documento tesis rodrigo vivas duque

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UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

DESARROLLO DE UNA MAQUINA DE MOLDEO POR TRANSFERENCIA DE RESINA

RODRIGO VIVAS DUQUE

200223101

ASESOR

ALEJANDRO MARAÑON PROFESOR ASOCIADO

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

2009-2

BOGOTÁ, COLOMBIA

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I. Índice 2 II. Listado de ecuaciones. 3 III. Listado de Imágenes. 4 IV. Listado de Tablas y Graficas 6

1. Introducción. 7 2. Objetivos. 8 3. Marco teórico 9

i. Mater iales Compuestos. 1. Descripción 9 2. Refuerzos 10 3. Resinas 10

ii. Procesamiento de Compuestos 1. Procesos de Manufactura 11 2. RTM (Moldeo por transferencia de resina) 11

iii. Tanques a Presión 13 iv. Bridas 14 v. Vigas 15 vi. Modelo de placas (pistones, caras de los moldes) 16 vii. Tornillos de Potencia. 19 viii. Fluidos

1. Flujo Turbulento 21 2. Mezcla en tuberías 22

4. Análisis de de maquinas ya existentes 22 5. Parámetros de diseño 25 6. Bocetos de la maquina 26 7. Memoria de cálculo de diseño de la Maquina 27

i. Cilindros ii. Tornillo iii. Estructura iv. Molde v. Pieza de unión vi. Pistones

8. Análisis de elementos f initos de las piezas 33 i. Estructura ii. Pistones iii. Cilindros iv. Molde v. Pieza de unión vi. Tornillo vii. Anillo

9. Proceso de construcción 43 10. Diseño de la boquilla 46 11. Pruebas de mezclado 48 12. Análisis de las pruebas 49 13. Conclusiones 51 14. Recomendaciones 53 15. Bibliografía 54

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Listado de ecuaciones

Ecuación 1. Esfuerzo tangencial en un recipiente de pared gruesa. Ecuación 2. Esfuerzo radial en un recipiente de pared gruesa. Ecuación 3. Esfuerzo longitudinal. Ecuación 4. Radio hidráulico. Ecuación 5. Cortante a lo largo de la viga. Ecuación 6. Momento a lo largo de la viga. Ecuación 7. Esfuerzo máximo en la viga. Ecuación 8. Esfuerzo máximo en láminas fijas en todos sus lados. Ecuación 9. Angulo de deflexión de la lámina redonda con presión. Ecuación 10 Constante D. Ecuación 11 Constante C4. Ecuación 12 Constante L17. Ecuación 13 Constante C7. Ecuación 14 Constante L14. Ecuación 15: Angulo de deflexión de lámina redonda con carga central. Ecuación 16 Constante L6. Ecuación 17 Constante L9. Ecuación 18. Torque generado por tornillo de potencia.

Ecuación 19. Torque generado por el tornillo con collarín. Ecuación 20. Radio Cilindro del Catalizador. Ecuación 21. Radio del cilindro de la resina. Ecuación 22. Área de un cilindro. Ecuación 23. Presión Ecuación 24. Radio externo debido al esfuerzo tangencial en el cilindro grande. Ecuación 25. Radio externo debido al esfuerzo tangencial en el cilindro pequeño. Ecuación 26. radio externo debido al esfuerzo longitudinal. Ecuación 27. modulo de elasticidad debido al esfuerzo tangencial en tanques de pared gruesa. Ecuación 28.Caudal en una tubería. Ecuación 29. Volumen desplazado por vuelta. Ecuación 30. Relación de fuerzas y distancias en una viga. Ecuación 31. Superposición de ángulos de deflexión. Ecuación 32. Angulo a en términos del espesor. Ecuación 33. Angulo b en términos del espesor.

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Listado de imágenes.

Imagen 1. Tipos de refuerzos en materiales compuestos. Imagen 2. Proceso RTM Con la resina catalizada. Imagen 3. RTM Con mezclado durante el proceso. Imagen 4. Diagrama de tanque a presión. Imagen 5. Distribución de los esfuerzos a través de las paredes. Imagen 6. Viga con carga distribuida Q(x). Imagen 7. Diagrama lamina a-b con todos los extremos fijos. (Roark s). Imagen 8. Diagrama de la lámina redonda con presión (Roark s). Imagen 9. Diagrama de lámina redonda carga central (Roark s). Imagen 10. Tipos de roscas. Imagen 11. Diagrama de cuerpo libre del tonillo. Imagen 12 Maquina RTM Antigua. Imagen 13. Sellamiento de salidas de aire del molde de la maquina antigua. Imagen 14. Unión entre la maquina antigua y el molde. Imagen 15. Pieza echa por la maquina antigua. Imagen 16. Piezas hechas por la maquina anterior. Imagen 17. Boceto de la maquina. Imagen 18. Despiece de la maquina. Imagen 19. Diagramas de la parte superior de la estructura. Imagen 20. Sección transversal parte superior estructura. Imagen 21. Diagramas soporte cilindros estructura. Imagen 22. Sección transversal soporte cilindros estructura. Imagen 23. Diagrama de cuerpo libre de la pieza de unión. imagen 24. Deformación total Estructura. Imagen 25. Deformación elástica equivalente estructura. imagen 26. Esfuerzo máximo equivalente Estructura. Imagen 27. Simulación Deformación total del pistón grande. Imagen 28. Deformación elástica equivalente (von-Misses) del pistón grande. Imagen 29. Esfuerzo máximo equivalente (von-Misses) del pistón grande. Imagen 30. Simulación Deformación total del pistón pequeño. Imagen 31. Deformación elástica equivalente (von-Misses) del pistón pequeño. Imagen 32. Esfuerzo máximo equivalente (von-Misses) del pistón pequeño. Imagen 33. Simulación Deformación total de los cilindros. Imagen 34. Simulación de la deformación elástica equivalente (von-Misses). Imagen 35. Simulación del esfuerzo máximo equivalente (von-Misses). Imagen 36. Simulación Deformación total de la placa del molde. Imagen 37. Simulación de la deformación elástica equivalente (von-Misses). Imagen 38. Simulación del esfuerzo máximo equivalente (von-Misses).

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Imagen 39. Simulación Deformación total del Pieza de unión. Imagen 40. Simulación de la deformación elástica equivalente (von-Misses). Imagen 41. Simulación del esfuerzo máximo equivalente (von-Misses). Imagen 42. Simulación Deformación total de los tornillo. Imagen 43. Simulación de la deformación elástica equivalente (von-Misses). Imagen 44. Simulación del esfuerzo máximo equivalente (von-Misses). Imagen 45. Simulación Deformación total de los anillo. Imagen 46. Simulación de la deformación elástica equivalente (von-Misses). Imagen 47. Simulación del esfuerzo máximo equivalente (von-Misses). Imagen 48. Despiece de la maquina. Imagen 49. Cilindros. Imagen 50. Estructura. Imagen 51. Torno Cincinnati donde fue construido el tornillo. Imagen 52. Pistón. Imagen 53. CNC en donde fue hecho el molde. Imagen 54. Eyector. Imagen 55. Maquina armada y funcionando. Imagen 56. Esquema de los cambio de diámetro en la boquilla. Imagen 57. Pruebas sacadas del molde. Imagen 58. Detalle de la pieza. Imagen 3. Realizando las pruebas de dureza.

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Listado de Tablas y Graficas.

Tabla 1. Procesos de manufactura de materiales compuestos

Tabla 2. Materiales de tornillo para presiones y velocidades recomendadas.

Tabla 3. Valores de fricción dependiendo del material del tornillo y del anillo

Tabla 4. Valores de fricción para el collarín

Tabla 5. datos de dureza Rockwell h realizadas en la piezas de prueba.

Grafica 1. Durezas de las piezas en comparación de la dad por el fabricante.

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1. Introducción.

Los materiales compuestos han sido de gran ayuda en la evolución de la civilización. Por ejemplo hay evidencia que los primeros materiales compuestos fabricados por el hombre datan de 4000 a. c. En la naturaleza se encuentran varios ejemplos de este tipo de materiales, como son la madera y los huesos. Durante el desarrollo de la construcción fueron tomando cada vez más importancia debido a que se lograban hacer materiales con muy buenas propiedades mecánicas, con menor peso y a un mejor costo, como por ejemplo el concreto y el hormigón.

Los materiales compuestos son aquellos que tienen más de una fase en su composición, se hacen a partir de dos materiales diferentes, uno de estos es la matriz y otro el refuerzo. La matriz es la encargada de mantener el refuerzo en su lugar y de mantener todo unido, gracias a esto se logra tener en los compuestos propiedades de los dos materiales. Por lo general, el compuesto formado a partir de dos o más materiales tiene mejores propiedades mecánicas que cuando estos trabajan por separado, además se puede reducir el peso del material y a veces su costo.

Debido a sus buenas propiedades mecánicas y a su gran variedad de aplicaciones, los materiales compuestos han generado un gran interés durante los últimos años. Por esta razón en la universidad se ha venido trabajando con compuestos de matriz polimérica reforzada con fibras naturales tales como el fique y el coco.

Actualmente en la Universidad de los Andes estos materiales se están haciendo por medio de una maquina de moldeo por transferencia de resina (RTM). Esta fue construida por estudiantes de maestría en el primer semestre del 2008, esta presenta ciertos problemas debido a que fue diseñada específicamente para generar un solo tipo de pieza, trabaja a bajas presiones de transferencia y el mantenimiento es complicado.

Este proyecto consiste entonces en el diseño y la manufactura de una maquina de moldeo por transferencia de resina. La cual sea capaz de generar diferentes piezas, con diferentes moldes, y que pueda trabajar con diferentes resinas tales como la de poliéster y la epóxica.

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2. Objetivos

Objetivo General

• Diseño y manufactura de una maquina manual de moldeo por transferencia de resinas (RTM).

Objetivos Específicos

• Diseñar la maquina usando como referencia la existente en el laboratorio, hecha por estudiantes de maestría de la universidad.

• Garantizar que la resina llene el molde completamente y penetre las fibras de refuerzo, sin dejar aire en la pieza.

• Permitir el intercambio de moldes, para generar diferentes geometrías.

• El mezclado de la resina se haga durante el proceso.

• La maquina se pueda usar para varios tipos de resina.

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3. Marco teórico.

i. Materiales Compuestos. 1) Descripción

Algunos materiales compuestos tienen un origen natural, como por ejemplo la madera, las telas de las telarañas y los huesos, aunque también existen Materiales compuestos creados por el hombre.

En India, Egipto y otros países, estos materiales han sido utilizados desde hace muchos años, los albañiles de estos paises hacían sus casas con una mezcla de barro, boñiga, o arcilla, y paja para lograr mejor desempeño de los materiales.

Un material compuesto está formado por la combinación de dos o más materiales, para crear un material con determinadas propiedades las cuales dependan de los materiales mezclados, haciendo así que las propiedades finales sean mejores que las de los materiales por separado.

El concepto básico de los materiales compuestos es que tienen una matriz y un refuerzo, los refuerzos pueden ser fibras, partículas o telas y las matrices, un metal, un polímero, o un cerámico. El refuerzo le da tenacidad y Fuerza al compuesto mientras que la matriz le da la rigidez y la estructura al material compuesto.

Los Materiales compuestos hechos con matrices poliméricas han tenido una gran acogida en la industria, debido a su fácil fabricación y a su variedad de aplicaciones. Estos compuestos se constituyen básicamente de la unión de fibras de refuerzo con una resina como matriz, donde las resinas pueden ser termoestables o termoplásticas, y las fibras pueden ser como se muestra en la imagen 1. (Mazumdar, 2002)

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Imagen 4. Tipos de refuerzos en materiales compuestos1

1 Mazumdar, Sanjay K., “Composites manufacturing : materials, product, and process engineering”, CRC Press, 2002.

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2) Refuerzos

El papel del refuerzo en el material compuesto es básicamente soportar la carga a la cual está sometido, por lo general las fibras cargan hasta el 70% de la carga, también le da tenacidad y estabilidad térmica.2

Los refuerzos más comunes son las fibras sintetices, tales como el Kevlar, fibra de carbono y la fibra de vidrio, aunque también existen fibras naturales tales como el fique, yute y el coco. Estas fibras debido a su carácter orgánico, varían en su geometría y en su estructura, lo cual hace que las propiedades mecánicas de los compuestos que las llevan, puedan variar un poco. El principal elemento en las fibras naturales es la celulosa, estas son creadas por las plantas; en ciertas plantas estas fibras hacen parte del fruto (Coco, Algodón) y en otras están en sus hojas o tallos (fique, yute, cáñamo).

Específicamente la fibra que concierne a este proyecto, es la de fique. Esta fibra es extraída directamente de las hojas de la planta Furcraea Macrophyla. Crece en Suramérica especialmente en Colombia, Venezuela y Ecuador, en las zonas templadas de humedad relativa media alta. Es un producto de muy bajo costo, que tiene un mínimo impacto ambiental, es de bajo peso, y se produce en Colombia.3

3) Matrices

El papel de las matrices en los materiales compuestos es básicamente unir o tener la fibras en su lugar, darle rigidez a la estructura, darle un buen acabado superficial a la pieza, proveer protección a las fibras de ambientes contaminados que puedan acabar con su estructura (oxidación), y así garantizar su durabilidad.

Las matrices en este caso de estudio son poliméricas (termoestables o termoplásticas), estas pueden variar dependiendo del uso. Las matrices termoestables más comunes son las resinas poliéster, vinilicas, fenolicas y las epóxicas.

La resina poliéster utilizada fue la Cristalan 859, es isoftalica/neopentilica de alta reactividad y resistente a la corrosión, sus aplicaciones más comunes son la fabricación de tuberías, tanques, tinas de baños embarcaciones y equipos de procesos. Es una resina pre acelerada, lo que quiere decir que para el proceso de curado es necesario agregarle solamente un catalizador llamado MEC-Peróxido,

2 Mazumdar, Sanjay K., “Composites manufacturing : materials, product, and process engineering”, CRC Press, 2002. 3 Contreras Acevedo, María Fernanda, “Caracterización mecánica de fibras e hilos de fique y análisis de falla de una material compuesto”, Proyecto Especial, Universidad de los Andes, 2008.

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requiere 3 horas de curado para poder extraerlo del molde y se curara completamente en 24 horas. El proveedor fue ALQUIM4

ii. Procesamiento de Compuestos

1) Procesos de Manufactura.

Los procesos de manufactura de compuestos transforman la matriz cruda, (resina no curada), y el refuerzo (fibras de fique), en compuesto ya terminado con su debida forma. Esto de logra por medio de un molde en el cual se mezclan la matriz con los refuerzos. Hay diferentes tipos de procesos y dependen del tipo de uso y material como se indica en la siguiente tabla.5

De estos el que nos interesa es el moldeo por transferencia de resinas o RTM.

2) RTM (Moldeo por transferencia de resina)

El Proceso de moldeo por transferencia de resina es un proceso de media-baja presión, con molde cerrado, por lo general en vacio, que ofrece unos excelentes acabados superficiales. El proceso usa polímeros termoestables líquidos reforzados con fibras. El RTM consiste en introducir un termoestable a un molde 4 ALQUIM Av. Caracas # 13 ‐39 Bogotá, Colombia 5 Tabla Tomada de: “Composites manufacturing: materials, product, and process engineering”, Capitulo 1 Pagina 12.

Procesamiento de compuestos

Procesos con Termoestables

compuestos de f ibra corta

‐SMC

‐SRIM.BMC

‐Spray

‐Moldeo por inyeccion

compuestos de f ibra continua

‐Bobinado de f ilamentos

‐Poltrusion‐RTM

‐Moldeo a mano

‐Autoclave‐Enrollado

‐SCRIMP

‐Moldeo Molde de vejiga.

Procesos con termoplasticos

compuestos de f ibra corta

‐moldeo por inyeccion.

‐Moldeo por soplado

compuestos de f ibra continua

‐Termoformado

‐Moldeo por compresion‐Autoclave

Tabla 1. Procesos de manufactura de materiales compuestos

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en el cual han sido previamente alojadas las fibras de refuerzo. Por lo general, los moldes tienen una entrada de resina y una salida de aire. Con frecuencia dentro del molde hay vacio para evitar el aire adentro de la pieza que se quiere hacer.

El proceso de transferencia de la resina se puede hacer de dos formas, la primera es con la resina ya catalizada, y la otra que se mezclen la resina y el catalizador en el proceso.

Para la primera forma el proceso de RTM involucra la inyección de una resina termoestable precatalizada bajo presión a un molde que contiene una preforma y una fibra de refuerzo. Durante el llenado del molde, la resina fluye en él y experimenta reacciones de curación exotérmica, causando que su viscosidad aumente a través del tiempo hasta llegar a la solidificación.

El flujo de la resina en el molde está determinado por parámetros como la presión de la inyección, la temperatura, la viscosidad, y permeabilidad de las fibras de refuerzo.

Usualmente la resina se transfiere a una presión entre 10 y 300 psi. Mientras se está transfiriendo la resina, el sistema de vacio va ayudando a que esta llene todos los espacios del molde y quite todo el aire indeseado en la pieza. Cuando este se llena, se apaga el vacío, se deja de transferir, y se espera entre 10 minutos y 3 horas dependiendo de la resina para poder retirar la pieza del molde.

El proceso RTM es aplicable para hacer estructuras de tamaño pequeño a largo en cantidades de volumen pequeño a mediano. Es utilizado para hacer partes de automóviles, botes, aeronaves, utilidades deportivas, entre otras.

Ciertas ventajas traen consigo el proceso, como son su bajo costo de Manufactura y del molde, además presenta muy buenas tolerancias dimensionales, puede hacer variedad de geometrías con formas complejas, tiene un excelente acabado superficial, que depende las paredes del molde, puede tener hasta un 65% del

Imagen 2. Proceso RTM con la resina catalizada Imagen 3. RTM con mezclado durante el proceso

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volumen total en fibras refuerzo, y el proceso puede ser automatizado haciendo que la producción se aumente significativamente.

Dentro de las limitaciones del RTM, se encuentra el tener que hacer varias pruebas de error o modelos de simulación de flujo de la resina para evaluar la manufactura de las partes; el curado y la transferencia del calor en medio poroso.

iii. Tanques a Presión

Los tanques a presión, por lo general son esferas o cilindros. A continuación se muestra el análisis de esfuerzos y de deformación de los tanques cilíndricos.

Imagen 4. Diagrama de tanque a presión.6

Los esfuerzos alrededor del tanque son el esfuerzo tangencial, el esfuerzo radial, y el longitudinal.

Ecuación 2. Esfuerzo Tangencial en un recipiente de pared gruesa.7

6 Shigley, Joseph, Mischke, Budynas; Jay, 2004, Mc Graw Hill ; Mechanical Engineering Design, seventh edition 7 Shigley, Joseph, Mischke, Budynas; Jay, 2004, Mc Graw Hill ; Mechanical Engineering Design, seventh edition

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Ecuación 2. Esfuerzo Radial en un recipiente de pared gruesa.8

Imagen 5 distribución de los esfuerzos a través de las paredes.9

El esfuerzo longitudinal de los tanques cilíndricos de pared gruesa.

Ecuación 3. Esfuerzo longitudinal

iv. Bridas

Para la selección del número de tornillos en las bridas de sujeción de tuberías, hay que tener en cuenta el radio de la tubería y la presión generada. Cuando son bridas cuadradas se tiene en cuenta el radio hidráulico de la pieza de unión donde:

Ecuación 4. Radio hidráulico


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Dependiendo del valor del radio hidráulico y la presión la norma técnica ICONTEC NTC 3359: Tuberías metálicas, bridas y accesorios con brida para tubos de hierro fundido, le dice el número de pernos el tamaño de estos y su espesor.

v. Vigas

Las vigas son elementos estructurales muy importantes en la ingeniería, es necesario saber si estas van a aguantar las cargas a las que están siendo sometidas, por la tanto es importante definir los principales fenómenos que sufren este tipo de elementos.

Las vigas son elementos rectos, largos y con sección transversal, que soportan cargas perpendiculares a su eje longitudinal, estas cargas generan un fenómeno llamado flexión, que depende básicamente de la variación de los esfuerzos cortantes y de los momentos en las vigas, y estos a su vez dependen de las cargas a las cuales está sometida.

Sabiendo las cargas en la viga se realizan los diagramas de cortante y momento, estos están directamente relacionados con el esfuerzo máximo de la viga, el cual es necesario, para saber si en esta, se supera el esfuerzo de fluencia del material lo que generaría que la viga fallara.

Si tenemos que la carga Q(x). Está distribuida a lo largo de la viga de la siguiente manera.

Imagen 6. Viga con carga distribuida Q(x).

Para saber cuál es el valor del cortante V(x) a lo largo de la viga se sigue:

Y el momento M(x) a lo largo de la viga:

Ecuación 5. Cortante a lo largo de la viga

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Gráficamente se puede encontrar el Valor máximo del momento y su ubicación, este va a ser el punto crítico de diseño y con este valor del momento flector máximo, y así poder saber el esfuerzo máximo en la viga.

Ecuación 7. Esfuerzo Máximo en la viga.

Donde c es la distancia del extremo de la viga hasta el eje neutro, que es el eje que se traza en el centro de masa de la sección transversal de la viga, e I es la inercia de la sección transversal de la viga.

vi. Modelos de placas

Para calcular el esfuerzo máximo en láminas cuadradas, se utiliza el libro de Roark s Formulas10 el cual tiene para el siguiente caso:

Imagen 7. Diagrama lamina a‐b con todos los extremos fijos. (Roark´s)

Es una lamina de espesor t, fija en todos los extremos, con una carga sobre la cara.

La siguiente fórmula es la correspondiente a este diagrama para el esfuerzo máximo de flexión en la lámina.

Ecuación 8. Esfuerzo máximo en láminas fijas en todos sus lados.

Donde Q es la carga sobre la cara, b es el ancho, t el espesor y β es la relación entre el ancho y el largo de la lámina.

10 Young, W.C.; Budynas, R.G. ”Roark's Formulas for Stress and Strain” (7th Edition) © 2002 McGraw‐Hill.

Ecuación 6. Momento a lo largo de la viga.

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Para las láminas redondas con presión sobre la cara plana y fricción por los extremos, el diagrama de cuerpo libre es de la siguiente manera.

Imagen 8. Diagrama de la lámina redonda con presión (Roark´s)

El ángulo de deflexión máximo es:

Ecuación 9. Angulo de deflexión de la lámina redonda con presión.11

Donde

12 1 �

Ecuación 10 Constante D

12 1 � 1 �

Ecuación 11 Constante C4

14 1

1 �4 1 1 1 �

Ecuación 12 Constante L17

12 1 �

Ecuación 13 Constante C7


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116 1 4


Para láminas redondas con carga central y fricción en los extremos, el diagrama de cuerpo libre es el siguiente.

Imagen 9. Diagrama de lámina redonda carga central (Roark´s)12

Donde el Angulo de deflexión de la lámina es:

Ecuación 15: Angulo de deflexión de lámina redonda con carga central.

Donde

4 1 2


1 �2

1 �4 1



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vii. Tornillos de Potencia.

Los tornillos de potencia son dispositivos que ayudan a cambiar un movimiento angular por un movimiento lineal, usualmente se usan para transmitir potencia, para levantar pesos debido a su ventaja mecánica, para ejercer fuerzas muy grandes (prensas), o para el movimiento de piezas con gran exactitud (Tornos).

Debido a sus aplicaciones de potencia y fuerzas y presiones elevadas los tonillos de potencia reciben mucha carga sobre sus dientes, es por esto que se recomiendan las roscas tipo ACME, cuadrada y trapezoidal.

Imagen 10. Tipos de roscas

Para hacer el análisis de las fuerzas que actúan en el tornillo es necesario ver la imagen5.

Imagen 11. Diagrama de cuerpo libre del tonillo.13

De la imagen se puede deducir la ecuación 4:

Ecuación 18. Torque generado por tornillo de potencia. 14


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Donde W es la fuerza generada por el tornillo, f es la fricción entre el tornillo y el anillo, L el avance de la rosca, Dm es el diámetro medio y ø es el ángulo de las caras de la rosca que en el caso de la rosca ACME, ø=29°. Para la mayoría de tornillos es necesario un collarín el cual es el encargado de transmitir la fuerza, Teniendo en cuenta esto la ecuación se transforma y queda como la ecuación 5.

Ecuación 19 Torque generado por el tornillo con collarín.

Donde fc es la fricción entre el collarín y el tornillo.

Los experimentos hechos sobre la fricción en los tornillos dieron como resultado que la fricción entre el tornillo y el anillo no depende de la magnitud de la fuerza, ni de la velocidad de giro ejercida sobre estos, asegura que la fricción depende del lubricante y de los materiales, aunque esta no se vea disminuida de manera considerable. También se probó que la mejor combinación es el tornillo de acero y el anillo de bronce.

A continuación los valores de fricción para los diferentes materiales del tornillo, del anillo y collarín así como los materiales recomendados para diferentes presiones y velocidades de giro.

Material del tornillo

Material del anillo

Presion segura (psi)

Velocidad de trabajo (ft/min)

Acero Bronce 2500‐3500 Baja Acero Bronce 1600‐2500 10 (ft/min)

Hierro fundido 1800‐2500 8 (ft/min) Acero Bronce 800‐1400 20‐40 (ft/min)

Hierro fundido 600‐1000 20‐40 (ft/min)

Acero Bronce 150‐240 50 (ft/min) Tabla 2 Materiales de tornillo para presiones y velocidades recomendadas. 15

15 Shigley, Joseph, Mischke, Budynas; Jay, 2004, Mc Graw Hill ; Mechanical Engineering Design, seventh edition

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Material del tornillo

Material del anillo

Acero Bronce Laton

Acero 0,15‐0,25 0,15‐0,23 0,15‐0,19

sin lubricar

Acero 0,11‐0,17 0,10‐0,16 0,10‐0,15 aceite

Bronce 0,08‐0,12 0,04‐0,06 ‐ Tabla 3. Valores de fricción dependiendo del material del tornillo y del anillo

Tabla 4. Valores de fricción para el collarín

viii. Fluidos 1) Flujo Turbulento

Se requiere una diferencia en la presión para empujar un fluido a través de una tubería. Esta ejerce fuerzas en las capas del fluido, las que a su vez generan fuerzas a capas con diferentes velocidades. Estas son llamadas fuerzas viscosas. Si el radio del tubo se achica, la presión se disminuye y la velocidad del flujo se incrementa. La caída de presión está dada por: ∆

Ecuación 20 caída de presión en tuberías que reducen su sección transversal.

La turbulencia se encuentra cuando la velocidad de flujo de un fluido es lo suficientemente fuerte que genera que el flujo laminar se rompa. Depende de la densidad y viscosidad del fluido; así como del radio del tubo. El flujo del fluido puede ser caracterizado por el número de Reynolds, en donde si

Combinación Movimiento Empezando

Acero blando en hierro 0,12 0,17 Acero duro en hierro 0,09 0,15

Acero blando en bronce 0,08 0,1

Acero duro en bronce 0,06 0,08

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este es menor de 2000 se trata de flujo laminar, mientras si es mayor a 3000 es turbulento. Si se encuentra entre esos valores es inestable.

Ecuación 21. Numero de Reynolds.

Donde η es la viscosidad dinámica ro la densidad del fluido y v el flujo del fluido.

1) Mezcla en tuberías16

En las tuberías cuando se encuentran dos fluidos de diferentes propiedades, estos si se pueden, tienden a mezclar por el flujo de la tubería, en la mayoría de aplicaciones la manera más fácil mezclar dos fluidos es generando turbulencia, esta se puede genera de varias formas, como obstáculos en las tuberías o con una reducción del área transversal. Se infiere entonces que si hay una reducción del radio de la tubería a la mitad, la caída de presión aumenta 16 veces, según la ecuación 20. Para asegurarse que el mezclado este bien hecho es necesario tener certeza que halla la mayor turbulencia posible.

4. Análisis de la maquina Existente.

Este proyecto empezó teniendo en cuenta las cosas que se habían hecho en la universidad para la fabricación las matrices poliméricas reforzadas con fibras naturales.

En el 2008 estudiantes de maestría de la universidad de los andes realizaron una maquina de moldeo por transferencia de resina, la cual se encuentra en el laboratorio de procesamiento de polímeros del edificio Mario Laserna en la universidad, se hicieron varias pruebas, específicamente con la resina poliéster 856 pre acelerada y con fibras de fique y de yute.

La maquina cuenta con un molde que genera piezas de 20x20 x 1 cm. Un cilindro de transferencia con capacidad de 600 ml de resina, la maquina genera hasta 150 Psi de presión aproximadamente, el molde le entra la resina por la parte de abajo y tiene 4 salidas de aire en la parte de arriba. La mezcla de la resina y el catalizador se hace antes meterla en el cilindro.

Se tiene que desarmar toda la máquina para hacerle limpieza cada vez que se usa. En la transferencia de resina justo antes que se complete el llenado, es necesario cerrar las salidas del aire cada una por separado. Cada vez que se usa

16 Wilkes, James O, “Fluid mechanics for chemical engineers”, Prentice Hall PTR, 1999

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se tienen que remplazar mangueras de transferencia y racores, porque quedan tapados.

Se hizo un análisis para encontrar las ventajas y desventajas de la maquina actual, por medio de las siguientes imágenes, se evidencian algunas de ellas.

En la siguiente imagen se puede ver los problemas que se tiene con la transferencia de la resina, en este caso quedan muchas burbujas en la pieza.

Imagen 12 Maquina RTM Antigua Imagen 13 Sellamiento de salidas de aire del molde

Imagen 14 Unión entre la maquina antigua y el molde.

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Imagen 15 Pieza echa por la maquina antigua.

Imagen 16 piezas hechas por la maquina anterior.

Burbujas de aire

Punto de

transferencia

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Los problemas de la maquina se identificaron para tratar de solucionarlos y evitarlos en el diseño de la nueva máquina.

Problemas

• Limpieza de la maquina. • Bajas presiones de transferencia. • Escapes de aire y de resinas por el pistón. • Conexión entre la maquina y el molde. • Desarme del molde • Salidas de aire del molde. • Molde no está completamente sellado. • Manual de instrucciones y Mantenimiento • Difícil de usar. • Armado del embolo • Los Racores obstruyen el flujo de resina. • Aire indeseado en el molde, que no sale al transferir la resina. • Todas las piezas de unión y transferencia son “desechables” • Hay escape de resinas por los codos y racores.

5. Parámetros de diseño.

A partir del análisis echo a la maquina ya existente y a las probetas hechas con esta se pudieron obtener ciertos problemas y ventajas las cuales van a ser tenidas en cuenta para el diseño de la nueva máquina. En la siguiente lista se enumeran los parámetros de diseño de la nueva máquina, así como varios requerimientos.

• Genere hasta 500 psi de presión. • 700 ml de volumen de resina. • Molde de 30x30x1 cm. • Manual y pueda variar la presión de trabajo. • La mezcla de la resina y el catalizador se haga durante el proceso de

transferencia. • Manual de instrucciones de uso. • Manual de mantenimiento. • Que los desechos después de cada prueba sean mínimos. • Las piezas queden bien moldeadas sin burbujas de aire y con todas

las fibras penetradas. • La limpieza después del uso implique desarmar la menor parte de

piezas posible. • La perdida de resina en tuberías sea la menor posible. • Todas la piezas de la maquina se puedan usar varias veces. • Las salidas de aire sean fáciles de tapar y destapar. • La mezcla de los materiales quede bien hecha. • Se pueda usar con diferentes tipos de resina.

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6. Bocetos de la Maquina.

Una vez claro los parámetros de diseño se hicieron unos bocetos con las ideas básica para realizar la maquina. Se presentaron varios problemas debido a que los diseños preliminares no tuvieron en cuenta la industria colombiana, entonces se diseño la misma máquina tres veces.

Imagen 17 boceto de la maquina

El boceto trata de cumplir lo más claro posible los requisitos y parámetros de la nueva máquina, se muestran dos cilindros por separado debido a que la mezcla se va a hacer durante el proceso. En la siguiente imagen se ve como es de fácil de armar y desarmar y además que si se quiere usar otro tipo de resina solo es cambiar los cilindros por uno solo o por dos del mismo volumen dependiendo del tipo de resina.

Imagen 18 despiece de la maquina

27

7. Memoria de cálculos de la máquina.

Todas las piezas fueron calculadas con un factor de seguridad igual a 3, para una presión interna máxima de 1000 psi, con deformaciones menores al 0,5% y un Angulo de deflexión sea menos a 0,001 rad. El material de referencia para los calculo fue un Acero 1020, con Sy=200MPa, y E=200 Gpa.

i. Cilindros

Se sabe que se necesarita el 2% del volumen total de resina para el cilindro del catalizador, por lo tanto al tener que uno de nuestros parámetro es tener volumen total de 700 ml. Se calcula entonces el 2% de este volumen.

% 0,02 0,0007 0,014 14 0,000014

Se define que la altura de los 2 cilindros va a ser de 14 cm entonces.

%0,000014

0,14 0,58

0,0007

0,14 3,98 4

Teniendo los radios internos, se sabe el área, por lo tanto que fuerza necesaria para generar 500 psi de presión.

16.246 , 370 .

El espesor de la pared de los cilindros es importante para garantizar que en ningún momento se explote el cilindro o que por causa de deformación se escape resina entre las paredes del cilindro y el pistón.

Para saber el espesor de la pared usamos el esfuerzo tangencial que en la pared interna es mayor que el radial. Como se puede ver en la imagen 5, y debido a que queremos saber el valor del esfuerzo en la pared interna r se vuelve ri, y P0=0.

Resolviendo la ecuación para encontrar r0 se llega a la siguiente ecuación

28

1 /3

/3 10,0445

4,5

Teniendo en cuenta que el espesor de pared es el radio externo menos el interno.

1 /3

/3 10,006612

0,612

Para confirmar si el esfuerzo longitudinal es mayor que el tangencial encontramos el r0 con la ecuación 3.

30,042

0,002

Entonces el esfuerzo tangencial es el mayor de los esfuerzos principales.

Debido a que la deformación no debe exceder el 0,5% del radio interior para asegurar que no se escape fluido entre las paredes de los elementos.

Para verificar la deformación usamos la ecuación del modulo de elasticidad.

/3 0,005

3,15

8,7 , 4,7

Siendo estos los valores del espesor de pared a usar debido a que son los que aseguran que por deformación no va a haber fuga.

El espesor de la placa que sostiene los cilindros depende de las presiones que están sobre ella y de sus soportes, se asume que se comporta como en la imagen 7.

Entonces para calcular su espesor se usa la ecuación 8. Donde β 0,75, q=34.000 N y b=0,20 m. y a=0,15m

Resolviendo la fórmula para el espesor, t=33,5 mm.

29

ii. Tornillo

El diámetro medio del tornillo es de 30 mm.

Se selecciono el anillo de bronce y el tornillo de acero para bajar la fricción, entre las partes.

Se definió un paso de 10 hilos por pulgada lo que quiere decir que la distancia l =1,27 mm

Sabiendo la carga necesaria para generar la presión de 500 psi se utiliza la ecuación 18

Según la tabla 3 para estos materiales, la fricción entre el anillo de bronces y el tornillo de acero, f =0,16 en el peor caso.

Resolviendo la ecuación 18 el torque necesario para generar 16.246 N es T=48,1 Nm. Si se asume que una persona puede hacer 200 N de fuerza, entonces el radio necesario para generar este torque es, r =T/F=0,24 m.

Es decir el radio del volante para hacer girar el tornillo es de 24 cm.

Debido a que cada vuelta del tornillo baja 2,54 mm, el caudal Q:

Ecuación 28 caudal.

Donde el volumen desplazado por vuelta es

0,04 0,00254 0,0058 0,00254 0,000013 13

Ecuación 29 volumen desplazado por vuelta.

Si se da 1 vuelta cada 5 segundos quiere decir que Q=2,6 ml/s.

Si el volumen de las fibras en el molde es 50% del volumen entonces el volumen de resina a llenar es de 450 ml.

El tiempo total de llenado es de 173 segundos o 2,9 minutos.

30

iii. Estructura Para hacer los cálculos de la estructura se uso la herramienta MdSolids versión 3.5. Los diagramas corresponden a la sección donde va el tornillo el cual ejerce una fuerza hacia arriba sobre la estructura de 32000 N.

Con una sección transversal

Imagen 20. Sección transversal parte superior estructura.

Con Momento máximo de 2,4 MPa, momento de Inercia de 1,99 x 10-4

distancia del centroide al extremo la sección de 12,2 mm. Por lo tanto el esfuerzo máximo es de 148,34 MPa Los siguientes diagramas son de la base que soporta los cilindros, con una carga central de 32000 N.

Imagen 19 diagramas de la parte superior de la estructura.

31

Imagen 21 diagramas soporte cilindros estructura.

Con una sección transversal rectangular:

Imagen 22 sección transversal soporte cilindros estructura.

Donde el momento máximo es 6.561 Nm, c=6 mm, y el momento de inercia es 2,16x10-8 m4 Por lo tanto el esfuerzo máximo en la pieza es de 182,25 MPa, por debajo del esfuerzo de fluencia del material.

iv. Molde

El diseño del molde depende del número de tornillos los cuales lo cierran, para saber cuántos tornillos se necesitan se calcula el radio hidráulico del molde.

32

0,091,2 0,075

Por norma ICONTEC. El número de tonillos es de 8.

Para el espesor de la placa del molde se puede asumir que se comporta como la imagen 7. Y si se usa la ecuación 8 con un factor de seguridad de 3, con β= 0,1380, b = a = 340 mm el valor del espesor de las 2 placas del molde es t =25 mm , cada una.

v. Pieza de unión.

Para dimensionar la pieza de unión se hace un diagrama de cuerpo libre de la pieza:

Imagen 23 diagrama de cuerpo libre de la pieza de unión.

Se sabe cuáles son las reacciones necesarias, se trata de averiguar la distancia a la cual debe estar el pistón pequeño para dar los 370 N necesarios, la longitud total de la pieza es 80 mm

Se llega a la siguiente relación.

Ecuación 30 relación de fuerzas y distancias en una viga.

Y Xp= 78,9 mm.

vi. Pistones.

Por medio de las formulas para laminas redondas toca hacer el cálculo por el método de superposición de ángulos.

33

0,001

Ecuación 31 superposición de ángulos de deflexión.

El Primer ángulo de deflexión se calcula para el pistón grande con los parámetros previamente desarrollados, C4 =0,375, L17 =0,927, C7=1,04, L14 =-15,74.

Por lo tanto el Angulo

3,35 0,045,57 6,073 2,34 10

Ecuación 32. Angulo a en términos del espesor.

Para el segundo Angulo

L9 =0,29, L6 =0,103.

32 0,045,57 0,001567 3,21 10

Ecuación 33. Angulo b en términos del espesor.

Por superposición se sabe

0,0015,91 10 5,76 10

Entonces

18

60,18

8. Análisis de elementos finitos.

Todas las simulaciones de elementes finitos fueron hechas por medio de el software ANSYS® Workbench 2.0 framework, versión 12.0.1 con licencia académica.

1. Estructura

La estructura se analizo por medio de una malla con tetraedros como elementos, con 23.274 nodos y 12.176 elementos.

Con una fuerza de 32.000 N sobre el anillo del tornillo y con la misma fuerza sobre la placa que tiene los cilindros. Con el soporte sobre la base de la estructura.

La deformación total máxima de 0,0002797 m.

34

Imagen 24. Deformación total Estructura

La deformación elástica unitaria equivalente es de 0,00082 m/m.

Imagen 25. Deformación elástica equivalente estructura

El esfuerzo de von-Misses fue 164.1 MPa, menor al esfuerzo de Fluencia del material.

Imagen 26 Esfuerzo máximo equivalente Estructura

2. Pistones

Fue modelado con una malla con tetraedros como elementos, la malla tiene 15572 nodos y 9.744 elementos, fue simulado con una fuerza de 32000 N y una presión de 6, 89Mpa sobre el área del pistón,

35

La deformación total máxima fue de 0,031mm.


Imagen 28 Deformación elástica equivalente pistón

El esfuerzo de von-Misses fue de 48,8 MPa por debajo del esfuerzo de fluencia.

Imagen 29 Esfuerzo máximo equivalente pistón

El pistón pequeño se analizo por medio de una malla con tetraedros como elementos, el número de nodos fue 6612 y 4020 elementos. Fue simulado con una fuerza de 800 N que es la fuerza necesaria para que este pistón genere 1000 psi de presión.

Imagen 27 deformación total del pistón

36

La deformación total máxima es de 0,058 mm.

Imagen 30 deformación total del pistón pequeño


Imagen 31 Deformación elástica equivalente pistón pequeño

El esfuerzo de von-Misses 17,2 MPa, menor al esfuerzo de fluencia del material.

Imagen 32 Esfuerzo máximo equivalente pistón pequeño

3. Cilindros

Se analizaron por medio de una malla con tetraedros como elementos, con 12.423 nodos, y 7.069 elementos. Los cilindros fueron sometidos cada uno a 1000 psi (6.89 MPa) de presión interna y a la fuerza equivalente ejercida por el tornillo, con soportes en los agujeros de los tornillos.

37

La deformación total máxima es de 0,015 mm. Cumpliendo entonces con el valor teórico calculado que tenía que ser menor al 0,5% del espesor de la pared.

Imagen 33. Simulación Deformación total de los cilindros.

La deformación elástica unitaria equivalente (von-Misses) es de 0,00063 m/m.

Imagen 34. Simulación de la deformación elástica equivalente (von‐Misses)

El esfuerzo de von-Misses fue 127,5 Mpa. Menor al esfuerzo de fluencia del material.

Imagen 35. Simulación del esfuerzo máximo equivalente (von‐Misses)

38

4. Molde

Las caras de los moldes se analizaron por medio de una malla con tetraedros como elementos, con 15.501 nodos, y 8646 elementos. Las caras de los moldes fueron sometidas cada una a 1000 psi (6.89MPa.) de presión interna, con soportes en los agujeros de los tornillos.

La deformación total máxima es de 0,5 mm. Cumpliendo entonces con el valor teórico calculado que tenía que ser menor al 0,5% del espesor del molde.

Imagen 36 deformación total del molde


Imagen 37 Deformación elástica equivalente molde

El esfuerzo de von-Misses fue 146,8 Mpa. Menor al esfuerzo de fluencia del material

39

Imagen 38 Esfuerzo máximo equivalente molde

5. Pieza de unión entre los pistones y el tornillo

La pieza de unión se analizo por medio de una malla con tetraedros como elementos con 21010 nodos, 13346 elementos.


Imagen 39 deformación total de la pieza de unión


Imagen 40 Deformación elástica equivalente pieza de unión

El esfuerzo de von-Misses fue 80 Mpa. Menor al esfuerzo de fluencia del material

40

Imagen 41 Esfuerzo máximo equivalente pieza de unión

6. Tornillo

El tornillo se analizo por medio de una malla con tetraedros como elementos con 23.558 nodos y 12.597 elementos


Imagen 45 deformación total del tornillo


Imagen 43 Deformación elástica equivalente tornillo

41

El esfuerzo de von-Misses fue 151,228 Mpa. Menor al esfuerzo de fluencia del material.

Imagen 44 Esfuerzo máximo equivalente tornillo

7. Anillo

El Anillo se analizo por medio de una malla con tetraedros como elementos con 49.714 nodos, 28.675 elementos.


Imagen 45 deformación total del anillo


42

Imagen 46 Deformación elástica equivalente anillo

El esfuerzo de von-Misses fue 186,668 Mpa. Menor al esfuerzo de fluencia del material

Imagen 47 Esfuerzo máximo equivalente Anillo

43

8. Proceso de Construcción

El proceso de construcción de la maquina empezó con un diseño preliminar, y debió ser seguido por un diseño formal teniendo en cuenta los materiales que se encuentran en el mercado nacional. Desafortunadamente el primer diseño formal, no tuvo en cuenta el mercado nacional y toco diseñar 2 veces la maquina, lo cual hizo que se perdiera mucho tiempo.

Finalmente después de encontrar todos los materiales se realizo un boceto aproximado de lo que iba a ser la maquina.

Una vez diseñadas todas las partes se procedió a construir la maquina por medio de planos de taller, la estructura, y los cilindros se construyeron por fuera de la Universidad. Se presentaron varios problemas sobre todo en el cumplimiento y en las tolerancias de las piezas. Cuando fue probado el cilindro pequeño tenía una fuga porque estaba mal soldado. La estructura quedo con un error de fabricación en la altura quedo 1,5 cm más baja, lo que dificulta el desmontaje del pisto grande.

Imagen 48 despiece de la maquina

44

Imagen 49 cilindros. Imagen 50 estructura.

La fabricación del tornillo se hizo en la universidad, así como la pieza de sujeción y los pistones.

Imagen 51 Torno Cincinnati donde fue construido el tornillo. Imagen 52 pistón

Las piezas fabricadas en la universidad tienen la ventaja que es más fácil controlar cada paso del proceso, las piezas fabricada en la universidad no tuvieron ningún problema de fabricación, a excepción del molde que las laminas estaban sin rectificar.

45

El molde fue fabricado en el CNC de la universidad.

Imagen 53 CNC en donde fue hecho el molde.

Todas las mangueras, racores y registros de la maquina fueron compradas para que su presión de trabajo fuera 1000 psi, lo mismo que todos los empaques de los pistones.

Fue utilizado para hacerle el vacio al molde un eyector marca A.R. que trabaja con aire a presión máximo a 10 bares.

Imagen 54. Eyector.

Después de tener todas las piezas listas se presentaron varios problemas, debido a que las cosas que se habían mandado a hacer afuera de la universidad, estaban por fuera de las tolerancias permitidas. Cuando finalmente se arreglo el problema el pistón se quedo metido en el cilindro sin estar agarrado a la pieza de sujeción por lo que toco romper un pieza de sujeción y adaptarla para que volviera a funcionar, finalmente cuando ya todo estaba armado al momento de probarla se descubrió una fuga en el cilindros pequeño lo cual quieto 1 día completo de trabajo.

46

La maquina ya armada y funcionando se muestra en la siguiente imagen.

Imagen 55 Maquina armada y funcionando

9. Diseño de la boquilla.

El diseño de la boquilla es el punto crítico del proyecto, ya que es difícil hacer la mezcla debido a la diferencia de viscosidades, de volúmenes y de caudal. Lo más importante es lograr que la mezcla quede bien hecha.

Para empezar se toma el valor del caudal Q=2,6 ml/s=2,6 x 10-6m3

ρ=1,13 g/cm3, η=8 Pa.s todo estos valores para la resina

Se selecciono una boquilla que reduce su diámetro de ¼” hasta 1/8”, es una T a 90 grados la cual tiene al final un tubo corrugado el cual le ayuda a generar turbulencia a la salida de la boquilla y a mejorar el mezclado.

Imagen 56 esquema de los cambio de diámetro en la boquilla

47

Para asegurar que la mezcla quede bien hecha se tiene en cuenta que el flujo tiene que ser turbulento, ya que es la manera más eficiente de que dos fluidos se mezclen, El caudal del cilindro de diámetro de 8 cm es 2,6 ml/s si se tiene en cuenta que este aumenta cuando hay reducción de área, entonces el nuevo caudal dentro del tubo es:

0,080,006 2,6 10 3,46 10

Para entrar a la boquilla

0,006

0,0031 3,46 10 6,69 10

∆8

2960

El cambio de presión debido a la reducción.

La boquilla cambia sus diámetros dos veces haciendo que el fluido aumente su velocidad, esto ayuda a que la mezcla se haga bien, pero debido a la alta viscosidad de la resina es muy difícil que este llegue a flujo turbulento.

Sin embargo debido a que la relación entre un elemento y el otro es baja, no está del todo comprobado si hace bien la mezcla o no. Por esto se procede a hacer las pruebas de mezclado.

48

10. Pruebas de mezclado.

Se usó resina Cristalan 856 pre acelerada, con material de refuerzo de fibra natural de fique y de yute, Durante las pruebas se comprobó que es difícil sellar bien el molde para que el vacio desocupe todo el aire dentro de este, la transferencia el lenta y es mejor tener la ayuda de alguien ya que la fuerza necesaria es alta.

Imagen 57 Pruebas sacadas del molde.

Imagen 58 detalle de la pieza.

En las imágenes se ve como quedaron las piezas generadas por la maquina, en las imágenes no se ven burbujas, quedaron del tamaño que era necesario, pero la otra cara de estos presenta problemas de llenado se hicieron 3 pruebas 2 con el mismo problema, al final no terminaba de llenar muy bien y parte de la resina no se curaba.

Debido a esto se decidieron hacer pruebas de mezclado de la boquilla directamente sin que entrara al molde, se hicieron varias Pruebas con el fin de comprobar si la mezcla estaba cumpliendo con las especificaciones del fabricante.

49

11. Análisis de las Pruebas

Para comprobar si cumplía las especificaciones del fabricante se hicieron pruebas de dureza, en 3 piezas 1 fue la mezcla sacada al principio de la transferencia, la otra al final, y la otra fue mezclada a mano.

El fabricante asegura que la resina se seca de 3 a 6 horas y se cura completamente a los 3 días, tiene una dureza de 45-50 Barcol lo que equivale a una dureza entre 58-65,2 Rockwell H, se hicieron 10 Pruebas de dureza de cada una de la piezas estas se muestran a continuación en la tabla 5.

Rockwell H Mezclada por la maquina Fabricante

Principio Final Mezclada a mano Rockwell H Barcol

1 20,5 47 64,8 58-65,2 45-50 2 39,2 53 65 3 19,3 58,9 60 4 25 58,5 63 5 20 54 71,4 6 29,3 51 60,27 27 49,2 61,78 32 57,8 66,79 30 56,3 61

10 25,6 55 61,4Promedio 26,79 54,07 63,52desviación 6,18 4,04 3,56

Tabla 5 datos de dureza Rockwell h realizadas en la piezas de prueba.

50

Imagen 6 realizando las pruebas de dureza.

Grafica 1 Durezas de las piezas probadas en comparación de la dad por el fabricante.

Como se puede ver en la grafica la resina que sale al principio de la mezcla, al parecer está seca, pero no da la dureza especificada, la prueba del final de la mezcla esta mejor pero tampoco cumple con la dureza indicada, por el otro lado la mezclada a mano cumple perfectamente con estas especificaciones lo que nos da a entender que la mezcla no está quedando bien hecha.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 2 4 6 8 10 12

Dureza R H

Dureza Rockwell H

Principio Final Mezcalda a mano Fabricante

51

12. Conclusiones.

Se construyo una maquina de moldeo por transferencia de resina, en la cual el sistema de mezclado no funciono por completo, sin embargo esta con muy pocas variaciones puede funcionar perfectamente, con la mayoría de los parámetros para los cuales fue diseñada.

El mezclado de la boquilla se ve afectado por la presión que halla en la boquilla en el momento de la transferencia, es decir la mezcla al principio no queda bien hecha debido a que la presión no es alta, por el contrario la del final está sometida a mayores presiones de transferencia, esto se debe gracias a que la viscosidad de la resina es muy alta y lograr que no dependa de la presión para mezclarse significaría aumentar casi 100 veces el caudal para que esta velocidad haga que haya flujo turbulento.

Las pruebas de dureza dejan ver claramente que el funcionamiento de la boquilla está mal, debido a que solamente hace una buena mezcla al final de proceso de transferencia, comparándolo con los datos del fabricante.

Se podría asegurar una presión constante en todo momento de la transferencia, empezando el proceso con los registros cerrados, y abriéndolos cuando ya se haya empezado la transferencia.

El vacio en el molde ayuda a que se disminuyan en una buena cantidad las burbujas de aire presentes en la pieza, sin embargo es muy complicado sellar todas las salidas de aire en el molde,

Se logro mejorar aspectos, como el de la limpieza y versatilidad comparándola con la maquina anterior, esta máquina puede

Se logro transferir a mayor presión, lo que hace que sea más fácil llenar e impregnar las resinas durante el proceso, también si la velocidad de transferencia es lenta se logran evacuar las burbujas de aire

Debido al mal funcionamiento de la boquilla, las piezas generadas no quedaron bien hechas sobre la cara exterior del molde. Ya que ahí llega la primera resina mezclada por la boquilla.

Las pruebas de dureza hechas sobre las piezas mezcladas con la boquilla, tenían menos de 24 horas de curado, el fabricante asegura que están completamente curadas después de 3 días, la dureza de estas no debería variar mucho debido a que después de 6 horas esta casi completamente seco, así que valdría la pena hacer pruebas de estas cuando tengan el tiempo completo necesario para curarse, esto no se pudo hacer ya que los laboratorios se encuentran cerrados

52

Es claro que separar el catalizador y la resina para mezclarlos durante el proceso es un problema mayor, que necesita de mayor conocimiento, debido a la complejidad de estos fluidos viscosos en diámetros de tuberías tan pequeños, se trato de hacer una aproximación por medio de pruebas las cuales aparentemente estaban bien, pero al momento de hacer pruebas de ingeniería quedo absolutamente claro que no estaba funcionando bien.

Los objetivos se cumplieron parcialmente ya que todos dependían uno del otro, igualmente se construyó una maquina que funciona, tiene la virtud de servir para todo tipo de resina solo sería necesaria construir los cilindros dependiendo del tipo de resina que se va a usar.

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13. Recomendaciones

• Seguir estrictamente los pasos indicados por el manual de instrucciones y mantenimiento.

• Para hacer un diseño tenga en cuenta primero que todo, los materiales que se encuentran en el mercado nacional.

• Asegúrese de tener suficiente tiempo para realizar varias pruebas ya que usualmente estas son más demoradas de lo que uno piensa.

• Cuando se manden a hacer piezas por fuera, asegúrese de probarlas y que estén funcionando debidamente.

• Es muy importante seleccionar un buen desmoldante ya que le puede quitar mucho tiempo sacar las piezas en inclusive las puede dañar.

• Asegurarse de dejar la maquina cuando no se va a usar desarmada para que nadie la toque.

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14. Bibliografía

• [1] GINGERY, VINCENT R.”The Secrets of building a plastic injection molding machine”. (2003). DAVID J.GINGERY PUBLISHING LLC ®.

• [2] BALLESTEROS, HOYOS, MENDOZA, OSPINA, PORRAS, RINCON, SANABRIA, “construcción de una maquina RTM”, estudiantes de maestría 2008. Universidad de los Andes.

• [3] MARAÑON ALEJANDRO Ph.D, Profesor Asociado, Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Los Andes.

• [4] Ana Cecilia Miranda, “Materiales Compuestos Estructurales Reforzados con Fique”, Proyecto de grado, Universidad de los Andes, 2007

• [5] Yan Sanabria Pinilla, “Telas de fique como refuerzo para materiales compuestos”, tesis de maestría, Universidad de los Andes, 2008[2].

• [6]Avery, Jack; injection molding Alternatives, a guide for designers and products Engineers. 1998, Hanser, publishing

• [7] Shoemaker; Jay “Moldflow Design Guide, a resource for plastics Engineers.”, 2006, Hanser publishing

• [8] Shigley, Joseph, Mischke, Budynas; “Mechanical Engineering Design”, Jay, 2004, Mc Graw Hill ; seventh edition.

• [9] Young, W.C.; Budynas, R.G. ”Roark's Formulas for Stress and Strain” (7th Edition) © 2002 McGraw-Hill.

• [10] Ardila, Camilo, “Pruebas de extracción de fibras para materiales compuestos de resinas poliméricas reforzadas con fibra de fique”, tesis de Pregrado, Universidad de los Andes, 2009.

• [11] Lesieur, Marcel, “Turbulence in Fluids”, Springer, Netherlands, 2008

• [12] De Nevers, Noel Howard, Fluid mechanics for chemical engineers, 3rd edition, McGraw-Hill 2005.

• [13] Wilkes, James O, “Fluid mechanics for chemical engineers”, Prentice Hall PTR, 1999

• [14] White, Frank M., “Fluid mechanics”, 6th ed. McGraw-Hill, c2008.

55

• [15] Contreras, María Fernanda, “Caracterización mecánica de fibras e hilos de fique y análisis de falla de una material compuesto”, Proyecto Especial, Universidad de los Andes, 2008.

• [16] Mazumdar, Sanjay K., “Composites manufacturing : materials, product, and process engineering”, CRC Press, 2002.

• [17] Winandy, Jerrold E.; Kamke, Frederick A, “Fundamentals of Composite Processing, Proceedings of a Workshop” United States Department of Agriculture, Eds. 2004

• [18] Hibbeler, R.C. “Mechanics of Materials” Prentice Hall, Fourth edition, 2000.

documento tesis rodrigo vivas duque

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