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DISEÑO, FABRICACIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE MÁQUINA CENTRIFUGADORA EN EL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE ESPUMAS METÁLICAS. PROYECTO FINAL

ASIGNATURA: Taller de Ingeniería de Procesos Industriales

PRESENTADO POR Alexa Marcela Ortiz Cardona Sebastián Camilo Rodríguez Giraldo Danilo Alejandro Rodríguez Medina Juan David Valencia Noreña

PRESENTADO A MSa. Paula Cristina Cuellar Soares PhD. Sandro Báez Pimiento

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MANIZALES FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA INDUSTRIAL PROGRAMA CURRICULAR DE INGENIERÍA INDUSTRIAL MANIZALES 2019

CONTENIDO INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………………3 OBJETIVOS GENERAL Y ESPECÍFICOS……………………………………………………...4 1. FASE CONCEBIR……………………………………………..……………………………...5 1.1. MARCO CONCEPTUAL Y GENERALIDADES DE LA EMPRESA………………....5 1.2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO PRODUCTIVO………………………………………7 1.3. IDENTIFICACIÓN DE LA SITUACIÓN A MEJORAR………………………………..9 1.4. ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN……………………………………………………...9 1.5. SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA DE SOLUCIÓN………………………………10 2. FASE DISEÑAR……………………………………………………………………………..11 2.1. ANÁLISIS DE CONDICIONES DE OPERACIÓN PARA LA SOLUCIÓN REAL Y PARA EL MODELO PILOTO……………………………………………………….11 2.2. CÁLCULOS NECESARIOS PARA EL DISEÑO DE LAS PIEZAS O SISTEMAS DEL MODELO PILOTO………………………………………………………………..11 2.3. DISEÑO DE LA ALTERNATIVA SELECCIONADA A NIVEL PILOTO…………...21 2.4. A PROCEDIMIENTO DE USO Y PRESUPUESTO PARA LA SOLUCIÓN REAL Y EL MODELO PILOTO……………………………………………………………….23 3. FASE IMPLEMENTAR……………………………………………………………………..26 3.1. CONSTRUCCIÓN………………………………………………………………………26 3.2. ENSAYOS PRELIMINARES…………………………………………………………..30 CONCLUSIONES………………………………………………………………………………..31 RECOMENDACIONES…………………………………………………………………………31 BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………………………………31

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INTRODUCCIÓN Las espumas o esponjas metálicas corresponden a un material nuevo e innovador que integran diversas características de los metales, incorporadas en estructuras porosas o en forma de red, permitiendo así obtener propiedades únicas, como un material ligero de baja densidad, con alta capacidad de absorción o amortiguamiento de impactos y vibraciones, absorción acústica y control de calor, diseñadas con el fin de ser aplicadas en una extensa gama de sectores de la industria, como por ejemplo en el sector automotriz, militar, de construcción, otros. Para la obtención del material existen varios métodos, que se llevan a cabo según su estado, los cuales corresponden a: en estado sólido, por medio de metalurgia de polvo; en estado líquido por fusión y en una fase de vapor, por deposición del metal. De los cuales, en el laboratorio es utilizado el proceso de obtención en estado líquido por fusión, a través de una adición de partículas, que consiste en formar una estructura celular interconectada, mediante la adición de polvos (partículas de cloruro de sodio) mezclados y compactados para posteriormente, diluir uno de ellos en un solvente; dicha estructura posee entre el 75% y el 95% de volumen vacío, determinado por el tamaño de las partículas. Este método se ha usado con aleaciones de Al, Mg, Zn, Au, Ti, y fundiciones de Fe. Este trabajo, realizado en la asignatura Taller de Ingeniería de Procesos Industriales, se fundamentará en la mejora de uno de los procesos secundarios de producción de las espumas metálicas (post tratamiento), correspondiente a la extracción de humedad y polvos, a través del centrifugado del material, con el fin de mejorar los tiempos de secado y la disminución de salinidad resultante tras la obtención del material, para posteriormente utilizarlo en proyectos de carácter investigativo. Para llevar a cabo este proyecto, se fabricará una máquina de centrifugado en 4 etapas, las cuales corresponden a: Concebir, diseñar, implementar y operar (CDIO). La etapa de concebir consiste en conocer cuál es el proceso a mejorar (en este caso es la extracción de humedad y polvos de la espuma), la segunda etapa (diseñar) tiene como fin realizar un esquema detallado sobre la máquina, teniendo en cuenta las dimensiones, materiales, esfuerzos a los cuales están sometidos cada una de las partes y el presupuesto necesario para la adquisición de todos los materiales necesarios; consecutivamente, la etapa de implementar consiste en la fabricación de la máquina, con el apoyo del Laboratorio de Materiales de la Universidad Nacional, y la cuarta etapa (operar) consiste en llevar a cabo el funcionamiento de la máquina de manera exitosa.

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OBJETIVOS GENERAL Y ESPECÍFICOS OBJETIVO GENERAL Diseñar, fabricar e implementar un sistema de centrifugado eficiente a la hora de disminuir los niveles de concentración de sal y agua en las espumas metálicas, de manera que le permita al laboratorio de materiales de la Universidad Nacional optimizar el proceso de producción de dichas espumas. OBJETIVOS ESPECÍFICOS • • • •

Conocer, identificar y encontrar las alternativas de solución relacionadas con el proceso productivo sobre el cual se va a realizar la mejora. Diseñar la alternativa de solución identificada. Ejecutar paso a paso el diseño del sistema de centrifugado, realizando las pruebas de funcionamiento y ajustes necesarios. Poner en marcha el sistema fabricado, garantizando su correcto funcionamiento.

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1. FASE CONCEBIR

1.1 MARCO CONCEPTUAL Y GENERALIDADES DE LA EMPRESA. El laboratorio de materiales y procesos industriales de la Universidad Nacional sede Manizales, inicia con una propuesta presentada a la Dirección de laboratorios el día 08 de septiembre de 2016 por el profesor Sandro Báez Pimiento y, seguidamente, luego de su apertura, dicha persona se convierte en el director del semillero de investigación en obtención de materiales porosos. El laboratorio se crea con el objetivo de indagar sobre las propiedades y aplicaciones de metales porosos, obtener metales porosos mediante el proceso en estado sólido de sinterizado- disolución y el proceso en estado líquido de infiltración de rellenos removibles y la caracterización de los metales celulares obtenidos. Actualmente, la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales cuenta con dispositivos que permiten trabajar y realizar investigaciones utilizando diferentes materiales que disponemos a nuestro alcance, con el fin de desarrollar proyectos con recursos que ofrece la universidad a su grupo investigativo, entre estos se encuentran ensayos a compresión, tensión e impacto. La muestra trabajada en el laboratorio es un material compuesto de Zinc (Zn) con 90% y Aluminio (Al) con un 10% de contenido, estos metales se le adicionan al compuesto con tal de proporcionarle características diferentes a su estructura. Esta muestra recibe el nombre de espuma metálica o de aluminio y tiene una forma geométrica de un lingote poroso isotrópico, el cual tiene su forma de acuerdo al molde que contenga la máquina de fundido del laboratorio, sin embargo, la forma puede diferir en algunos casos según las dimensiones del ensayo que sea necesario elaborar para la investigación. Las espumas se dividen en dos tipos de estructuras según su cavidad o geometría de poro, poros abiertos y poros cerrados. Los poros de adecuan con una tamizadora al separar las partículas de sal con conforme al objetivo que se tenga en el proyecto, debido a que los poros permiten trabajar en distintas áreas en los sectores industriales, las dimensiones de los poros tienen una longitud entre 4.3cm y 18cm. En la tabla Nº1, se explica cómo nos ayudan los tipos de poros en diferentes casos: Poros Abiertos Poros Cerrados Poseen propiedades térmicas que admiten la Le ofrece al material o espuma una gran disipación de calor, se aplica igualmente en la rigidez y aislamiento acústico. recuperación de calor y catalizadores. Tabla Nº1: Tipos de poros.

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En las imágenes 1 y 2 se muestra una espuma de aluminio con forma de lingote, obtenida en el laboratorio de materiales:

Imagen Nº1 e Imagen N°2: Espumas metálicas (imágenes tomadas por el autor)

El lingote cilíndrico que se está trabajando tiene ventajas físicas, químicas y mecánicas, las cuales ayudan a una amplia variedad de actividades dentro de la industria y al objetivo del proyecto. Se puede identificar que el lingote es de baja densidad (respectivos análisis más adelante dentro de la etapa diseñar), es altamente eficaz en cuanto a la absorción de energía bajo impactos de choque y vibración, posee buena absorción de sonido, no es inflamable y es resistente a altas temperaturas. Todas estas propiedades dependen de la inyección de partículas o gas para poder formar poros en el lingote. [1] Algunos de los sectores industriales donde se encuentran aplicaciones de las espumas metálicas se presentan a continuación: -Industria Automotriz -Industria Naval -Industria Ferroviaria -Industria Militar -Industria de la Construcción -Industria Aeroespacial -Industria Ortopédica Posteriormente se presenta el organigrama de la Universidad Nacional Sede Manizales (Gráfica n°1) en su contexto de la creación de dicho laboratorio. Encontramos como director de laboratorio de materiales y procesos, y su vez profesor, a Sandro Báez Pimiento, acompañado de su auxiliar Danny Mauricio y seguidamente los estudiantes de Doctorado y pregrado.

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Gráfica N° 1 Organigrama de sede Laboratorio de Materiales y procesos industriales

Glosario • • •

Sinterización de disolución: Cambio geométrico que se produce cuando un conjunto de partículas se eleva a altas temperaturas. Líquido de infiltración: Introducción gradualmente de un fluido entre los poros de un sólido. Inyección por partículas: Consiste en inyectar polímeros, cerámicos o metales en estado fundido en un molde cerrado a presión. [2]

1.2 DESCRIPCIÓN DEL PROCESO PRODUCTIVO En el laboratorio de materiales metálicos avanzados actualmente se cuenta con solo una línea de producción, donde se fabrican espumas metálicas formadas a partir de sal de mar y tres distintos materiales metálicos, el primero es una aleación de 90% zinc y 10% aluminio, el segundo es una aleación de aluminio y el tercer material de una aleación de silicio Antes de iniciar a fabricar las espumas, se realizan las siguientes actividades: 1. Preparación de la sal marina (secado). El diámetro varía 2. Preparación del molde: se le agrega grasa, se aplica grafito con agua 3. Preparar el material metálico (lingote cortado) 7

4. Programar la temperatura El proceso productivo es el siguiente: 1. Introducir la sal en el molde 2. Introducir el contenedor en el horno y después el lingote del metal 3. Una vez el material sea ingresado, se lleva a su temperatura de fusión se inyecta por medio de gas de argón 4. Después de enfriado el material, se tornea para ajustar las medidas 5. Hacer el desalinizado 6. Dejar al ambiente para secar durante 3 días A continuación, en la Tabla N°2, encontraremos aquellos elementos que son considerados Tecnologías Duras de proceso EQUIPO Horno Torno

FUNCIÓN Fundir y moldear Ajustar medidas y mejorar la forma Tabla Nº2: Tecnologías duras

Para una sencilla visualización del proceso, la gráfica Nº2 muestra un diagrama de precedencia con las principales actividades de dicho proceso. Además, en la Tabla N°3, la morfología de los procesos primarios.

Gráfica N°2: Diagrama de precedencia del proceso.

FLUJO DE INFORMACIÓN

FLUJO DE MATERIAL

FLUJO DE ENERGIA

ESTA DO DE MATE RIAL

PROC ESO BASIC O

TIPO DE PROCE SO

CREACIO N DE SUPERFI CIES

P. Mvto. MATE RIAL

P. Mvto. HERRAMIENTA /TROQUEL

ENER GIA A EQUI PO

MEDIO DE TRANSFE RECIA

ENER GIA A PIEZA

Fundi ción Inyec ción

Liqui do Liqui do

Mecá nico Mecá nico

Direct o Direct o

Tridime nsional Tridime nsional

Ningu no Trasla ción

Ninguno

Ning una Eléct rica

Rígido

Torn eado

Solid o

Mecá nico

Diver gente

Tridime nsional

Ningu no

Térm ica Mecá nica y térmi ca Mecá nica

Traslacional

Rotacional

Tabla Nº3: Morfología del proceso 8

Eléct rica

Gaseoso

Rígido

1.3 IDENTIFICACIÓN DE LA SITUACIÓN A MEJORAR Una vez se hace el proceso de desalinización, uno de los procesos que se mejoró en semestres anteriores, consistente en retirar todas las partículas de sal que se encuentran en la espuma metálica, se puede notar que estas continúan teniendo cierto nivel de salinidad y un alto contenido de agua en su interior, los cuales reaccionan con facilidad y con el paso del tiempo provocan que se acelere el proceso de oxidación, debido a que cuando los metales están expuestos a estas circunstancias, reaccionan perdiendo sus propiedades y condiciones originales. Actualmente en el laboratorio al no contar con una herramienta que facilite el proceso de secado de las espumas, este se realiza de forma manual y se dejan al aire libre hasta que esta pierda su contenido de agua, por lo que hacer que las espumas se sequen resulta ser un proceso muy lento que puede tardar días. De manera que resulta necesaria la implementación de un sistema que permita eliminar la mayor cantidad posible de sal y agua que queda contenida en la espuma, reduciendo así el nivel de humedad en la mayor cantidad posible y sobre todo en un periodo de tiempo mucho más corto, en primer lugar, para evitar la oxidación de las espumas y en segundo lugar para agilizar el proceso productivo de espumas metálicas de manera que puedan ser utilizadas oportunamente. 1.4 ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN •

•

•

Opción 1: A través de un motor será transmitido un movimiento giratorio, utilizando un regulador de velocidad a un contenedor con 4 compartimientos donde se ubicarán las espumas metálicas de forma vertical, para eliminar la humedad restante por la fuerza centrípeta del movimiento de centrifugado, el cual origina una fuerza, la sedimentación del agua que terminará en fondo del contenedor al presentar mayor gravedad. Paralelamente se le inyectará un flujo de aire a presión para ayudar a la estimulación de la extracción del agua. Opción 2: A través de un motor será transmitido un movimiento giratorio dirigido a un molde o cesto que contará con unos tornillos que servirán como seguro para que la esponja no se mueva y no cause algún tipo de accidente, utilizando un regulador de velocidad y un mecanismo que permita la inversión de giro del movimiento, con el fin de eliminar la humedad restante a través de la fuerza centrípeta del movimiento y a su vez utilizando un sistema de drenaje. La inversión de giro será para garantizar que la pieza pueda eliminar el contenido de agua que posee distribuido a lo largo de toda la espuma metálica cilíndrica. Además de ello, se le inyectará un flujo de agua con el fin de eliminar la mayor cantidad de sal posible que aún posee en su interior tras su proceso de fabricación; dicha máquina debe poseer una tapa de seguridad para evitar algún accidente. Opción 3: A través de un motor será transmitido un movimiento vibratorio al cesto o molde que contendrá la pieza, utilizando un eje excéntrico y una inyección de un flujo de aire a presión, con el fin de eliminar la mayor cantidad de humedad posible, teniendo en cuenta que la máquina debe de tener una tapa de seguridad y también un tornillo asegurador, con el fin de que la pieza no sufra cualquier tipo de deformación, por el contacto vibratorio de la espuma metálica con el cesto o molde.

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1.5 SELECCIÓN DE LA ALTERNATIVA DE SOLUCIÓN Para seleccionar la mejor alternativa, es necesario tener en cuenta varios aspectos: 1. Eficiencia de la máquina 2. Consumo de Energía 3. Tiempo requerido ALTERNATIVAS EFICIENCIA MÁQUINA Opción N°1 Bueno Opción N°2 Bueno Opción N°3 Bueno

CONSUMO ENERGÍA Alto Medio Alto

TIEMPO REQUERIDO Bastante Poco Bastante

PRESUPUESTO Alto Mediano Mediano

Tabla Nº4: Comparación de las alternativas

•

Opción 1: Puede cumplir satisfactoriamente con el objetivo, pero la máquina puede requerir un mayor consumo de energía y tiempo, debido a que es necesario transmitir un movimiento que requiere de un gran esfuerzo, ya que en su esquema poseerá cuatro (4) espumas metálicas, aumentando el peso, y además de ello, será necesario un mayor presupuesto para su implementación, ya que requerirá de piezas más grandes y resistentes para los esfuerzos a los cuales estarán sometidos las piezas.

•

Opción 2: Puede cumplir satisfactoriamente con el objetivo, teniendo en cuenta que tendrá un consumo de energía menor, respecto a la opción 1, ya que solo se implementará para una espuma metálica a la vez y la duración del proceso será menor, ya que la cantidad de humedad a extraer será menor. Otro aspecto a tener en cuenta corresponde al presupuesto, ya que en este caso puede ser más económico en comparación con la opción 1, porque las piezas requeridas pueden ser más pequeñas y de materiales con menor resistencia a los esfuerzos.

•

Opción 3: Puede llegar a cumplir el objetivo satisfactoriamente, pero la duración del proceso será mucho mayor en comparación con las primeras dos opciones, ya que la fuerza generada por la inercia a través del movimiento vibratorio posiblemente sea menor, en comparación con la fuerza centrífuga de las dos primeras opciones, y de igual manera, esto conlleva un mayor consumo de energía. Además de ello, el presupuesto necesario puede llegar a ser un poco mayor, ya que las piezas necesarias para su implementación deben tener muy buenas propiedades mecánicas de capacidad a esfuerzos, dado choque constante del movimiento vibratorio.

Por tanto, teniendo en cuenta que el laboratorio de Materiales de la Universidad Nacional está produciendo las espumas metálicas con fines investigativos, no relacionados con una producción en gran cantidad para su comercio, entonces la mejor propuesta para llevar a cabo de manera más profunda corresponde a la Opción 2.

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2. FASE DISEÑAR 2.1 ANÁLISIS DE CONDICIONES DE OPERACIÓN PARA LA SOLUCIÓN REAL Y PARA EL MODELO PILOTO Para el desarrollo, implementación y funcionamiento de la máquina el principal espacio con el que se cuenta es el laboratorio de materiales metálicos avanzados de la Universidad Nacional, lugar donde se va a fabricar la centrifugadora en su totalidad con ayuda de algunas herramientas, tales como el torno, la ingletadora, taladro, soldador, machuelos, tarrajas y cautín eléctrico, estos permitirán realizar los cortes, diferentes soldaduras, ajustes de diámetros y demás procesos necesarios para obtener las piezas que conformarán la máquina. Inicialmente, se cuenta con un motor trifásico con 1 caballo de fuerza que funciona a una velocidad de 1800 𝑅𝑃𝑀 (revoluciones por minuto), sin embargo a este se le implementará un controlador de velocidad con el fin de tener dominio sobre la fuerza que se genera, a causa del número de revoluciones por minuto a las que gira el motor; además, este se puede alimentar con voltajes alternativos, con 110 𝑉, consumiendo una corriente de 14,26 𝐴 (𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟𝑖𝑜𝑠) 𝑜 220 𝑉 consumiendo una corriente de 7,13 𝐴. Para el caso de la máquina centrifugadora, será conectada a 220 𝑉 para aprovechar un tomacorriente de 50 𝐴 existente en el laboratorio, ahorrando la instalación de un tomacorriente adicional allí mismo. Para que el proceso de centrifugado sea mucho más eficiente, se cuenta con un compresor de aire, recurso que también será aprovechado del laboratorio, el cual será conectado a la máquina mediante una boquilla ubicada en la guarda de seguridad, direccionada hacia el eje central de giro. Este compresor tiene una presión de 156 𝑃𝑠𝑖. Finalmente, para realizar el montaje de la máquina será utilizado un espacio en la repisa del laboratorio, específicamente se ocuparán unas dimensiones de aproximadamente 60 𝑐𝑚 de ancho x 90 𝑐𝑚 de longitud, debido a que allí se encuentran otras dos máquinas utilizadas en la producción de espumas, de manera que cuando la muestra sea extraída de la máquina de desalinizado y posteriormente sea trasladada al proceso de centrifugado, el desplazamiento de las espumas en el laboratorio sea mínimo. 2.2 CÁLCULOS NECESARIOS PARA EL DISEÑO DE LAS PIEZAS O SISTEMAS DEL MODELO PILOTO A continuación, se relacionarán los cálculos que se consideraron necesarios para el funcionamiento óptimo del sistema de centrifugado, los ítems a tratar se basan en la selección de los diferentes materiales y dimensiones de las piezas, estas corresponden a: ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢ ➢

Eje del motor Eje conector Eje secundario Eje central Brazos Tapas de seguridad Tornillos de acople 11

Se resalta que, como restricción, las piezas a seleccionar deben ser fabricadas por materiales resistentes a la corrosión, ya que este proceso está expuesto a condiciones de humedad y salinidad. •

Las condiciones iniciales del motor son:

1 𝐻𝑃 = 745,7 𝑤𝑎𝑡𝑡𝑠 El motor girará a unas 1500 𝑟𝑝𝑚 con la ayuda del regulador de velocidad para evitar algún fallo en el proceso ∅𝑒𝑗𝑒 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 24 𝑚𝑚 •

Para calcular la densidad de la espuma metálica se relacionaron diferentes masas y volúmenes obtenidos de algunas muestras existentes en el laboratorio, que corresponden a:

𝑚𝑎𝑠𝑎: 338 𝑔 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛: 261,407 𝑐𝑚3 𝜌= •

𝑚 338 𝑔 𝑔 = = 1,293 ⁄𝑐𝑚3 3 𝑣 261,407 𝑐𝑚

Una vez obtenida la densidad de la espuma metálica se puede hallar la masa de la muestra de mayor tamaño que será procesada en la máquina de centrifugado según las medidas de los moldes más grandes, para así obtener los cálculos de fuerzas utilizando la mayor magnitud de las cargas.

∅𝑒𝑗𝑒 = 10,85 𝑐𝑚 ℎ = 29,3 𝑐𝑚 𝑣 = 𝜋𝑟 2 ℎ = 𝜋(5,425 𝑐𝑚)2 (29,3 𝑐𝑚) = 2709,049734 𝑐𝑚3 •

Y tras calcular el volumen de las espumas, se procede a calcular la masa, obteniendo así: 𝑔 𝑚 = 𝜌𝑣 = 1,293 ⁄𝑐𝑚3 . 2709,049734 𝑐𝑚3 = 3502,801𝑔 = 3,502 𝐾𝑔

A continuación, se encuentran las medidas de los siguientes ejes, sometidos a diferentes esfuerzos torsionantes:

Figura Nº1: Diagrama ejes combinados del motor 12

Las cuales, corresponde a: 1. Eje motor 2. Eje conector 3. Eje secundario 2.2.1 Eje del motor Para el eje del motor, es necesario obtener el esfuerzo a cortante máximo de la barra para tener la seguridad de que esta pueda soportar la fuerza que se genera a causa de la velocidad de giro. Se utiliza la fórmula de torsión para obtener el torque que se genera en el eje, donde: T: torque P: potencia del motor f: frecuencia del motor

𝑓= 𝑇=

1500 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠 60 𝑠𝑒𝑔

= 25𝑠𝑒𝑔 −1

𝑃 745,7 𝑤 = = 4,747 𝑁. 𝑚 2𝜋𝑓 2𝜋(25 𝑠𝑒𝑔 −1 )

Ahora, teniendo el valor del torque se puede hallar el esfuerzo a cortante máximo con la siguiente fórmula, donde; T: torque C: radio exterior 𝜋 J: momento polar 𝐽 = 2 𝑅4 𝜏𝑚𝑎𝑥

(4,747 𝑁. 𝑚)(1,2 𝑥 10−2 𝑚) 𝑇𝐶 = = = 1,7486 𝑀𝑃𝑎 𝜋 𝐽 (1,2𝑥10−2 𝑚)4 2

En conclusión, teniendo en cuenta que el material del eje es un acero 1040 y su esfuerzo a última tensión es de 498,146 Mpa 𝜏𝑚𝑎𝑥

𝜏𝑚𝑎𝑥 = 0,6 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝜏𝑚𝑎𝑥 = 0,6 𝜎(498,146 𝑀𝑃𝑎) 𝜏𝑚𝑎𝑥 = 298,88 𝑀𝑃𝑎

Y hallando su esfuerzo a cortante máximo, es posible apreciar que el eje puede soportar el esfuerzo al que está sometido. Ahora, realizando una sumatoria de Momentos en el punto A, obtenemos que: ∑ 𝑀𝑎 = 0 𝐹𝑎 ∗ 𝑟𝑎 − 𝑇𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 = 0

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𝐹𝑎 =

4,747 𝑁. 𝑚 = 395,5833 𝑁 0,012 𝑚

Donde 𝐹𝑎 : Fuerza de reacción al motor en el punto A 𝑟𝑎 : Radio del eje del motor 𝑇𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 : Torque del motor

2.2.2 Eje conector Posteriormente, se realiza una sumatoria de Torsión en el punto B, para poder hallar el torque en el eje conector: ∑ 𝑇𝑏 = 0 𝐹𝑎 ∗ 𝑟𝑏 − 𝑇𝑏 = 0 𝑇𝑏 = 395,5833 ∗ 0,015875 = 6,2798 𝑁. 𝑚 Ahora, teniendo el valor del torque se puede hallar el esfuerzo a cortante de trabajo 𝜏𝑤 =

(6,2798 𝑁. 𝑚)(0,015875 𝑚) 𝑇∗𝐶 = = 999,274 𝐾𝑃𝑎 𝜋 𝐽 (0,015875 𝑚)4 2

Donde; 𝐶: radio exterior eje conector Ahora, es necesario compararlo con el esfuerzo a cortante máximo del eje, teniendo en cuenta que es de un acero inoxidable 430 𝜏𝑚𝑎𝑥 = 0,6 𝜎𝑚𝑎𝑥 𝜏𝑚𝑎𝑥 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝜎𝑚á𝑥 = 70𝐾𝑠𝑖 = 482,633 𝑀𝑝𝑎 Por tanto, 𝜏𝑚𝑎𝑥 = 0,6 (482,633 𝑀𝑝𝑎) 𝜏𝑚𝑎𝑥 = 289,579 𝑀𝑝𝑎 Entonces 𝜏𝑚𝑎𝑥 = 289,579 𝑀𝑃𝑎 ≫ 𝜏𝑤 = 2,7752 𝑀𝑃𝑎 El eje conector soporta sin ningún problema el esfuerzo a cortante del momento torsionante. Ahora, realizando una sumatoria de Momentos en el punto C, obtenemos que: ∑ 𝑀𝑐 = 0 14

𝐹𝑐 ∗ 𝑟𝑏 − 𝑇𝑏 = 0 𝐹𝑐 =

𝑇𝑏 6,2798 𝑁. 𝑚 = = 395,5833 𝑁 𝑟𝑏 0,015875 𝑚

2.2.3 Eje secundario Posteriormente, se realiza una sumatoria de Torsión en el punto C, para poder hallar el torque en el eje secundario: ∑ 𝑇𝑐 = 0 𝑇𝑐 − 𝐹𝑐 ∗ 𝑟𝑐 = 0 𝑇𝑐 = 𝐹𝑐 ∗ 𝑟𝑐 = 395,58333 ∗ 9,5255𝑥10−3 𝑚 = 3,767 𝑁. 𝑚 Ahora, teniendo el valor del torque se puede hallar el esfuerzo a cortante de trabajo 𝜏𝑤 =

(3,767 𝑁. 𝑚)(9,5255𝑥10−3 𝑚) 𝑇∗𝐶 = = 2,7752 𝑀𝑝𝑎 𝜋 𝐽 (9,5255𝑥10−3 𝑚)4 2

Para compararlo con el esfuerzo a cortante máximo del eje, teniendo en cuenta que es de un acero inoxidable 430, entonces: 𝜏𝑚𝑎𝑥 = 289,579 𝑀𝑝𝑎 ≫ 𝜏𝑤 = 2,7752 𝑀𝑝𝑎 El eje secundario soporta sin ningún problema el esfuerzo a cortante del momento torsionante. A continuación, en la figura n°2, se encuentran las medidas de otras piezas de la máquina, sometidas a diferentes esfuerzos:

Figura Nº2: Diagrama eje central, brazos, tapas y tornillo de acople 15

Las cuales, corresponden a cada una de las siguientes partes: 1. 2. 3. 4.

Eje central Brazos Tapas de seguridad Tornillo de acople

2.2.4 Tornillo de acople Se utilizará un tornillo de acople de acero inoxidable, que posee un diámetro de 3/8 de pulgada y una longitud de 1,25 pulgadas, el cual se encargará de ensamblar el eje central con los brazos, el cual estará sometido a un esfuerzo a cortante simple, por tanto, es necesario calcular la fuerza a la que está sometida, y si la puede soportar, entonces: 𝜎𝑦: 176 𝑀𝑝𝑎 𝜎𝑚𝑎𝑥: 70𝐾𝑠𝑖 = 482,633 𝑀𝑝𝑎

𝜏𝑚𝑎𝑥

𝜎𝑦: 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝜎𝑚𝑎𝑥: 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑎 ú𝑙𝑡𝑖𝑚𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝜏𝑚𝑎𝑥 = 0,6 𝜎𝑚𝑎𝑥 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜

Por tanto, 𝜏𝑚𝑎𝑥 = 289,579 𝑀𝑃𝑎 Para hallar la fuerza a la que está sometido el tornillo, es necesario tener en cuenta la masa del eje central, del brazo (ambos ejes fabricados con acero inoxidable) y de la espuma metálica, por tanto: 𝐾𝑔 𝑐𝑚3 𝑙 = 0,15 𝑚 𝑟 = 0,0127 𝑚 ∅ = 0,0254 𝑚 𝑣 = 𝜋 𝑟 2 ℎ = 7,6006 𝑥 10−6 𝑚3 𝜌 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑜𝑥𝑖𝑑𝑎𝑏𝑙𝑒 𝑙 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝑟 = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 ∅ = 𝑑𝑖𝑎𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑗𝑒 𝜌 = 8000

Ahora, despejando la masa de la fórmula de densidad: 𝜌= 𝑚 = 𝜌𝑣 = 8000

𝑚 𝑣

𝐾𝑔 . 7,6006𝑥10−6 𝑚3 = 0,6080 𝐾𝑔 𝑚3

Por otra parte, teniendo en cuenta que el material del tubo es un acero inoxidable SCH 40, según la norma ASTM A312 cada metro tiene una masa de 2,50 Kg, luego: 16

2,50

𝐾𝑔 . 0,07𝑚 = 0,175 𝐾𝑔 𝑚

Hallando la masa total se tiene: 𝑚 = 3,502 𝐾𝑔 + 0,6080 𝐾𝑔 + 0,175 𝐾𝑔 = 4,285 𝐾𝑔 Después, se halla la fuerza a la que está sometido el tornillo, teniendo en cuenta que corresponde a un movimiento giratorio, entonces: 𝑓=

1500 𝑣 = 25 𝑠𝑒𝑔 −1 60 𝑠𝑒𝑔

𝑤 = 2𝜋(25 𝑠𝑒𝑔−1 ) = 157,079 𝐹 = 𝑚𝑤 2 𝑟 = (4,285 𝐾𝑔) (157,079

𝑚 𝑠𝑒𝑔

𝑚 2 ) (0,175 𝑚) = 12158,735 𝑁 𝑠𝑒𝑔

Donde 𝑓 = 𝑓𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑤 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑎𝑛𝑔𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝐹 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑟 = 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑣𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 (𝑚𝑖𝑡𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑢𝑚𝑎 𝑚𝑒𝑡á𝑙𝑖𝑐𝑎) A continuación, según el diagrama de cuerpo libre, el tornillo está sometido a un esfuerzo a cortante, dado por la fuerza del brazo, y la reacción del eje central, por lo tanto:

Figura Nº3:

𝜏𝑤 =

𝑉 12158,735 𝑁 = = 170,636 𝑀𝑃𝑎 𝐴 7,1255 𝑥 10−5 𝑚2

𝑉: 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝜏𝑤 : 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒

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Ahora, tras conocer el esfuerzo a cortante del tornillo, es necesario hallar el factor de seguridad(F.S) al que está trabajando, para no tener ninguna falla durante su funcionamiento, por tanto: 𝐹. 𝑆 =

𝐹. 𝑆 =

𝜏𝑚𝑎𝑥 𝜏𝑤

289,579 𝑀𝑃𝑎 = 1,69 170,636 𝑀𝑃𝑎

El tornillo estará trabajando con un buen factor seguridad, para garantizar el correcto funcionamiento de la máquina centrifugadora.

2.2.5 Eje central El eje central estará sometido a un esfuerzo de tensión, por esta razón es necesario calcular si soporta dicho esfuerzo, por tanto:

Figura Nº4: Diagrama de cuerpo libre del eje central

𝜎𝑤 : Esfuerzo de trabajo P: carga A: área r: radio del eje central 𝐴 = 𝜋𝑟 2 = 𝜋(0,0127𝑚)2 = 5,0670𝑥10−4 𝑚2 𝜎𝑤 =

𝑃 12158,735 𝑁 = = 23,995 𝑀𝑃𝑎 𝐴 5,0670𝑥10−4 𝑚2

Teniendo en cuenta que dicho esfuerzo se encuentra a ambos extremos de la barra entonces: 𝜎𝑤 = 23,995 𝑀𝑃𝑎 𝑥 2 = 47,991 𝑀𝑃𝑎

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Y ahora, tras conocer el esfuerzo de trabajo, es necesario calcular el factor de seguridad al que está trabajando, teniendo en cuenta que está fabricado por un acero inoxidable 430 y su esfuerzo de fluencia (𝜎𝑦 ) es de 176 Mpa, entonces: 𝐹𝑠 =

𝜎𝑦 176 𝑀𝑃𝑎 = = 3,66 𝜎𝑤 47,991 𝑀𝑃𝑎

El eje central trabajará eficientemente a las cargas que está sometido. 2.2.6 Brazos: Los brazos estarán sometido a un esfuerzo de tensión, por esta razón es necesario calcular si soportan dicho esfuerzo, por tanto:

Figura Nº5: Diagrama de cuerpo libre de los brazos

𝜎𝑤 : Esfuerzo de trabajo R = P: carga A: área 𝐴 = 𝜋(𝑟𝑒𝑥𝑡 2 − 𝑟𝑖𝑛𝑡 2 ) = 𝜋((0,01675𝑚)2 − (0,01325)2 = 3,29867𝑥10−4 𝑚2 𝜎𝑤 =

𝑃 12158,735 𝑁 = = 36,859 𝑀𝑃𝑎 𝐴 3,29867𝑥10−4 𝑚2

Y ahora, tras conocer el esfuerzo de trabajo, es necesario calcular el factor de seguridad al que está trabajando, teniendo en cuenta que está fabricado por un acero inoxidable SCH 40 y su esfuerzo de fluencia (𝜎𝑦 ) es de aproximadamente 170 Mpa, entonces: 𝐹𝑠 =

𝜎𝑦 170 𝑀𝑃𝑎 = = 4,612 𝜎𝑤 36,859 𝑀𝑃𝑎

Eso posible concluir que los brazos trabajarán eficientemente a las cargas que está sometidos. 19

2.2.7 Tapas de seguridad: Ahora, las tapas de seguridad estarán sometidas a un esfuerzo de flexión (según el diagrama de cuerpo libre) por esta razón es necesario calcular si soportan dicho esfuerzo, por tanto:

Figura Nº6: Diagrama de cuerpo libre de la tapa de seguridad

𝐴=

𝜋 2 𝜋 ∅ = (0,11𝑚)2 = 9,5033𝑥10−3 𝑚2 4 4

Donde, A: Área de la tapa Y teniendo en cuenta que la tapa estará sometida a una carga distribuida a lo largo de toda la superficie, para hallar el momento máximo es necesario utilizar la siguiente fórmula:

𝑀𝑚𝑎𝑥

𝑊𝐿2 12158,735𝑁 (0,11𝑚)2 = = = 18,39 𝑁. 𝑚2 8 8

Donde, W: Fuerza o carga L: Diámetro de la tapa Consecutivamente, se hallarán el momento de inercia (I) y el radio exterior (C), para hallar el esfuerzo a flexión que está sometido la tapa (𝜎𝑤𝑓𝑙𝑒𝑥 ): 𝐼=

𝜋∅4 𝜋(0,11 𝑚)4 = = 7,1868𝑥10−6 𝑚4 64 64

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ℎ 3,18𝑥10−3 𝑚 𝐶= = = 1,59𝑥10−3 𝑚 2 2 𝜎𝑤𝑓𝑙𝑒𝑥 =

𝜎𝑤𝑓𝑙𝑒𝑥 =

𝑀𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝐶 𝐼

18,39𝑁. 𝑚 (1,59𝑥10−3 𝑚) = 4,0686𝑥10−3 𝑀𝑃𝑎 7,1868𝑥10−6 𝑚4

Ahora, teniendo en cuenta que su esfuerzo a última tensión es mucho mayor que el esfuerzo de flexión, 𝜎𝑚𝑎𝑥: 70𝐾𝑠𝑖 = 482,633 𝑀𝑃𝑎 ≫ 𝜎𝑤𝑓𝑙𝑒𝑥 = 4,0686𝑥10−3 𝑀𝑃𝑎 Las tapas de seguridad resistirán satisfactoriamente la fuerza a la que estará sometida por el movimiento giratorio. 2.3 DISEÑO DE LA ALTERNATIVA SELECCIONADA A NIVEL PILOTO Realizados los cálculos, en el anterior punto, y de acuerdo a la selección de materiales, se presenta el prototipo y los materiales necesarios para el ensamble de dicha máquina. •

A continuación, la lista de los materiales necesarios para la fabricación de la centrifugadora

Tabla Nº5: Materiales necesarios para la realización de la máquina

21

•

Prototipo del resultado final del ensamble de todas las partes de la máquina y sus respectivas vistas

Figura Nº7: Vistas de la máquina

Figura Nº8: Partes de la máquina centrifugadora

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Figura Nº9: Partes de la máquina de centrifugado

2.4 PROCEDIMIENTO DE USO Y PRESUPUESTO PARA LA SOLUCIÓN REAL Y EL MODELO PILOTO La máquina de centrifugado dispone de un sistema de seguridad que permite proporcionarle al motor un ajuste estable en la respectiva área donde se realice la acción del sistema. Este sistema cuenta con cuatro apoyos de hierro y una placa en acero inoxidable, permitiendo ubicar el motor con su controlador de encendido y apagado y un reductor de velocidad sobre este. El motor cuenta con un cable conductor de calibre 12 y una clavija (50A) de 2 fases con un polo a tierra que se conecta al toma corriente con esta entrada particularmente. Una vez conectado a la energía eléctrica con una conexión de 220v se admite la transmisión de corriente por el cable y se dispone de los elementos para iniciar la rotación del eje del motor. El eje principal presenta un empalme con otro eje de mayor diámetro, donde este eje con dimensiones mayores es el que transmite el movimiento rotacional al tercer eje que ha sido soldado a los brazos. Este empalme nos permite tener un movimiento circular libre y admitir la guarda (se explica su función más adelante) entre el eje principal para mayor seguridad de la persona que utilice la máquina. Posteriormente, se analiza el subsistema de brazos que coadyuba en el posicionamiento de la muestra que se requiere trabajar. Estos brazos cuentan con una barra y un tubo en acero inoxidable que, se ensamblan por medio de un proceso de soldadura, donde esta barra se le ha diseñado una perforación y el tubo cuenta con un corredor para ajustar la distancia. A través del ensamble de estas dos piezas y conociendo que los tubos son extensibles, se hace uso de un tornillo y una tuerza 23

en acero inoxidable que soporta la mayor cantidad de la fuerza o peso cuando el sistema está en funcionamiento Así mismo, se ubica una tapa, que soporte la fuerza centrífuga ejercida por la muestra con dimensiones estándares para la labor, en los laterales de los tubos extensibles a través del mismo proceso de soldado para obtener una alta seguridad y evitar que la muestra sea un proyectil que pueda causar un accidente y de una manera alguna afectar la persona a cargo. Sin embargo, el sistema ha sido diseñado con parámetros y factores establecidos de seguridad para evitar cualquier riesgo laboral durante el proceso, y es por ello por lo que a las paredes interiores de los tubos se han soldado contenedores que sostienen ciertas abrazaderas (dependiendo del diámetro de la muestra la abrazadera puede variar) para sostener plenamente la muestra. Las abrazaderas son fácilmente acoplables en los contenedores de acero inoxidable, dicha acción se realiza manualmente con la apertura y cierre de las abrazaderas. Finamente, la guarda, que se había mencionado en un principio, es la que proporciona la mayor seguridad al sistema en su totalidad. Esta es diseñada con cinco (5) placas en acero inoxidable para las caras de calibre 11 y, donde su placa frontal para la supervisión del proceso es de un material polimérico de las mismas dimensiones. La placa frontal es ubicada con ayuda de unas piraguas que la sostiene a los lados y un pasador en el borde inferior para ofrecerle una mayor estabilidad. Por otro lado, en la parte superior de la placa polimérica se encuentra un seguro de media luna, con el fin de asegurar esta con la placa de acero inoxidable de la misma guarda. Para la apertura, una vez terminado el proceso de centrifugado, la guarda posee dos bisagras que admiten el movimiento hacia atrás para la extracción de la muestra. La guarda es diseñada en su parte inferior con una forma inclinada, con tal de aprovechar la fuerza gravitacional y conducir el agua al centro de la placa que contiene orificios por donde se filtra el agua, con el fin de evitar al máximo la corrosión de las piezas. Debajo de la placa de la guarda se ubica un contenedor que recibe el agua para luego hacer uso de esta o depositarla por los canales de desagüe que tenga el área de trabajo. A continuación, se expone en la tabla N°5 la materia prima requerida para la fabricación de la máquina de centrifugado. Los materiales que se presentan fueron cotizados en diferentes empresas para la máxima economía de los recursos y así llevar a cabo el proyecto con el presupuesto óptimo de capital otorgado por la Universidad Nacional de Colombia sede Manizales. La suma total después de haber incluido los elementos necesarios para llevar a cabo la elaboración del sistema es de $360.400. Para lograr este objetivo se trabaja con materiales propios que se dispone en el laboratorio y algunos materiales que poseen los integrantes que conforman el grupo de este trabajo. De esta manera que se efectúa e inicia con la construcción de la máquina de centrifugado.

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Tabla Nº6: Presupuesto para la máquina de centrifugado

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3. FASE IMPLEMENTAR En esta fase se describirán cada una de las etapas de fabricación y montaje de la máquina centrifugadora, diseñada anteriormente en la fase “diseñar”. Cabe resaltar que el modelo a realizar será únicamente un prototipo móvil, debido que para la fabricación de la máquina real son necesarios mejores materiales. 3.1 CONSTRUCCIÓN La máquina centrifugadora está conformada por diferentes partes, que corresponden a: una base de madera, un motor, el eje central, los dos brazos, abrazaderas, bisagras, el cable de conexión y la clavija, las tapas, la guarda y finalmente el sistema de desagüe y aire comprimido. 3.1.1. Motor: Inicialmente, se realizó la conexión eléctrica del motor, que recibe un voltaje de 110 a 117 Voltios con una corriente (I) de 1 Amperio y tiene una potencia (P) de 1/40 caballos de fuerza (HP), al cual se le instaló un cable que posee una longitud de un (1) metro, y para poder controlar el encendido o apagado del motor durante su funcionamiento se agregó el interruptor de la figura N°10 a):

a) Interruptor

b) Clavija

c) Cable

Figura Nº10: Conexión eléctrica

3.1.2 Base de Madera: Después, se realizó la base de madera, con unas medidas de 16,2 cm de altura y 15 cm de ancho para los soportes, y unas dimensiones de 15x15 cm para la mesa, realizando los cortes utilizando la ingletadora y posteriormente, a la mesa se le realizaron cuatro perforaciones a una distancia de aproximadamente 2 centímetros utilizando el taladro manual del laboratorio con el fin de encajar el motor en la mesa de la base, como en la siguiente figura (N°11):

a) Corte de tablas con ingletadora b) y c) Perforaciones de mesa con taladro Figura Nº11: Base de madera 26

Con el fin de unir los dos soportes a la mesa se le realizó un orificio con el taladro manual y se aseguró por medio de tornillos cada esquina de la mesa con los dos soportes, como se puede observar en la figura N°12

Figura Nº12: Motor ensamblado

3.1.3 Eje Central: Consecutivamente para el eje central de aluminio, se realizó un corte del tubo utilizando una sierra manual para obtener una longitud de 15 centímetros (como se aprecia en la figura N°13) y un diámetro de 1,25 cm, al cual se le realizaron 3 orificios utilizando el taladro de banco, el primer orificio, fue realizado en el centro del tubo con el fin de conectarlo con el eje del motor mediante un tornillo que quedará enroscado en su interior, el cual posee un diámetro de tres(3) milímetros, los otros dos orificios se realizaron a ambos lados, a una distancia de un (1) cm de cada costado, para ajustar los brazos extensibles utilizando un tornillo de diámetro 0,6 cm junto con una tuerca.

a) Corte del tubo

b) Perforación

c) Unión de tornillos y tuercas

Figura Nº13: Eje central

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3.1.4 Brazos: Para los brazos se usaron de igual manera tubos de aluminio, los cuales se obtuvieron tras un corte en la sierra manual, adquiriendo una longitud de aproximadamente 7,5 cm con un diámetro de 1,8 cm (mucho mayor al eje central, para encajarlo sin ningún problema) , después de ello, se les realizó dos hendijas de longitud de aproximadamente 6 cm las cuales tendrán la función de ajustar los brazos según la longitud de la espuma metálica, y otras dos rendijas de longitud 1,4 cm, por las cuales pasarán las abrazaderas de aluminio que tienen un diámetro entre17- 23 mm para ajustar la espuma metálica. Cabe resaltar que, tras realizar el corte de los tubos con la sierra manual y los orificios con el taladro de banco, fue necesario realizar un proceso de pulido para eliminar las rebabas restantes. Todo lo anterior se puede apreciar en la Figura N°14 Un aspecto fundamental para tener en cuenta es que en el modelo inicial de la máquina se fabricarán los brazos y el eje central de acero inoxidable, para soportar un mayor esfuerzo por la espuma metálica y evitar un proceso de corrosión por la humedad residual del centrifugado.

a)Vista diagonal del brazo

b) Vista superior del brazo

c) Pulido de piezas

Figura Nº14: Brazos

3.1.5 Guarda de Seguridad: Finalmente, cómo en el proceso de centrifugado estará girando la espuma metálica a 1500 RPM, se fabricó una guarda de seguridad de madera, con el fin de proteger a las personas, cabe aclarar que en el modelo inicial de la máquina, la guarda estaría fabricada con una lámina de acero inoxidable, sin embargo para el prototipo se utilizó madera, las dimensiones de la guarda de seguridad son: 32 cm de altura, 22 cm ancho y 32 cm de largo, de manera que se genere un espacio para que los brazos no tengan contacto con las paredes de la guarda cómo se observa en la gráfica N°15

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Figura Nº15: Guarda de seguridad

Otro aspecto importante para tener en cuenta es que en el diseño de la guarda se le asigno una altura de 6 cm respecto al suelo, para que en el espacio restante se fabrique el sistema de desagüe. 3.1.6 Sistema de Desagüe y aire comprimido: En el diseño del sistema desagüe, se le realizaron una serie de orificios en la parte inferior de la guarda, por los cuales pasará el agua que se extrae de la espuma, para depositarse por medio de gravedad en un recipiente, el cual está conectado a una manguera que transporta el agua para evacuarla del sistema. La tapa frontal de la guarda se fabricó en acrílico para que sea posible observar y monitorear el proceso de centrifugado, esta tiene en el centro un orificio que permite una conexión y proveer la entrada de aire comprimido, utilizando un compresor de aire de 150 PSI de presión; la entrada del aire va en dirección al centro de la espuma para que por medio de la fuerza centrífuga el agua se desplace hacia las orillas de la espuma y sea mucho más eficiente su extracción. Dicho sistema se puede observar en la figura N°16.

Figura Nº16: Sistema terminado

A continuación, se presenta el diagrama sinóptico para el proceso de fabricación del prototipo de la máquina centrifugadora.

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Tabla Nº7: Diagrama sinóptico de la maquina realizada

3.2 ENSAYOS PRELIMINARES ● En los primeros ensayos, se realizó la unión entre el eje del motor y el eje central con los brazos y tras poner en funcionamiento, comenzó a girar de forma irregular y riesgosa, generando que el eje fuera expulsado del sistema por la fuerza centrípeta resultante, surgiendo la necesidad de cortar el tornillo y adicionar una tuerca que generará mayor seguridad en el ensamble. ● Inicialmente, la guarda se fabricó en acrílico, sin embargo, se llegó a la conclusión de era mucho más seguro cambiar el material por madera, para que el diseño del prototipo sea mucho más estable, económico y sencillo de fabricar. ● En los brazos se realizó un ajuste de la siguiente manera: al eje central, se le realizaron rellenos de silicona líquida para que al momento de poner los brazos estos queden ajustados y el espacio que quedaba entre el eje y los brazos sea el mínimo posible. ● Finalmente, las abrazaderas se cambiaron por unas de un diámetro menor, pues los brazos no soportaban el peso de las abrazaderas iniciales que eran mucho más grande 30

CONCLUSIONES • • • •

Dadas las distintas alternativas de solución que fueran posible mejorar el proceso, se logró identificas, la mejor alternativa para esta. Decisión tomada, gracias a los ensayos y cálculos hallados. A partir, de la decisión ya tomada y sus respectivos cálculos para verificar y adecuar su correcto uso, se pudo establecer el diseño adecuado. Al realizar el paso a paso del diseño ya encontrado, se logró realizar nuevas mejoras, para mejorar la respectiva máquina. Finalmente, concluimos que el diseño, es un diseño que garantiza un buen funcionamiento.

BIBLIOGRAFÍA [1] J.A. Gutiérrez-Vázquez* y J. Oñoro* Espumas de aluminio. Fabricación, propiedades y aplicaciones(•) (2008) 136-134-1-PB.pdf [2] http://sgpwe.izt.uam.mx/files/users/uami/sho/Centrifugacion-PIS.pdf . Sergio Huerta Ochoa [3]Meneses. CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL ESPUMA METÁLICA. Tecnológico de Costa Rica TEC (2019). Ingeniería de los Materiales. Recuperado de: https://www.tec.ac.cr/proyectos/caracterizacion-material-espuma-metalica [4]Pastor. Nuevos materiales: Espumas metálicas. (10/03/2016). Máster en Ingeniería y Minas. Recuperado de: https://es.scribd.com/uploaddocument?archive_doc=306534912&escape=false&metadata=%7B%22conte xt%22%3A%22archive_view_restricted%22%2C%22page%22%3A%22read%22%2C%22actio n%22%3A%22download%22%2C%22logged_in%22%3Atrue%2C%22platform%22%3A%22w eb%22%7D

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