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Sistemas de enfriamiento
Enfriamiento de contorno para la fabricación
de autopartes
Dr.-Ing. Miguel Garzón
Director de procesos de manufactura
PM-Tec Servicios de Ingeniería S.A.S.
6 Simposio & Exposición Manufactura de Autopartes
Agosto de 2017, Querétaro - México
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Contenido
1 Motivación e introducción
2 Consideraciones técnicas
3 Análisis Económico
4 Conclusiones
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Motivación e introducción
Objetivo
Entender las implicaciones técnicas de la producción de
canales de enfriamiento, a través de manufactura aditiva
e ilustrar las ventajas en calidad de productos y tiempos
de ciclo.
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Motivación e introducción
Importancia
El consumo de plásticos en
autopartes ha incrementado
desde 1960
Hoy, más de 1.000 piezas de
plástico se encuentran en un
vehículo
Un 10% de reducción en el
peso de un vehículo genera un
ahorro de entre el 6% y 8% en
combustible2
4
1 2015 American Chemistry Council Plastics and Polymer Composites in Light Weight Vehicles Report
2 http://energy.gov/eere/vehicles/vehicle-technologies-office-lightweight-materials-cars-and-trucks
1
Tendencias a largo plazo de los plásticos en vehículos ligeros (Libras / Vehículo)1
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Motivación e introducción
Objetivos del Sistema de Refrigeración
1. Maximizar la transferencia de calor → Minimizar el tiempo de ciclo
2. Mantener una temperatura uniforme en la pared de la pieza moldeada → Calidad
3. Minimizar los esfuerzos residuales → Calidad
• El tiempo de
enfriamiento constituye
entre el 50 y el 70% de
un ciclo típico de
inyección
• El enfriamiento aumenta
proporcional al cuadrado
del espesor de pared
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Motivación e introducción
Enfriamiento de Contorno
¿Qué es?
Sistema de enfriamiento que sigue la forma o perfil del núcleo o cavidad
del molde, en pro de alcanzar un enfriamiento uniforme y rápido.
Canales que optimizan la transferencia de calor y la resistencia
mecánica del molde.
Hoy es una alternativa para reducir el tiempo de ciclo y aumentar la
complejidad y la calidad de las piezas inyectadas, gracias a los avances
en técnicas de manufactura, particularmente en la manufactura aditiva.
Fuente: Renishaw
Fuente: Propia
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Motivación e introducción
Enfriamiento de contorno
Enfriamiento de zona
crítica, con formas
libres
Se pueden generar los
canales de enfriamiento
necesarios, sin pensar en
los limitantes de la
manufactura tradicional
Trayectorias
suaves, evitando
bordes rectos
(esquinas)
Seguir el contorno del
inserto y mantener la
distancia a la superficie
constante
Si es necesario dividir
el canal, se pueden
equilibrar los flujos
Fuente: LBC
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Motivación e introducción
Enfriamiento de contorno
Beneficios
Piezas con diseños geométricos de alta complejidad
Disminución del alabeo, rechupes … (problemas en
el control de temperatura) →
Productos de alta calidad
Reducción del tiempo de ciclo →
Mayor productividad
Mayor capacidad instaladaFuente: Hofmann Innovation Group
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Motivación e introducción
Enfriamiento de contorno
Mejoramiento en la
eficiencia del enfriamiento,
mayor resistencia
estructural, mayor vida útil
Tradicional: 150.000 ciclos
Contorno: +350.000 ciclos
Fuente: eos e-Manufacturing Solutions
48% de
reducción del
tiempo de ciclo
37% más rápido el tiempo
de enfriamiento
Temperatura de
enfriamiento se reduce de
102℃ a 82℃La producción por minuto
se duplicó
68% más rápido
el tiempo de
enfriamiento
Tasa de rechazo
de 60% a 0%
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Atemperamiento de una cubierta
de motor
Fuente: Contura GmbH
Motivación e introducción
Enfriamiento de contorno: Circuitos de agua separados
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Atemperamiento de un inserto de molde con cuatro
núcleos separados
Medición del
inserto:
Fuente: Contura GmbH
Motivación e introducción
Enfriamiento de contorno + Insertos de alta conductividad térmica
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Motivación e introducción
Enfriamiento de Contorno
¿Cuáles son las barreras en nuestro
mercado?
Desconfianza en la tecnología;
madurez de las técnicas de
manufactura
Mayores costos de inversión inicial
Mayores competencias técnicas;
modificar la estrategia de diseño
Enfriamiento convencional
=
Canales en línea recta
Enfriamiento de contorno
=
Seguimiento del contorno
Fuente: Propia
Fuente: Propia
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Contenido
1 Motivación e introducción
2 Consideraciones técnicas
3 Análisis Económico
4 Conclusiones
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Producto
Fuentes: SLM Solutions, Zeiss, GF Machining solutions
GENTE• Entrenamiento
• Cultura
KNOW-HOW
Específico
• Diseño
• Modelamiento
• Confiabilidad
SISTEMA• Máquina
• SoftwareMATERIAL
• Propiedades
• Calidad
PROCESO• Parámetros de mecanizado
• Cadena de procesamiento
Consideraciones técnicas
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Consideraciones técnicas
Geometría
Resistencia Mecánica
Transferencia de Calor
En particular, en sistemas de enfriamiento en moldes de inyección
Fuente: Plastic Designs
Fuente: Weiyu Molde Plástico
Productividad
Dos aspectos que
se deben tener
bien definidos
Dos grandes
aspectos a
optimizar
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Consideraciones técnicas
Resistencia Mecánica
Transferencia de Calor
En particular, en sistemas de enfriamiento en moldes de inyección
Posibles
soluciones
Manufactura
convencional
Fuente:
HTS International Corporation
Carvajal Medios B2B
Renishaw
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Consideraciones técnicas
En particular, en sistemas de enfriamiento en moldes de inyección
Resistencia Mecánica
Transferencia de Calor
Posibles
solucionesManufactura aditiva
Fuente:
HTS International Corporation
PENDIENTE
Renishaw
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Enfriamiento con canal
Consideraciones técnicas
Caso de estudio 2
Comparación del enfriamiento de contorno con el enfriamiento convencional para una
misma pieza.
Enfriamiento de contorno
Vs
Fuente: Propia
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Teoría de enfriamiento
Enfriamiento de contorno
La respuesta térmica del molde depende de
la distancia entre los canales y las paredes
del molde al cuadrado!
Canal de
enfriamiento
Enfriamiento convencionalCanal de
enfriamiento
Pared del
moldePared del
molde
Fuente: Contura GmbH
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Enfriamiento con canal
Consideraciones técnicas
Caso de estudio: Temperatura en el molde
Comparación del enfriamiento de contorno con el enfriamiento convencional para una
misma pieza.
Enfriamiento de contorno
Vs
Fuente: Propia
Max = 174ºC Max = 161ºC (-13ºC)
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Enfriamiento con canal
Consideraciones técnicas
Caso de estudio: Temperatura en el molde
Comparación del enfriamiento de contorno con el enfriamiento convencional para una
misma pieza: Diferencia entre las dos mitades del molde disminuye
Enfriamiento de contorno
Vs
Fuente: Propia
70
75
80
85
90
95
100
105
1 3 5 7 9 11 13 15
Tem
pera
tura
[ºC
]
Tiempo [min]
AA
B B
Ca
na
lC
on
torn
o
A B
ΔTmax = 13,2ºC
ΔTmax = 6,4ºC
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Consideraciones técnicas
Caso de estudio: Análisis de flujo de agua en los canales
v03 v04
Tubería de 1/4” a 6 lpm. Tubería en
serpentín, 2 entradas, 2 salidas.
Tubería de 1/4” a 6 lpm. Tubería en serpentín con
direccionador de flujo en parte móvil del molde, 2
entradas, 2 salidas.
Objetivo: Analizar el desempeño de dos sistemas de
enfriamiento (v03 y v04), con los parámetros de materiales y
temperaturas iguales en ambos sistemas.
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Consideraciones técnicas
Caso de estudio - Flujo del agua en los canales: Velocidad
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Consideraciones técnicas
Caso de estudio - Flujo del agua en los canales: Número Re
El flujo laminar
solo permite la
transferencia de
calor a través de
la conducción de
capa a capa del
flujo.
En el flujo
turbulento se
da transferencia
de masa en la
dirección radial,
luego hay
transferencia por
convección y
conducción
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Lado móvil
Lado fijoMaterial: PC + ABS
Consideraciones técnicas
Caso de estudio: Necesidad de canales independientes
Aplicación automotriz 2K para la tapa del aire
acondicionado
Alto brillo
Altos requerimientos dimensionales
Fuente: Contura GmbH
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Qué pasa con el flujo de plástico dentro del molde?
Fuente: Contura GmbH
Tradicional Variotherm
Control clásico de proceso: Problema clásicoControl clásico de proceso: Problema clásico Solución: Control de proceso von Variotherm
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Caso de estudio: Eliminación de líneas de soldadura con Variotherm
Fuente: Contura GmbH
Atemperamiento de un marco de carcasa para pantalla en el interior de un vehículo
Línea de soldadura
Línea de unión
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Fuente: Contura GmbH
Atemperamiento de un marco de carcasa para pantalla en el interior de un vehículo
Caso de estudio: Eliminación de líneas de soldadura con Variotherm
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Consideraciones técnicas
Caso de estudio: Reducción de defectos (Rechupes)
Objetivos
Comparar el desempeño del sistema de enfriamiento convencional con la
alternativa de implementar enfriamiento de contorno.
Evaluar el tiempo tentativo de solidificación.
Determinar posibles defectos en el producto.
Sistema de enfriamiento convencional Sistema de enfriamiento de contorno
¼ del molde ¼ del molde
Fuente: Propia
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Consideraciones técnicas
Caso de estudio 3: Temperatura del molde más uniforme
Temperatura del molde después del llenado
𝑇𝑚𝑎𝑥 = 92,3℃𝑇𝑚𝑖𝑛 = 12,0℃
𝑇𝑚𝑎𝑥 = 66,2℃𝑇𝑚𝑖𝑛 = 12,0℃
Sistema de enfriamiento
convencionalSistema de enfriamiento
de contorno
Temperatura del molde después del llenado
-28%
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Consideraciones técnicas
Caso de estudio – Producto con menos concentración local de calor
Temperatura producto 1s después de solidificación
𝑇𝑠 = 137,2℃𝑇𝑖 = 181,6℃
𝑇𝑠 = 122,3℃𝑇𝑖 = 167,0℃
Sistema de enfriamiento
convencionalSistema de enfriamiento
de contorno
Fuente: Propia
-11%
Temperatura producto 1s después de solidificación
-8%
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Consideraciones técnicas
Caso de estudio – Producto tiene menor presencia de rechupes
Marcas de rechupe
𝑅𝑒𝑐ℎ𝑢𝑝𝑒𝑚𝑎𝑥 = 0,1223 𝑚𝑚𝑅𝑒𝑐ℎ𝑢𝑝𝑒𝑚𝑖𝑛 = 0,0119 𝑚𝑚
Sistema de enfriamiento
convencionalSistema de enfriamiento
de contorno
Marcas de rechupe
𝑅𝑒𝑐ℎ𝑢𝑝𝑒𝑚𝑎𝑥 = 0,0846 𝑚𝑚𝑅𝑒𝑐ℎ𝑢𝑝𝑒𝑚𝑖𝑛 = 0,0119 𝑚𝑚
-31%
Fuente: Propia
Tiempo de ciclo 56% menor
Menores marcas de rechupe: 31% menor
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Consideraciones técnicas
Manufactura Aditiva - Principio SLM (Selective Laser Melting)
Fuente
Láser
Escáner
Peine dispersador
Material
sinterizadoMesa de
trabajo
Polvo sin
utilizar
- z
Capas > 20 µm
Fuentes: WZL, Autodesk
𝐸𝜌 =𝑃
𝑢𝛿
J
mm2
𝑬𝝆 Densidad de energía láser
𝑃 W Potencia del láser
𝑢 mm s Velocidad de escaneado
𝛿 mm Diámetro del haz láser
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Consideraciones técnicas
Piezas fabricadas por Sinterizado/Fusión Láser Selectiva
Fuentes: GF Machining solutions, Rennteam Uni Stuttgart, SLM, Renishaw
Ind
. M
old
es
Ind
. A
uto
motr
iz
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Consideraciones técnicas
Propiedades de los materiales
Dureza Barra SLM
Aluminio HB 75 119
Acero herramientas HRC 55,1 53
Acero inoxidable HRC 15 8
Titanio HRC 36 32
301,5
2214
540
950
460
2050
640
1290
0
500
1000
1500
2000
2500
Esfu
erz
o ú
ltim
o a
tensió
n [
MP
a]
Barra Polvo sinterizado SLM
171
2166
470
880
270
1990
530
1140
0
500
1000
1500
2000
2500
Esfu
erz
o d
e f
luencia
[M
Pa]
Barra Polvo sinterizado SLM
Aluminio - ALSi10Mg
Acero herramientas – Acero Nr.1.2709
Acero inoxidable – 316SSUNS S31673
Titanio - Ti6AI4V
Fuentes: Matweb, atimetals, EOS GmbH, SLM Solutions
Datos para los materiales después de
tratamiento térmico
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Consideraciones técnicas
Porosidad
Buen proceso: Densidad piezas >99%
Post-procesamiento
– Tratamientos térmicos
– Compresión
HIP – Hot Isostatic Pressing
– Calor y presión en un medio de gas inerte
– Es un proceso de formado y de
densificación
– Eliminar porosidad
– Post-densificación de piezas sinterizadas
Mal proceso: SLM de AlSi10Mg con polvo húmedo.
Alta porcentaje de poros de hidrógeno
Buen proceso: SLM de AlSi10Mg.
Densidad pieza >>99%
Fuentes: ISSN 0924-0136, thelibraryofmanufacturing.com
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Consideraciones técnicas
Rugosidad superficial
25-35 µm Rz
Postproceso: dejar material adicional por al menos 0.5mm
Acabado: con fresado, rectificado, pulido manual, EDM, etc.
Mínimo: Sandblasting, para retirar completamente polvo no sinterizado
Fuentes: DMG MORI
Eje
mplo
para
LM
D
Fresado
5-Ejes
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Consideraciones técnicas
Alabeo
Deformación de la pieza después del proceso o después de retirar patas de
soporte
Posición patas de soporte para transferencia de calorFuentes: University of Pittsburgh, US Securities and Exchange commission
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Consideraciones técnicas
Costos
Por lo general, el polvo es varias veces más costosos que el material en barra o placa
¡Sólo hay que usar lo que uno necesita!
Costos promedio en Euro/kg entre material en barra o placa y polvo certificado
2 24 28 3362
92
400
120 110 120
0
100
200
300
400
500
Co
sto
[E
uro
/kg]
Barra Polvo
Fuentes: 3ders.org, zauba.com, EOS, SLM
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Otros procesos posibles para hacer enfriamiento de contorno
Soldadura en vacío
Soldadura por difusión
Uso de tecnologías de fusión de
medallas
Fuente: Contura GmbH
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Agosto 22 a 24 de 2017. Prohibida su reproducción, venta, comercialización o difusión, total o parcial, sin autorización expresa del
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Contenido
1 Motivación e introducción
2 Consideraciones técnicas
3 Análisis Económico
4 Conclusiones
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Análisis económico
Preparación
Material
Alistamiento
Tiempo de
manufactura
Remover (placa)
Taladrado
Tratamiento térmico
Costos de producción ($USD) C
on
ve
ncio
nal
Sin
teriza
do
Fuente: Hofmann Innovation Group
Caso de estudio: Comparación entre manufactura convencional y manufactura por
sinterizado LASER
~$3056
+80%
~ $5525
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Análisis económico
Preparación
Alistamiento
Tiempo de
manufactura
Remover (placa)
Taladrado
Tiempo de producción (h)
Con
ve
ncio
nal
Sin
teriza
do
Caso de estudio: Comparación entre manufactura convencional y manufactura por
sinterizado LASER
Tratamiento
térmico
94 h
180 h
-48%
Fuente: Hofmann Innovation Group
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Análisis económico
Cadencia ( 𝐶 ): Número de piezas
inyectadas por hora en un molde
𝐶 =𝑛𝑓
𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜3600 1 − 𝑟
𝑛𝑓: Número de piezas por molde
𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜: Tiempo de ciclo (s)
𝑟 : Tasa de descuento (rechazadas) (%)
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
0 20 40 60 80
Ca
de
ncia
Reducción del tiempo de ciclo (%)
𝑛𝑓 = 16 𝑟 = 10%𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 100 𝑠𝐶𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 518 𝑢/ℎ
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Análisis económico
Cadencia ( 𝐶 ): Número de piezas
inyectadas por hora en un molde
𝐶 =𝑛𝑓
𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜3600 1 − 𝑟
𝑛𝑓: Número de piezas por molde
𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜: Tiempo de ciclo (s)
𝑟 : Tasa de descuento (rechazadas) (%)𝑛𝑓 = 16 𝑡𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜 = 100 𝑠
𝑟𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 60%𝐶𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 230 𝑢/ℎ
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
0 20 40 60 80 100
Ca
de
ncia
Reducción de la tasa de rechazo (%)
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Análisis económico
Fuente: eos e-Manufacturing Solutions
Costos &
Ingresos
Costos
iniciales
mayores
Ganancia
Cantidad
Reducción
del tiempo
de ciclo
Costos fijos Contorno
Costos fijos Convencional
Cant. ConvencionalCant. Contorno
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Análisis económico
Convencional Contorno
Valor pieza ($/u) 0,14
Peso pieza (g\u) 100
Costo hora de producción ($/h) 17
Costo material ($/kg) 0,67
Costo por scrap ($/u) 0,27
Costo molde ($/molde) 16700 30060
Otros costos fijos ($) 0 2000
nf 16
t ciclo (s) 100 70
r 3,5% 0,5%
Cadencia (u/h) 556 819
Unidades perdidas (u/h) 20 4
Costo por pieza sin costos fijos ($/u) 0,11 0,09
+180%
-30%
-85%
+147%
-18%
Caso de estudio
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Análisis económico
Convencional Contorno
Cantidad (miles u) 4000
Ganancia (Dolares 92 041 156 496 +170%
Caso de estudio
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Análisis económico
Item Convencional Contorno
Piezas para retorno positivo (miles u) 614 680
Tiempo para retorno positivo (dias) * 46,0 34,6
*trabajando 24 horas
+11%
-25%
Caso de estudio
No siempre se
requiere
enfriamiento de
contorno!!!
Más rentable
con Enfriamiento
Convencional
Más rentable
con Enfriamiento
de Contorno
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Contenido
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2 Consideraciones técnicas
3 Análisis Económico
4 Conclusiones
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Conclusiones
El enfriamiento de contorno hoy es una estrategia para la
competitividad, en la medida en la que logramos reducir el tiempo de
ciclo y aumentar la calidad y complejidad de las piezas moldeadas.
La manufactura aditiva ya no es tan solo un método “innovador” para
fabricar piezas de prueba. Hoy en día es un método más dentro de la
cadena de manufactura moderna, que permite materializar los sistemas
de enfriamiento de contorno.
Es necesario continuar con el desarrollo tanto en el ámbito de
manufactura, como en el diseño de los sistemas de enfriamiento de
contorno.
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MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN
Fuente: Bastech
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