑚2
0.021 𝑚= 1.1148𝑥109
𝑁
𝑚
Constante de elástica parte roscada del tornillo.
𝑘𝑏2 =𝐴𝑏1∙𝐸𝑏1
𝐿𝑏1=
(0.08427𝑥10−3𝑚2)∙207𝑥109 𝑁
𝑚2
0.025 𝑚= 0.6978𝑥109 𝑁
𝑚
1
𝑘𝑏=
1
𝑘𝑏1+
1
𝑘𝑏2, constante de elástica total para el perno.
1
𝑘𝑏=
1
1.1148𝑥109 𝑁𝑚
+1
0.6978𝑥109 𝑁𝑚
= 2.330097𝑥10−9
𝑘𝑏 = 429.166𝑥106𝑁
𝑚
Ya con las constantes calculadas se puede calcular la precarga que necesitaran los
tornillos.
𝐹𝑖 = 𝑁𝑠𝑒𝑝 ∙ 𝐹𝑒 (𝑘𝑐
𝑘𝑐 + 𝑘𝑏)
Ecuación 14. Precarga para cada perno
𝐹𝑖 = 2 ∙ 642.9𝑁 (8.1057𝑥109 𝑁
𝑚
8.1057𝑥109 𝑁𝑚 + 429.166𝑥106 𝑁
𝑚
)
𝐹𝑖 = 1221.25𝑁
Ahora se calcula el esfuerzo cortante en los filetes con la ecuación:
118
𝑆𝑠𝑏𝑎 =𝐹𝑏𝑡
𝐴𝑡
Ecuación15. Ecuación para calcular el esfuerzo cortante en los filetes
Donde Fbt es la fuerza total, que es la suma de la precarga más la fuerza externa, y At
que es el área de tracción del tornillo.
𝐹𝑏𝑡 = 𝐹𝑖 + 𝐹𝑒 = 1221.25𝑁 + 642.9𝑁 = 1864.15𝑁
𝑆𝑠𝑏𝑎 =1864.15𝑁
0.08427𝑥10−3𝑚2
𝑆𝑠𝑏𝑎 = 22.1212𝑥106𝑃𝑎 = 22.1212𝑀𝑃𝑎 = 22𝑀𝑃𝑎
Ahora se calcula el esfuerzo a fluencia en cortante del material de los tornillos.
𝑆𝑦𝑠 = 240𝑀𝑃𝑎(0.577) = 138𝑀𝑃𝑎
𝑆𝑠𝑏𝑎 =𝑆𝑦𝑠
𝑁𝑏𝑎
Ahora se calcula el factor de seguridad a cortante para los filetes con valor > 1
𝑁𝑏𝑎 =𝑆𝑦𝑠
𝑆𝑠𝑏𝑎
Ahora para saber el valor del factor de seguridad a cortante en los filetes
𝑁𝑏𝑎 =138𝑀𝑃𝑎
22.1212𝑀𝑃𝑎
𝑁𝑏𝑎 = 6.2
Finalmente el valor del factor de seguridad para los filetes es 6.2.
Mesa de trabajo espaldar Valencia.
Igual que en el diseño anterior del cojín, el modulo del espaldar será una mesa estándar
el cual se adaptaran los elementos necesarios para su respectivo funcionamiento.
También se planteó que se colocarán dos soportes a lado a lado para realizar sus
119
respectivos montajes de los cilindros y así realizar la apertura del molde. Como se
observa a continuación.
Figura 81. Esquema CAD de la mesa porta moldes.
Cabe destacar, que el soporte para el modulo del espaldar serán colocados a lado y
lado de la estructura, como se observa, pues la mejor forma que se encontró para
realizar la apertura del molde es usar dos cilindros pues el peso de la tapa es de
198.766 kg. Que más adelante se explicará en detalle.
4.4.6. Análisis del soporte para el cilindro que abre y cierra el molde del espaldar
Valencia.
Para iniciar con el análisis de este elemento se hace el diagrama de cuerpo libre para
ver que fuerzas actúan sobre él.
120
Figura 82. Diagrama de cuerpo libre de la platina cuando el molde está abierto.
𝛳1 = 124° 𝛳2 = 100° 𝐹𝑐 = 5144 𝑁
Se inicia haciendo la sumatoria de fuerzas
Sumatoria de fuerzas en X
⇒ ∑ 𝐹𝑥 = 0;
𝐹𝑄𝑅 cos 𝛳1 + 𝐹𝑆𝑥 + 𝐹𝐶 cos 𝛳2 = 0 ⇒ 𝐹𝑄𝑅 cos 124° + 𝐹𝑆𝑥 + 5144𝑁 cos 100° = 0 ①
Sumatoria de fuerzas en Y
⇒ ∑ 𝐹𝑦 = 0;
𝐹𝑄𝑅 sen𝛳1 + 𝐹𝑆𝑦 − 𝐹𝐶 sen𝛳2 = 0 ⇒ 𝐹𝑄𝑅 sen 124° + 𝐹𝑆𝑦 − 5144 sen 100° = 0 ②
Sumatoria de momentos en S
⇒ ∑𝑀𝑠 = 0;
0.084𝑚(𝐹𝑄𝑅 sen𝛳1) − 0.170𝑚(5144 ∙ sen𝛳2) = 0
121
0.084𝑚(𝐹𝑄𝑅 sen 124°) − 0.170𝑚(5144 ∙ sen 100°) = 0 ③
De ③ ⇒ 𝐹𝑄𝑅 =861.2 𝑁𝑚
0.084 sen124°= 12366.6𝑁
Ahora en 1 y 2 se reemplaza el valor de FQR
En ① 12366.6𝑁 ∙ cos 124° + 𝐹𝑆𝑥 + 5144 𝑁 ∙ cos 100° = 0
−6915.31𝑁 + 𝐹𝑆𝑥 − 893.25𝑁 = 0
−7808.56𝑁 + 𝐹𝑆𝑥 = 0
𝐹𝑆𝑥 = 7808.56𝑁
En ② 12366.6𝑁 ∙ sen 124° + 𝐹𝑆𝑦 − 5144 𝑁 ∙ sen 100° = 0
10252.38𝑁 + 𝐹𝑆𝑦 − 5065.85 = 0
𝐹𝑆𝑦 = −5186.53𝑁
Ya terminados estos cálculos se pasa a hacer el diagrama de fuerza Cortante y
momento flector para la platina base para el cilindro del espaldar cuando está abierto.
Figura 83. Diagrama de fuerza cortante y diagrama de momento flector.
122
El momento flector es el área bajo la curva de las fuerzas en cortante, 0.084 m es la
distancia que la fuerza se mantiene constante.
𝑀 = −5186.53𝑁 * 0.084 m
𝑀 = −435.31
Ahora se hace el diagrama de cuerpo libre para la base del cilindro neumático del molde
espaldar valencia cuando el molde está cerrado.
Figura 84. Diagrama de cuerpo libre para la base del cilindro neumático del espaldar
Valencia cuando está cerrado.
𝛳1 = 124° 𝛳2 = 81° 𝐹𝑐 = 5144 𝑁
Se inicia haciendo la sumatoria de fuerzas
Sumatoria de fuerzas en X
⇒ ∑ 𝐹𝑥 = 0;
123
𝐹𝑄𝑅 cos 𝛳1 + 𝐹𝑆𝑥 + 𝐹𝐶 cos 𝛳2 = 0 ⇒ 𝐹𝑄𝑅 cos 124° + 𝐹𝑆𝑥 + 5144𝑁 cos 81° = 0 ①
Sumatoria de fuerzas en Y
⇒ ∑ 𝐹𝑦 = 0;
𝐹𝑄𝑅 sen𝛳1 + 𝐹𝑆𝑦 − 𝐹𝐶 sen𝛳2 = 0 ⇒ 𝐹𝑄𝑅 sen 124° + 𝐹𝑆𝑦 − 5144 sen 81° = 0 ②
Sumatoria me momentos en S
⇒ ∑𝑀𝑠 = 0;
0.084𝑚(𝐹𝑄𝑅 sen𝛳1) − 0.170𝑚(5144 ∙ sen𝛳2) = 0
0.084𝑚(𝐹𝑄𝑅 sen 124°) − 0.170𝑚(5144 ∙ sen 81°) = 0 ③
De ③ ⇒ 𝐹𝑄𝑅 =863.71 𝑁𝑚
0.084 sen124°= 12402.65𝑁
Ahora en 1 y 2 se reemplaza el valor de FQR
En ① 12402.65𝑁 ∙ cos 124° + 𝐹𝑆𝑥 + 5144 𝑁 ∙ cos 81° = 0
−6935.47𝑁 + 𝐹𝑆𝑥 − 804.7𝑁 = 0
−6130.77𝑁 + 𝐹𝑆𝑥 = 0
𝐹𝑆𝑥 = 6130.77𝑁
En ② 12402.65𝑁 ∙ sen 124° + 𝐹𝑆𝑦 − 5144 𝑁 ∙ sen 81° = 0
10282.26𝑁 + 𝐹𝑆𝑦 − 5080.7𝑁 = 0
𝐹𝑆𝑦 = −5201.56𝑁
Ya terminados estos cálculos se pasa a hacer el diagrama de fuerza Cortante y
momento flector para la platina base para el cilindro del espaldar cuando está cerrado.
124
Figura 85. Diagrama fuerza cortante y diagrama de momento flector.
El momento flector es el área bajo la curva de las fuerzas en cortante, 0.084 m es la
distancia que la fuerza se mantiene constante.
𝑀 = −5201.26𝑁 * 0.084 m
𝑀 = −436.91 𝑁𝑚
Ahora se calcula el esfuerzo a flexión que resistirá el Soporte para el Cilindro en el
molde del Cojín
Se utiliza la ecuación 𝜎 =𝑚
𝑠 para elementos a flexión de ahí:
Se obtiene s:
𝜎 =436.91𝑁𝑚
1.5𝑥10−5𝑚3
𝜎 = 29.13𝑥106𝑁
𝑚2
𝜎 = 29.13𝑀𝑃𝑎
Se puede utilizar material Lamina HR Acero 1020, ya que su esfuerzo último es de 𝑆𝑢 =
379𝑀𝑃𝑎
125
Se analizaron los casos de cómo se afecta la platina cuando el molde está cerrado y
abierto, tomó el valor donde la fuerza es mayor que es cuando el cilindro cierra el molde
de ahí también el momento máximo para ver el esfuerzo a flexión que soportará la
platina con un valor de 29.13𝑀𝑃𝑎.
Por último se realiza una simulación por elementos finitos, ejecutada desde el mismo
programa de Solid Edge, para validar los esfuerzos en los cuales estará sometida el
soporte. Se desea analizar de igual forma, en el instante donde soportado el cilindro
neumático y se genera la fuerza máxima de F=5144N a una inclinación de 81º, ya que
es la fuerza necesaria para cerrar el molde, la propuesta es analizar la resistencia de la
pieza en este instante.
Ingresados los valores de la fuerza del cilindro cuando está cerrado (componentes de la
fuerza en X y Y) Fcx = 5080.7 N y Fcy= 804.7 N como se observa, se ancla la superficie
que estará pegada a la mesa de trabajo.
Figura 86. Ubicación de la fuerza en el soporte.
126
Posteriormente se corre la simulación y se obtiene lo que se ve a continuación.
Figura 87. Aplicación de la fuerza.
Figura 88. Valores máximos de esfuerzo.
127
Se observa que el máximo esfuerzo se realizara en la parte de la unión del tubo y la
platina, como se observa en los nodos o zonas rojas. Además, detallamos que no
afecta en gran parte la unión entre el soporte y la mesa. De lo cual, dados los
resultados de la simulación, obtenemos que:
Máximo valor de traslación en el sentido de la fuerza: 0,672 mm
Mínimo valor de esfuerzo (Von Misses): 0,315 MPa
Máximo valor de esfuerzo (Von Misses): 234 MPa
Lo cual se asegura que cuando se presente esta situación de esfuerzo, no se
presentaran fallas durante este movimiento y obteniendo un diseño seguro.
4.4.7. Estructura jaula de soporte del molde espaldar Valencia.
Al igual que se planteó en el diseño de la estructura del cojín se realizará en esta parte.
Usando ángulo de 1 1/2” x 1 1/2” x 1/8” que soporte la parte superior e inferior del molde
y se unen los marcos con platina de 2” x 1/8”, en la parte superior se unirá por
soldadura y en la parte inferior se soportara mediante tornillos M10. Como se observa.
Figura 89. Jaula de la placa fija del molde.
128
También en la parte inferior de la estructura se colocaran cuatro tubos cuadrados de
40mm x 40mm x 2,5mm como separadores del módulo, con el fin de que el
montacargas con la que cuenta la compañía la pueda alzar y manipular sin
complicaciones.
Así finalmente, se tiene la estructura montada en la cavidad. La estructura también se
fijara a la cavidad mediante los tornillos de 8mm.
Figura 90. Ensamblaje de la jaula con la tapa fija.
Con esto, se actualizan los parámetros dimensionales del molde, el cual obtiene una
masa aproximada de 291 Kg. Como se detalla a continuación.
129
Figura 91. Masa del molde con la jaula.
Posteriormente se realiza de igual manera la estructura para la tapa del molde, allí
también se usa ángulo 1 1/2” x 1 1/2” x 1/8” para soportar la parte inferior de la tapa y
en la parte superior se construye el soporte para las platinas de articulación en espesor
de 9mm, donde se une al marco inferior mediante tornillos M10, Como se observa.
130
Figura 92. Jaula para la placa móvil del molde espaldar
La estructura de igual forma se fijara a la cavidad mediante los tornillos de 8mm.
Figura 93. Ensamblaje de la jaula con la tapa móvil.
Se realiza del peso nuevo de propiedades para ver la masa de la tapa, la cual tiene un
aproximado de 199 Kg. Como detalla a continuación.
131
Figura 94. Masa del molde con la jaula.
Como último paso, se diseñan las bisagras para realizar la articulación del molde. Se
distribuirán en cuatro puntos de sujeción distribuidos en la cara.
4.4.8. Cálculos Para Las Bisagras En El Molde Del Espaldar Valencia
Para iniciar con el cálculo se las bisagras para la tapa móvil en el molde del cojín lo
primero es hacer el diagrama de cuerpo libre para identificar las fuerzas que se puedan
ver involucradas o que afecten el diseño.
132
Figura 95. Diagrama de cuerpo libre para la tapa del molde espaldar valencia, para las
bisagras.
Se hace un esquema para organizar todo en un diagrama en 3D para ver las
coordenadas y direcciones de las fuerzas.
𝛳𝑓 = 81°
𝐹𝑐 = 5144 𝑁 ∙ cos 81°𝑖 + 5144 𝑁 ∙ sen 81°𝑗
𝐹𝑐 = 853.43𝑁𝑖 + 5072.71𝑁𝑗
𝐹𝑅 = 𝐹𝑃 + 𝑤
En donde FP es la fuerza que produce la espuma sobre el área de contacto del molde y
W es la fuerza del peso de la tapa.
𝐹𝑅 = 29000𝑁 + (−1950𝑁) = 27050𝑁
Sumatoria de fuerzas en X
⇒ ∑ 𝐹𝑥 = 0;
2𝐹𝐶 + 𝐹𝐴𝑥 + 𝐹𝐵𝑥 = 0 ⇒ 2(853.43𝑁) + 𝐹𝐴𝑥 + 𝐹𝐵𝑥 = 0
2𝐹𝐴𝑥 = −2(853.43𝑁)
𝐹𝐴𝑥 = −853.43𝑁
133
𝐹𝐴𝑦 = 𝐹𝐵𝑦
𝐹𝐴𝑥 = 𝐹𝐵𝑦
Sumatoria de fuerzas en Y
⇒ ∑ 𝐹𝑦 = 0;
2𝐹𝐶 + 𝐹𝐴𝑦 + 𝐹𝐵𝑦 + 27050𝑁 = 0 ⇒ 2(853.43𝑁) + 𝐹𝐴𝑦 + 𝐹𝐵𝑦 + 27050𝑁 = 0
2𝐹𝐴𝑦 = −27050 − 2(5072.71𝑁)
𝐹𝐴𝑦 = −18597.71𝑁
Se calcula la magnitud de la fuerza A con sus componentes en x y en y
𝐹𝐴 = √(𝐹𝐴𝑥)2 + (𝐹𝐴𝑦)2 = √(−853.43𝑁)2 + (−18957.71𝑁)2
𝐹𝐴 = 18976.90 𝑁
Se calculó con dos bisagras, pero por seguridad y efectos de diseño se utilizan 4
bisagras para el espaldar valencia.
Pasador para las bisagras
Para el material en el cual se debe fabricar el pasador de la bisagra, se toma un
diámetro de Ø16 sugerido por la persona que asistió en parte el diseño del molde. Ya
con esto se calcula el esfuerzo a cortante simple:
Donde:
FA: es la fuerza que recibirá el perno
AA: es el área transversal del perno
𝜏𝑐𝐴 =𝐹𝐴
𝐴𝐴
𝐴𝐴 =𝜋𝐷2
4=
𝜋 ∙ (16𝑥10−3𝑚𝑚)2
4
𝐴𝐴 = 0.2010𝑥10−3𝑚𝑚2
134
𝜏𝑐𝐴 =𝐹𝐴
𝐴𝐴=
18976.90𝑁
0.2010𝑥10−3𝑚𝑚2
𝜏𝑐𝐴 = 94.412𝑥106𝑁
𝑚𝑚2
𝜏𝑐𝐴 = 94.412𝑀𝑃𝑎
Se escoge Acero 1040, porque es un acero de medio contenido de carbono sugerido
para la construcción de ejes y pasadores.
Sy del Acero 1040 = 496MPa.
Sys (Resistencia a la fluencia en cortante)
Sys=0.507Sy
Sys=0.507(496MPa)
Sys=251.472 MPa
Estas bisagras se comprenden de fijar bujes de Ø1” con hueco de Ø16mm de un largo
de 25mm, como se observa. Se instalaran entre el espacio que hay entre la tapa fija y
la tapa móvil, la flecha indica su posición.
Figura 96. Ubicación de la bisagra.
Se observa el montaje de las bisagras en el molde.
135
Figura 97. Ubicación de las bisagras.
Para verificar la apertura se realizar la respectiva simulación del movimiento del molde
en el ensamblaje.
Figura 98. Verificación de apertura.
Diseño para el mecanismo de palanca para la articulación del molde espaldar
Valencia.
Es el elemento que hará la unión del cilindro neumático con la tapa para poder abrir y
cerrar el molde. Para comenzar con el mecanismo se realiza el montaje del molde sobre
la mesa.
136
Figura 99. Ensamblaje del molde sobre la estructura.
De igual forma como en el diseño del cojín, el mecanismo de apertura se realiza por el
método grafico de construcción de líneas de movimiento. Basados en el catálogo de los
elementos neumáticos de MICRO. Se suministran los planos 3D y se montan en la
estructura, además se sigue la misma idea de usar cilindros neumáticos de carrera 300
mm. Realizando el mismo procedimiento para el diseño del mecanismo.
Figura 100. Construcción de líneas para la palanca.
137
De la misma forma se parte de una carrera inicial y final, el cual se dibuja con las líneas
de movimiento, agregando las líneas de pivote respecto a la bisagra y realizando el
movimiento respecto a la apertura de la tapa.
Con esto, llega a que la mejor apertura es cuando la tapa está a 80º. Dando a favor que
el cilindro de carrera 300mm es funcional para este movimiento de apertura. De esta
forma se obtienen módulos estándar con accesorios iguales, lo cual es una ventaja.
Para el diseño mecánico de la palanca se debe tener en cuenta.
Ya para comenzar con la parte de los cálculos estructurales se hace el diagrama de
cuerpo libre en la palanca.
Figura 101. Diagrama de cuerpo libre de la palanca.
Ecuaciones para la palanca del molde del espaldar Valencia
𝑀𝐷⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ = 𝐹𝑐⃗⃗⃗⃗ 𝑋 �⃗⃗�
�⃗⃗� = −199 𝑚𝑚 𝑖 + 157 𝑚𝑚 𝑗
138
𝐹𝑐⃗⃗⃗⃗ = 5144 𝑁 cos 81 𝑖 + 5144 𝑁 𝑠𝑒𝑛81 𝑗
𝐹𝑐⃗⃗⃗⃗ = 804.7 𝑖 + 5080.7 𝑗
𝑀𝐷⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ = [−0.199 𝑖 + 0.157 𝑗]𝑚 𝑋 [804.7 𝑖 + 5080.7 𝑗]𝑁
𝑀𝐷⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ = −1011.06 𝑁𝑚 𝑘 − 126.3𝑁𝑚 𝑘
𝑀𝐷⃗⃗ ⃗⃗ ⃗⃗ = −1137.4 𝑁𝑚
∑ Fx=0
𝐹𝑐 cos𝛳2 + 𝐹𝑡𝑥 = 0
5144 𝑁 cos 81 + 𝐹𝑡𝑥 = 0
𝐹𝑡𝑥 = −804.7 𝑁
∑ Fy=0
𝐹𝑐 sen𝛳2 + 𝐹𝑡𝑦 = 0
5144𝑁 sen 81 + 𝐹𝑡𝑦 = 0
𝐹𝑐 cos𝛳2 + 𝐹𝑡𝑥 = 0
𝐹𝑡𝑦 = −5080.7 𝑁
139
Se realizan los cálculos a flexión de la palanca de la tapa del cojín
Figura102. Posible lugar de la falla
Se selecciona un elemento para el estado de esfuerzo revisando cada uno de los ejes
para ver en cual hay esfuerzos a flexión pero solo se encuentra en el eje x, para inicial
se toma dicho elemento paralelo a la fuerza, se toma una sección transversal de la
placa, se calcula el momento.
Figura 103. Elemento de estado de esfuerzo
140
Ahora se halla el momento
𝑀 = 𝐹𝑐 𝑋 𝐿
Donde:
Fc: es la fuerza del cilindro =que es igual a 5144 N
L: es la longitud desde el lugar donde se ejerce la fuerza hasta donde se cree que
ocurrirá la falla siendo igual a 0.06333 m
𝑀 = 5144 𝑁 ∗ 0.06333𝑚
𝑀 = 325.77 𝑁𝑚
Se obtiene S:
𝑆 =𝐵𝐻2
6
Figura 104. Sección área transversal
𝑆 =19 𝑚𝑚 ∗ (87𝑚𝑚)2
6
𝑆 = 1.653𝑋10−6𝑚3
Ahora se calcula esfuerzo de flexión el que está sometido el elemento
141
𝜎𝑥 =𝑚
𝑠
𝜎𝑥 =325.77𝑁𝑚
1.653 𝑥 10−6 𝑚3
𝜎𝑥 = 197 𝑥 106 𝑁
𝑚2
𝜎𝑥 = 197 𝑀𝑝𝑎
Así pues, con el punto donde se sujetara el cilindro se modela la palanca de acuerdo a
lo obtenido. Se plantea una platina de espesor 19 mm, por las cargas que debe resistir.
Figura 105. Palanca terminada.
Por último se realiza una simulación por elementos finitos, ejecutada desde el mismo
programa de Solid Edge, para validar los esfuerzos en los cuales estará sometida la
platina.
Se desea analizar en el instante en el cual el cilindro después de actuado el botón
genera la fuerza necesaria para iniciar el cierre del molde, la idea es analizar la
resistencia de la pieza en este instante.
En este caso se toma la mayor fuerza la cual estará interactuando el elemento, que es
F=5144N a 81º. Como se observa.
142
Figura 106. Ubicación de la fuerza.
Se toman como variables, material acero estructural, se restringe la base de la pieza,
pues esta parte estará fijada con tornillos a la estructura de la tapa del molde.
Realizando la simulación para comprender los esfuerzos por el método de Von Misses.
143
Figura 107. Simulación realizada.
Dados los resultados de la simulación, obtenemos que:
Máximo valor de traslación en el sentido de la fuerza: 0,0588 mm
Mínimo valor de esfuerzo (Von Misses): 0,0008 MPa
Máximo valor de esfuerzo (Von Misses): 53,1 MPa
Hecha esta simulación y con los resultados obtenidos se asegura que no se
presentaran fallas durante este movimiento y se obtendrá un diseño seguro, además se
observa que los esfuerzos son más bajos puesto que en este diseño se proponen dos
cilindros para actuar el molde.
Así pues, con el punto donde se sujetara el cilindro se modela la palanca de acuerdo a
lo obtenido. Se plantea una platina de espesor 19 mm, por las cargas que debe resistir.
Por último se realiza el montaje en el molde, se monta el cilindro neumático y se verifica
su funcionamiento mediante la simulación.
Para la perforación de la tapa para hacer la rosca de los tornillos se Para un tornillo de
acero y un agujero roscado de aluminio, la longitud roscada mínima será 2 veces su
144
diámetro nominal. Se planea usar tornillos milimétricos m 12 rosca ordinaria y platinas
en acero con espesor de 9 y 12 milímetros.
Calculo de los tornillos para la palanca soporte articulación molde espaldar
Valencia.
Para esto se repiten las ecuaciones con las cuales se calcularon los pernos para el
molde del cojín.
Se inicia el cálculo de los tornillos con la fuerza externa que actuara para cada perno se
sujeción tomando de dimensiones de roscas ISO series de paso y finos tablas así como
las especificaciones para pernos métricos de acero 7 y 8 mencionadas anteriormente.
𝐹𝑒 =𝐹𝑇𝑦
𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑟𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜𝑠
𝐹𝑒 =5080.7 𝑁
8
𝐹𝑒 = 635.08𝑁 𝑥 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑗𝑒𝑐𝑖ó𝑛.
Tornillos métricos grado 4.6 Rosca ISO M12.
d nominal=12mm, Paso=1.75 mm, dr=9.85, At=84.27mm2.
Resistencia mínima a la tracción: Sp=380 MPa
Resistencia mínima a la fluencia: Sy=420 MPa
Resistencia ultima a la tracción: Su=520 MPa
El cálculo se hace bajo una tracción inicial conocida.
𝐹𝑖 = 𝑁𝑠𝑒𝑝 ∙ 𝐹𝑒(𝑘𝑐
𝑘𝑐+𝑘𝑏); 1.5 < 𝑁𝑠𝑒𝑝 < 2
Donde es el factor de seguridad de separación de las partes que se toma como 2, Fe
que es la fuerza externa y las constantes elásticas Kc y Kb.
145
Se calcula calculan las constantes elásticas Kc y Kb; para las constantes Kc se tienen
dos materiales distintos con tres espesores Kcm1 acero, Kcm2 acero y Kcm3
Duraluminio.
Constantes elásticas para el acero y el aluminio donde A es el área de la placa
descontando el área de los orificios, E es el módulo de elasticidad del material y L es la
longitud o espesor de las placas.
𝑘𝑐 =𝐴𝑐 ∙ 𝐸𝑐
𝐿𝑐
1
𝑘𝑐𝑚=
1
𝑘𝑐𝑚1+
1
𝑘𝑐𝑚2+
1
𝑘𝑐𝑚3
𝐴𝑐𝑚 =𝐴𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎 − 8(
𝜋𝐷2
4 )
8
𝐴𝑐𝑚 =28000 𝑚𝑚2 − 8 (
𝜋 ∙ (12 𝑚𝑚)2
4 )
8
𝐴𝑐𝑚 =28000 𝑚𝑚2 − 1608.5 𝑚𝑚2
8
𝐴𝑐𝑚 = 3386.90 𝑚𝑚2
𝐴𝑐𝑒𝑟𝑜 1 = 𝑘𝑐𝑚1 =𝐴𝑐𝑚1 ∙ 𝐸𝑐𝑚1
𝐿𝑐𝑚1
𝑘𝑐𝑚1 =3386.90 𝑚𝑚2 ∙ 207𝑥109 𝑁
𝑚𝑚2
9𝑥10−3𝑚= 77.8987𝑥109
𝑁
𝑚
𝐴𝑐𝑒𝑟𝑜 2 = 𝑘𝑐𝑚2 =𝐴𝑐𝑚2 ∙ 𝐸𝑐𝑚2
𝐿𝑐𝑚2
𝑘𝑐𝑚2 =3386.90 𝑚𝑚2 ∙ 207𝑥109 𝑁
𝑚𝑚2
0.012𝑚= 58.424𝑥109
𝑁
𝑚
146
𝐴𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑛𝑖𝑜 = 𝑘𝑐𝑚3 =𝐴𝑐𝑚3 ∙ 𝐸𝑐𝑚3
𝐿𝑐𝑚3
𝑘𝑐𝑚3 =3386.90 𝑚𝑚2 ∙ 72𝑥109 𝑁
𝑚𝑚2
0.025𝑚= 9.7542𝑥109
𝑁
𝑚
1
𝑘𝑐𝑚=
1
𝑘𝑐𝑚1+
1
𝑘𝑐𝑚2+
1
𝑘𝑐𝑚3
1
𝑘𝑐𝑚=
1
77.8987𝑥109 𝑁𝑚
+1
58.424𝑥109 𝑁𝑚
+1
9.7542𝑥109 𝑁𝑚
1
𝑘𝑐𝑚= 1.3247𝑥10−10
𝑘𝑐𝑚 = 7.5487𝑥109 𝑁
𝑚
Ahora se calculan las constantes de elásticas para pernos parcialmente roscados col la
ecuación:
𝑘𝑏1 =𝐴𝑏 ∙ 𝐸𝑏
𝐿𝑏
Donde A es el área sin roscar o roscada del perno, E es el módulo de elasticidad del
material y L es la longitud de la zona sin roscar o de la longitud de la rosca.
1
𝑘𝑏=
1
𝑘𝑏1+
1
𝑘𝑏2
𝐴𝑏1 =𝜋𝐷2
4=
𝜋(12𝑚𝑚)2
4= 113.0973𝑚𝑚2 = 0.1130973𝑥10−3𝑚2
𝑘𝑏1 =𝐴𝑏1 ∙ 𝐸𝑏1
𝐿𝑏1=
(0.1130973𝑥10−3𝑚2) ∙ 207𝑥109 𝑁𝑚2
0.021 𝑚= 1.1148𝑥109
𝑁
𝑚
𝑘𝑏2 =𝐴𝑏1 ∙ 𝐸𝑏1
𝐿𝑏1=
(0.08427𝑥10−3𝑚2) ∙ 207𝑥109 𝑁𝑚2
0.025 𝑚= 0.6978𝑥109
𝑁
𝑚
147
1
𝑘𝑏=
1
𝑘𝑏1+
1
𝑘𝑏2=
1
1.1148𝑥109 𝑁𝑚
+1
0.6978𝑥109 𝑁𝑚
= 2.330097𝑥10−9
𝑘𝑏 = 429.166𝑥106𝑁
𝑚
Ya con las constantes calculadas se puede calcular la precarga que necesitaran los
tornillos.
𝐹𝑖 = 𝑁𝑠𝑒𝑝 ∙ 𝐹𝑒 (𝑘𝑐
𝑘𝑐 + 𝑘𝑏)
𝐹𝑖 = 2 ∙ 635.08𝑁 (7.5487𝑥109 𝑁
𝑚
7.5487𝑥109 𝑁𝑚 + 429.166𝑥106 𝑁
𝑚
)
𝐹𝑖 = 1201.83𝑁
Ahora se calcula el esfuerzo cortante en los filetes con la ecuación:
𝑆𝑠𝑏𝑎 =𝐹𝑏𝑡
𝐴𝑡
Donde Fbt es la fuerza total que es la suma de la precarga más la fuerza externa, y At
que es el área de tracción del tornillo.
𝐹𝑏𝑡 = 𝐹𝑖 + 𝐹𝑒
𝐹𝑏𝑡 = 1201.83𝑁 + 635.08𝑁
𝐹𝑏𝑡 = 1836.91𝑁
Esfuerzo cortante en los filetes
𝑆𝑠𝑏𝑎 =𝐹𝑏𝑡
𝐴𝑡=
1836.92𝑁
0.08427𝑥10−3𝑚2
𝑆𝑠𝑏𝑎 = 21.7979𝑥106𝑃𝑎 = 21.7979𝑀𝑃𝑎 = 22𝑀𝑃𝑎
Ahora se calcula el esfuerzo a fluencia en cortante del material de los tornillos.
𝑆𝑦𝑠 = 240𝑀𝑃𝑎(0.577) = 138𝑀𝑃𝑎
148
𝑆𝑠𝑏𝑎 =𝑆𝑦𝑠
𝑁𝑏𝑎
Despejando 𝑁𝑏𝑎 de 𝑆𝑠𝑏𝑎 =𝑆𝑦𝑠
𝑁𝑏𝑎 se calcula el factor de seguridad a cortante para los
filetes con valor > 1.
𝑁𝑏𝑎 =𝑆𝑦𝑠
𝑆𝑠𝑏𝑎
𝑁𝑏𝑎 =138𝑀𝑃𝑎
22𝑀𝑃𝑎
𝑁𝑏𝑎 = 6.3
El valor del factor de seguridad para los filetes de los tornillos es 6.3.
FIGURA 108. Ensamblaje final con el actuador neumático vista general y vista lateral.
Se hace el movimiento de apertura del molde mediante la simulación del mecanismo en
el ensamble en Solid Edge.
4.5 CUARTA ETAPA: CONSTRUCCIÓN.
Con todos los elementos ya planeados, después de realizar las respectivas cotizaciones
y proceder con la aceptación de la fabricación, de da inicio a la etapa de construcción.
149
4.5.1. Fundición.
Por petición del dueño de la empresa se decidió que el material de construcción para
los moldes fuera en Duraluminio. Se contactó a la empresa Fundiciones Aristizabal
quienes se encargaron de dicha labor; se mandaron a fundir placas de Duraluminio con
las siguientes medidas:
Dos placas de Duraluminio con dimensiones para el molde del Cojín:
66 X 66 X 25 (Cm)
66 X 66 X 21 (Cm)
Dos placas de Duraluminio con dimensiones para el molde del Espaldar Valencia:
94 X 64 X 11,5 (Cm)
94 X 64 X 20 (Cm)
El fabricante introduce la materia prima en la cuba de fundición, se funde la cantidad
necesaria por cada placa.
Figura 109. Cuba de fundición.
Después de cierto tiempo, en bloques o cajones de acuerdo a las dimensiones
requeridas del bloque se vierte el aluminio líquido en el molde.
150
Figura 110. Fundición vertida en el molde.
Después de 3 días de curado los bloques ya almacenados en un cuarto especial. Se
extraen de los moldes y se colocan en estibas para que se puedan transportar.
Figura 111. Desmoldado de los bloques.
Listos los bloques se limpian y se transportan al taller de mecanizado.
4.5.2. Mecanizado.
Allí se montaron los bloques en el centro de mecanizado.
151
Figura 112. Centro de mecanizado.
Allí montados se rectifican caras, para buscar el origen (cero de coordenadas) e iniciar
el mecanizado sin error de precisión.
Figura 113. Inicio de mecanizado.
Luego de horas de trabajo se obtienen las cavidades de la tapas, como se observa.
152
Figura 114. Molde cojín en mecanizado.
Figura 115. Molde espaldar Valencia.
Como se ha planeado, después del mecanizado de los moldes, se decide llevar las
partes al proceso de lapeado o brillo espejo. Con el fin de obtener un molde de fácil
desmolde.
153
Figura 116. Proceso de lapeado.
4.5.3. Construcción de la estación de trabajo y estructura de moldes.
Por servicio externo se contrata a la persona que fabrica la estación de trabajo, para los
dos moldes, se trasladaron los moldes al taller y allí se realizó la construcción según
los planos suministrados.
4.5.4. Montaje neumático.
Luego de fabricadas la mesa y estructura de cada molde, se procede a realizar el
montaje de los elementos neumáticos. Usando los elementos propuestos y realizando el
ensamble según lo establecido en el diseño. Posteriormente, se realiza la verificación
de que los elementos trabajen correctamente y se acciona el sistema para verificar su
funcionalidad. Como se observa a continuación.
154
Figura 117. Proceso de ensamblado del molde del cojín.
Figura 118. Proceso de ensamblado del molde del espaldar Valencia.
Una vez verificado el sistema de apertura, se realizan ajustes en la velocidad de
apertura de los cilindros con las válvulas reguladoras, pues una alta velocidad puede
ocasionar fallas en los actuadores neumáticos, además de accidentes a la persona que
155
lo opera; y una baja velocidad podría reducir la fuerza de apertura de la tapa del molde
y hasta no podría garantizar un cierre correcto.
4.6 QUINTA ETAPA: PUESTA EN MARCHA.
Los moldes son llevados a la planta y son instalados en la zona de trabajo con el fin de
producir las primeras piezas.
Figura 119. Prueba de apertura y cierre.
Después de conectados los cilindros al punto de aire. Se procede a dar apertura a cada
molde, y se comienza con la etapa de curado del molde. Pues al ser un molde nuevo se
debe realizar esta puesta a punto para evitar futuros inconvenientes con la extracción
de las piezas inyectadas.
El proceso de curado comienza, calentado el molde por la zona de la pieza, esto con el
fin de eliminar la humedad que absorbe el metal, posteriormente se aplica cera en las
caras del molde donde se ve el perfil de la pieza, se deja secar y se repite el ciclo por 5
veces. Finalizado, se programa la máquina con el tiempo de inyección propuesto para
cada molde y se procede a realizar la inyección.
156
Como primer paso, se da una pequeña inducción guiada al operario sobre el manejo del
molde, luego el operario aplica el desmoldante.
Figura 120 Manejo del molde.
Luego trae el cabezal de inyección carga el código del programa de inyección, y realiza
la inyección con el tiempo establecido.
157
Figura 121. Vertido de la espuma con el cabezal de inyección.
Inmediatamente, después de la inyección la espuma empieza a reaccionar y el operario
actúa el pedal para cerrar el molde.
Figura 122. Accionamiento de la válvula de pedal para cerrar.
158
Cerrado el molde, el operario asegura el molde con el gancho de seguridad. Esto con el
fin de prevenir posibles accidentes en cuanto a la manipulación.
Figura 123. Cierre del gancho de seguridad.
Luego de esperar el tiempo de inyección, se libera el gancho y se actúa el pedal para
abrir el molde y extraer la pieza.
Figura 124. Apertura del molde.
159
Figura 125. Muestras de la espuma terminada.
Aquí se hace la comprobación de la forma de la espuma terminada al salir del molde y
de con cuanta masa queda finalmente.
Figura 126. Comprobación peso.
160
5. RESULTADOS
5.1 CAPACITACIÓN
Se mostró a los trabajadores como debía ser el manejo para la apertura y el cierre del
molde: primero verificando que la presión del aire sea la adecuada 100 psi para
accionar el sistema neumático. Como segundo paso lo que se hace es el pulso en la
válvula 5/2 con el pie para la apertura del molde, verificando que las reguladoras del
flujo se encuentren abiertas, luego la respectiva limpieza sobre las tapa móvil y fija del
molde para remover sobrantes de espuma de inyecciones anteriores, el calentamiento
con la antorcha, y la aplicación del desmoldante con la pistola. Después de vertida la
espuma presionar de nuevo la válvula de pedal para realizar el cierre del molde, el
cierre con el gancho y esperar a que la espuma se expanda en el interior del molde.
Luego de que la espuma haya reaccionado abrir nuevamente el molde, remover
manualmente la forma y retomar el proceso con la excepción de que la antorcha solo se
usa para la primera inyección del día.
5.2 CALIDAD DEL PRODUCTO
Se observó que el producto mejora en cuanto a la presentación, se obtiene una
espuma más consistente, con una superficie uniforme, simétrica, y de mejor
presentación, esto es gracias a que se diseñaron las piezas usando herramientas
computacionales y maquinaria CNC de excelente precisión.
Se evidencia un buen desmolde lo cual hace que la espuma no se maltrate durante la
extracción, esto debido a que mediante el proceso de lapeado en las cavidades al
aluminio; ayudo a que el uso del desmoldante se redujera a la mitad.
A continuación, en la tabla se observa los nuevos pesos registrados de las espumas,
según lo establecido en el diseño.
161
Tabla 9. Relación de peso
Código Molde
Peso Pieza
anterior gr. (solo
espuma)
Peso Pieza actual
gr. (solo espuma)
MIE-08 Asiento Ejecutivo 1009 gr 750 gr
MIE-24 Espaldar Valencia 1034 gr 830 gr
Fuente. Realizada por los autores
Con esto se evidencia que los valores propuestos se acercan a los planteados, y
cumplen según lo establecido por la empresa, pues se maneja una tolerancia de ±10
gramos, además, la reducción de peso de la espuma cojín es del 28,5% respecto al
modelo anterior, casi 284 gramos en reducción de masa; y para el espaldar Valencia la
reducción es del 20% respecto al modelo anterior, casi 180 gramos en reducción de
masa.
Luego de aprobadas las muestras iniciales se decide implementar la operación de los
moldes y generar la respectiva producción, durante una semana se observó el
funcionamiento de los moldes y se tomaron los respectivos movimientos de producción.
A continuación se muestran los tiempos de puesta a punto, obtenidos de los nuevos
moldes:
Tabla 10. Proceso puesta a punto de moldes
OPERACIÓN PREPARACIÓN MOLDE
Pieza Puesta a punto y Calentamiento del molde 60ºC
Nº veces se
calienta el
molde en el día
laboral
Cojín ejecutivo-Base
plástica 20 min 1
Espaldar Valencia 2 15 min 1
Fuente. Realizada por los autores
162
Se puede observar que la operación de calentamiento del molde al ser la que más
tiempo consume antes de iniciar operaciones efectivamente se pudo reducir a una vez
al día, pues como se había pensado el aluminio conserva más el calor, lo cual solo
basta realizar la operación en la mañana pues durante el ciclo de trabajo dado por la
reacción química constante de la espuma ésta genera calor, el que es aprovechado por
el molde y evita que se enfríe y mantenga una temperatura constante de operación;
además, cuando el operario sale a su hora de almuerzo, durante este lapso de tiempo
el molde no logra bajar su temperatura y durante la retoma de operaciones el recupera
el calor perdido.
Esto trajo también como ventaja la reducción del consumo del gas propano utilizado
para calentar el molde, pues anteriormente la pipeta de 25lb, tenía una duración
promedio de 1 semana. Ahora la pipeta tiene una duración de 1.5 semanas.
Sin embargo, se debe resaltar que hay días de trabajo en los cuales son más fríos de
los comunes lo cual hace que después de la hora de almuerzo exista la posibilidad de
calentarlo nuevamente pero por un tiempo más corto, en estos casos los moldes solo
necesitaron de 5 minutos cada uno para retomar el calor y así reanudar la operación,
además junto con el trabajo de los moldes nuevos, también se siguen trabajando
moldes con la tecnología anterior (Resina-Fibra)
En el siguiente cuadro, se observan los tiempos de operación de los moldes, además
los tiempos promedios del proceso en la fabricación las piezas durante un día de trabajo
obtenido.
163
Tabla 11. Tiempo de operación obtenido por día de trabajo.
TIEMPOS DE OPERACIÓN
RESULTADOS
ACTUALES
Ciclo de inyección
(Aplic. Desmold + T.
iny)
Tiempo
cierre
(Acción
cilindro
+ Cierre
Clamps)
Permanenc
ia de cierre
Tiempo
desmolde
(Liberar
gancho
seguridad +
accionamient
o +extraer la
pieza)
Ciclo Total
(Inyección +
desmolde)
Cantidad
es
promedi
o
producid
as X día
Pieza
T.
inyecció
n.
Tiempo
(preparació
n molde
Cojín
ejecutiv
o-Base
plástica
4,3 s 10 s 12 s 5 min (300
s) 2,5s+4s+6s
338 s (5,6
min) 92 Unid
Espaldar
Valencia
2
5 s 10,2 s 10 s 5 min (300
s) 2,5s+3s+10s
341 s (5,7
min) 60 Unid
Fuente. Realizada por los autores
Se puede ver que el molde cojín tuvo una reducción en el ciclo de inyección del 7%,
esto equivale a 26 segundos, lo cual evidencia una solución de mejora en el proceso y
el aumento de la producción de 12 unidades más.
De igual forma, en el molde del espaldar se evidencia una reducción del 6.8%, esto
equivale a una reducción de 25 segundos en el ciclo, lo cual evidencia el aumento en
promedio de 20 unidades.
Se revisó durante un mes la cantidad de desperdicios generados y tan solo se
generaron 5 kg de materia. Con esto muestra la reducción en la cantidad de
desperdicios en más del 90%.
En general, a continuación se muestran los resultados obtenidos a partir de los
parámetros iniciales establecidos.
164
TABLA 12. Requisitos de la empresa
A PARAMETROS DE ENTRADA RESULTADO
A1 Reducción en la cantidad de rebabas generadas por cada espuma fabricada.
Se evidencia la reducción de las rebabas por cada pieza obtenida, esto se debe a la forma del sello del molde. Además, después de un mes de puestos en funcionamiento se obtuvo una reducción del 90% en los desperdicios generados.
A2 Reducción de tiempos muertos y aumentar la producción de unidades.
Se evidencia que la producción de cojines obtuvo una mejora del 7% y un aumento de 12 unidades más en un día de trabajo. Se evidencia que la producción de espaldares obtuvo una mejora del 6.8% y un aumento de 20 unidades más en un día de trabajo.
A3 Reducción de materia prima utilizada para la fabricación de cada pieza.
Se evidencia la reducción de masa en los cojines del 28,5%. Se evidencia la reducción de masa en el espaldar del 20%.
A4 Reducción del uso de consumibles utilizados para fabricar las espumas (desmoldante, gas propano)
Se reduce el uso del desmoldante pues antes por cada operación de inyección requería el uso del desmoldante, ahora cada dos operaciones de inyección se requiere el uso del desmoldante en menor proporción.
A5
Establecer un nuevo sistema de apertura y cierre para los moldes, que permitan reducir operaciones manuales y a su vez reducir el cansancio del operario.
Se implementa un sistema mecánico accionado por elementos neumáticos, ayudan en las operaciones de apertura y cierre del molde. El operario manifiesta que al final de la jornada laboral su agotamiento es menor en relación cuando operaba los moldes anteriores.
Fuente: Realizada por los autores.
165
Tabla 13. Requisitos dimensionales
B PARAMETROS DE ENTRADA RESULTADO
B1 Las dimensiones de las espumas deben verificarse respecto a la norma NTC 5206 / 2009 numeral 5.9.8
Durante el diseño de las piezas, se verifico que las dimensiones correspondan a los requerimientos establecidos en la norma.
B2 Mejorar la calidad de la espuma en cuanto a su forma uniforme.
Se evidencia que para el cojín, basado a partir del diseño original se reconstruye el modelo 3D ideal, bajo los requerimientos de la norma y la empresa. También, mediante el uso de un scanner 3D se realiza la modelación del espaldar, corrigiendo problemas dimensionales y adicionando mejoras a la espuma para aumentar su versatilidad.
B3 Las dimensiones y diseño de las piezas deben ser con base al modelo actual.
Las piezas que fueron modeladas mediante el uso de software 3d, se basaron bajo los diseños previos de las espumas que actualmente fabrica la compañía.
B4
Las dimensiones de la estructura del porta moldes deben ser útiles para cualquier tipo de molde futuro que se desee fabricar o implementar.
Se contempló un banco de trabajo estándar que permita usar cualquier tipo de molde ya sea nuevo o que actualmente posea la empresa. Esto permitió obtener una sección más organizada, limpia y libre de objetos innecesarios que podían afectar el rendimiento del operario.
B5 El nuevo diseño de las espumas, debe mejorar la versatilidad en cuanto a nuevos modelos de tapizados.
Se evidencia que las espumas, ciertamente darán el inicio a generar nuevos modelos de tapizado, lo cual beneficia a la versatilidad del producto por un largo tiempo.
Fuente. Realizada por los autores
166
Tabla 14. Materiales a usar
C PARAMETROS DE ENTRADA RESULTADO
C1 Uso de la espuma de Poliuretano que actualmente se emplea en la compañía como materia prima.
Se usan las mismas especificaciones de materia prima que la empresa emplea para la fabricación de espumas de las sillas.
C2 Se debe usar un material que supla las necesidades encontradas en la fabricación del molde.
Se implementó como material de fabricación de las cavidades fundición de aluminio, pues como se evidencia permite conservar el calor por mucho tiempo, el acabado brillo espejo facilito el desmolde, y se obtuvo un molde de mayor duración.
C3
Se debe usar materiales de acero estructural para la construcción de todos los elementos que conformaran la estación de trabajo.
Durante el diseño de los todos los componentes de la estación de trabajo de los moldes se estableció el uso de aceros estructurales como ACERO A-36, 1020 y 1045.
C4 El molde no deberá deformarse por la presión que genera la espuma cuando ocurre la reacción química.
Al ser un molde de aluminio, este al ser rígido no permite que durante la reacción química este sufra una gran deformación, además los cálculos realizados que la deformación será muy mínima lo cual es casi imperceptible.
C5 El material usado en la fabricación de los moldes deberá conservar el calor y facilitar el desmolde de la pieza.
Se evidencia que los moldes conservan el calor, lo cual reduce la operación de puesta punto. Y debido al brillado del molde este minimiza el riesgo de que alguna pieza se quede atrapada o que no pueda ser expulsada con facilidad.
167
6. CONCLUSIONES GENERALES DEL PROYECTO.
Como resultado del proyecto de diseño presentado, podemos concluir que se logra
una mejora del proceso de inyección de espumas; diseñando y construyendo una
estación de trabajo más óptima mejorando la calidad, cumplimiento y producción de
las espumas inyectadas.
Mediante la implementación de soluciones de ingeniería adaptadas a las
necesidades de la compañía, se cambió 100% de un proceso manual a uno donde
predomina la relación operario – máquina, en el que se reduce el esfuerzo humano,
permite que el personal sea más proactivo, aumenta la producción y mejora la
calidad del ambiente laboral donde se desempaña el operario.
Es así, como se logra obtener un producto de menor masa al reducir la cantidad de
materia prima, con una mejora para el cojín del 28,5%, para el espaldar Valencia
también se logra una mejora al reducir su masa un 20.2%.
Una cualidad del proyecto es que el diseño no se cierra, si no por el contrario queda
como base para mejorar la fabricación del producto, debido a que abre la posibilidad
de automatizar en un 100 % el proceso de inyección y dejarlo como referencia para
la mejora de los demás procesos de la compañía.
Al seguir una metodología adecuada, ordenada y planeada se logra alcanzar el
objetivo deseado, ya que prevé tropiezos e inconvenientes que pueden solucionarse
correctamente sin llevar a sobrecostos.
Las herramientas usadas, como cálculos de diseño, modelación en Solid Edge,
simulaciones y validaciones de todos los puntos que se establecían y que
pretendían evaluar el correcto funcionamiento de este proyecto, permitieron que la
dirección de la compañía tuviera una visión más exacta del resultado final de esta
implementación y disminuir la probabilidad de fallas en la misma.
168
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ANEXOS
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