SEPI - ZACATENCO

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

SECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION

“DISEÑO DE UNA MAQUINA RECICLADORA PARA PROCESAR LOS DESECHOS PLASTICOS EN LAS

ZONAS URBANAS”

Tesis que para obtener el Grado de Maestro en Ciencias con especialidad en Ingeniería Mecánica Presenta:

Ing. Alfredo Javier Rubio Aranda

Director de tesis: M. en C. Alla Kabastkaia Ivanovna

México D.F., Enero de 2005

ÍNDICE ÍNDICE DE FIGURAS………………………………………………………………..…………...I ÍNDICE DE FOTOGRAFIAS………………….………….………………………………..…….II ÍNDICE DE TABLAS……………………………………………………………………….…...III GLOSARIO…………………………………………………………………………………........IV NOMENCLATURA……………………………………………………………………..…….….V SIMBOLOGÍA...............................................................................................................................VI RESUMEN....................................................................................................................................VII ABSTRAC...………………………………………………………………………………........VIII OBJETIVO……………………………………………………………………………...………..IX JUSTIFICACIÓN……………………………………………………………………………....…X PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA…………………………………………………...........XI HIPOTESIS.....................................................................................................................................XI INTRODUCCIÓN......................................................................................................................XIIII CAPITULO I. FUENTES DE GENERACIÓN DE LA BASURA 1.1 Situación de la problemática………………………………….………………………….…….1 1.2 Evolución de la basura………………………………………………………………………....2 1.3 Composición…………………………………………………………………………………...3 1.4 Clasificación…………………………………………………………………………………...5 1.5 Métodos de eliminación………………………………………………………………….…….6 1.6 Razones para reciclar…………………………………………………………………………..9 1.7 Métodos de reciclado………………………………………………………………………....10 1.8 Campo de aplicación…………………………………………………………………….........10 1.9 Referencia bibliogràfica…………………………………………………………....................11 CAPITULO II. DESCRIPCIÓN DE POLÍMEROS Y TIPOS DE PLASTICOS 2.1 Definición……………………………….……………………………………………….…....12 2.2 Clasificación……………………………………………………………………………...…..12 2.3 Estructura macromolecular……………………………………………………………….......14 2.4 Propiedades mecánicas de los plásticos……………………………………………………....18 2.5 Clasificación comercial de los plásticos……………………………………………………...19 2.6 Referencia bibliogràfica ……………………………………………………………………...21 CAPITULO III. METODOLOGÍA DE DISEÑO 3.1 Proceso de diseño…………………………….…………………………………………….....22 3.2 Metodología para el diseño conceptual…………………………………………………..…....22 3.3 Metodología para el diseño detallado ………………………………………………………..23 3.3.1 Modelo geométrico…………………………………………………………………....…....23 3.3.2 Modelo de manufactura……………………………………………………………………..23 3.3.3 Restricciones…………………………………………………...………………………..….23 3.4 Descripción de conceptos…………………………………………………………………….24 3.4.1 Diagrama de matriz………………………………………………………………………....24 3.4.2 Clarificación de los requerimientos del cliente………………………………………….…24 3.4.3 Modelo funcional…………………………………………………………………………...24

3.4.4 Generación de conceptos…………………………………………………………………...24 3.4.4.1 Tormenta de ideas……………………………………………………………………..….24 3.4.4.2 La sinectica…………………………………………………………………………..…...25 3.4.5 Evaluación de conceptos…………………………………………………………………....25 3.4.5.1 Evaluación de factibilidad………………………………………………………………..26 3.4.5.2 Evaluación en base a disponibilidad tecnológica………………………………….………26 3.4.5.3 Evaluación con base a los requerimientos del cliente……………………………………..26 3.4.5.4 Evaluación en base a matrices de decisión………………………………………………..26 3.5 Referencia bibliogràfica……………………………………………………………………….27 CAPITULO IV. DESARROLLO DEL DISEÑO 4.1 Comprensión del problema……………………..………………………………….………….28 4.1.1 Aplicando la metodología Q.F.D.……………………………………………...……………28 4.1.2 Pasos del Q.F.D……………………………………………………………………………..28 4.2 Desarrollo de la metodología……………………………………………………………..…. 28 4.2.1 Identificación del cliente…………………………………………………………………....28 4.2.2 Determinación de los requerimientos y expectativas de los clientes…………………….....30 4.2.3 Determinar la importancia relativa de los requerimientos…………………………….…....31 4.2.3.1 Requerimientos obligatorios………………………………………………………….…..31 4.2.3.2 Requerimientos deseables…………………………………………………………….…..31 4.2.4 Estudio comparativo con otros productos…………………………………………………..33 4.2.5 Traducción de los requerimientos en términos mensurables………………………….……34 4.2.5.1 Traducción de los requerimientos deseables……………………………………………..35 4.2.5.2 Traducción de los requerimientos obligatorios…………………………………………..39 4.2.6 Metas de diseño…………………………………………………………………………….40 4.3 Diseño conceptual……………………………………………………………………….……41 4.3.1 Planteamiento del problema…………………………………………………………….…..41 4.4 Función global de servicio del producto………………………………………………….…..41 4.5 Limites del producto……………………………………………………………………….....42 4.6 Funciones de servicio del sistema de la maquina recicladora…………………………….….43 4.6.1 Elementos del conjunto…………………………………………………………………......43 4.7 Análisis funcional descendente…………………………………………………………….....45 4.8 Primer nivel de descomposición funcional.…………………………………………………..46 4.9 Segundo nivel de descomposición funcional………………………………………………....51 4.10 Tercer nivel de descomposición funcional……………………………………………….…54 4.11 Cuarto nivel de descomposición funcional……………………………………………….....56 4.12 Establecimiento de la lluvia de ideas………………………………………………………..60 4.13 Evaluación de conceptos……………………………………………………………………67 4.14 Matriz final de conceptos principales…………………………………………………….…71 4.15 Referencia bibliografía……………………………………………………………………...72 CAPITULO V. DISEÑO DETALLADO 5.1 Factores de diseño……………………..………………………………….………………….73 5.2 Proceso de diseño para la maquina de reciclado……………………………………………..73 5.2.1 Diagrama de flujo “Proceso de reciclado”…………………………………………………74 5.3 Calculo del sistema de trituración …………………………………………………………...75 5.3.1 Diagrama unifilar…………………………………………………………………………..76 5.3.2 Desarrollo de formulas……………………………………………………………………..76

5.3.3 Conversión de la resistencia al choque………………………………………………….....78 5.3.4 Calculo de las dimensiones de la cuchilla………………………………………………….79 5.3.5 Dimensión de la cuchilla…………………………………………………………………...81 5.3.6 Calculo para el motor eléctrico 1…………………………………………………………..82 5.4 Método de análisis y cálculo para el tornillo sin fin………………………………………….83 5.4.1 Obtención de dimensiones del tornillo sin fin……………………………………………...84 5.4.1.1 Diámetro medio…………………………………………………………………………..84 5.4.1.2 Diámetro menor…………………………………………………………………………..85 5.4.1.3 Área de tensión…………………………………………………………………...............85 5.4.2 Tensión torsional…………………………………………………………………………...85 5.5 Selección de la banda de transmisión………………………………………………...………86 5.5.1 Método simplificado para selección………………………………………………………..87 5.5.1.2 Primer paso……………………………………………………………………………….87 5.5.1.3 Segundo paso……………………………………………………………………………..87 5.5.1.4 Tercer paso……………………………………………………………………………….88 5.5.1.5 Cuarto paso……………………………………………………………………………….88 5.5.1.6 Sexto paso………………………………………………………………………………...88 5.6 Capacidades de las resistencias eléctricas……………………………………………………90 5.6.1 Amperaje……………………………………………………………………………………90 5.6.2 Resistencia………………………………………………………………………………….91 5.6.3 Termostatos…………………………………………………….…………………………….91 5.6.4 Analisis economico……………………………...…………………………………………..92 CONCLUSIONES…………………………………………………………………………….XIII RECOMENDACIONES PARA TRABAJOS FUTUROS………………………………….XIII ANEXOS…………………………………………………………………………………….....XIV

INDICE DE FIGURAS.

Capítulo I Pág. Figura 1. Gráfica de porcentajes de basura………………………………….………………..…..1 Figura 2. Basura generada por la industria……………………………………………..………...2 Figura 3. Relleno sanitario manual…………………………………………………………….....7 Figura 4. Elaboración de fertilizantes………………………………………………………….....7 . Capítulo II Figura 5. Cadena polimérica……………………………………………………........................14 Figura 6. Homopolímero……………………………………………………………............….15 Figura 7. Copolímero al azar……………………………………………………………….…..15 Figura 8. Copolímero en bloque…………………………………………………………….….15 Figura 9. Copolímero alternado………………………………………………………………...15 Figura 10. Terpolímero…………………………………………………………………………15 Figura 11. Homopolímero ramificado……………………………………….…………………15 Figura 12. Copolímero injertado………………………………………….…………………….15 Figura 13. Elastómeros y geles……………………………………………….………………...15 Figura 14. Termofijos…………………………………………………………………………..15 Figura 15. Curva de distribución de pesos moleculares……………………………….……….17 Figura 16. Dureza de diferentes polímeros…………………………………………………......18 Capítulo III Figura 17.Metodología para el diseño conceptual.………………………….….........................22 Figura 18.Estructura de la metodología para el Diseño de Detalle…...……………...…………23 Figura 19. Pasos para la evaluación de conceptos……………………………………………...25 Capítulo IV Figura 20.Diagrama funcional de mayor nivel en el sistema ..……………………………...…41 Figura 21.Limites del sistema …………………………………………………………….........43 Figura 22.Diagrama funcional de mayor nivel para el producto………………………………….45 Figura 23.Primer nivel de descomposición funcional Interruptor de paso.…………………….…46 Figura 24. Primer nivel de descomposición funcional Termómetro……………………….......46 Figura 25. Primer nivel de descomposición funcional Vòlmetro……………………………....47 Figura 26. Primer nivel de descomposición funcional Ampèrmetro…………………………...47 Figura 27. Primer nivel de descomposición funcional Tolva de alimentación………………...48 Figura 28. Primer nivel de descomposición funcional Cuchillas trituradoras………………....48 Figura 29. Primer nivel de descomposición funcional Extrusor…………………………...…..49 Figura 30. Primer nivel de descomposición funcional Cámara de fundición………………….49 Figura 31. Primer nivel de descomposición funcional Variador de frecuencia………………..50 Figura 32. Primer nivel de descomposición funcional Pastilla térmica………………………..50 Figura 33. Segundo nivel de descomposición funcional Botón paro de emergencia………......51 Figura 34. Segundo nivel de descomposición funcional Botón selector de trituración………..51 Figura 35. Segundo nivel de descomposición funcional Botón selector de extrusión…………52 Figura 36. Segundo nivel de descomposición funcional Botón selector de resistencias….…....52 Figura 37. Segundo nivel de descomposición funcional Motor eléctrico de cuchillas………...53 Figura 38. Segundo nivel de descomposición funcional Motor eléctrico del extrusor………...53 Figura 39. Segundo nivel de descomposición funcional Resistencia eléctrica………………...54

I

INDICE DE FIGURAS.

Figura 40. Tercer nivel de descomposición funcional Potenciómetro………………….……54 Figura 41. Tercer nivel de descomposición funcional Polea, banda, flecha…………............55 Figura 42. Tercer nivel de descomposición funcional Contactor auxiliar……………………55 Figura 43. Tercer nivel de descomposición funcional Sensor de presión………………........56 Figura 44. Cuarto nivel de descomposición funcional Flecha………………………….........56 Figura 45. Cuarto nivel de descomposición funcional Chumacera……………………..……57 Figura 46. Cuarto nivel de descomposición funcional Polea………………………………....57 Figura 47. Cuarto nivel de descomposición funcional Banda de transmisión……………….58 Figura 48. Cuarto nivel de descomposición funcional Flecha de transmisión.…………........58 Figura 49. Cuarto nivel de descomposición funcional Estructura de fijación………………..58 Figura 50. Cuarto nivel de descomposición funcional Estructura de fijación.…………….…59 Capítulo V Figura 51. Diagrama de flujo………………………………………………..………………..74 Figura 52. Cuchillas trituradoras…………………………………………… ……………….75 Figura 53. Tipo de carga aplicada a las cuchillas………………………………………….…75 Figura 54. Diagrama de momento y fuerza cortante………………………………..………..76 Figura 55. Análisis de momento y fuerza cortante………………………....………………..76 Figura 56. Sección transversal de la cuchilla……………………………….………….........79 Figura 57. Dimensiones de la cuchilla……………………………………...……….……….81 Figura 58. Nomenclatura rosca cuadrada…………………………………...……………….83 Figura 59. Arreglo de polea del husillo con el motor eléctrico……………..…………….…86

I

INDICE DE FOTOGRAFIAS.

Capítulo I Pág. Foto 1. Vertido controlado…………………………….………………………………….…...6 Foto 2. Fabrica incineradora de residuos sólidos………………………………………….…..8 Foto 3. Material comprimido para triturar……………………………………….…………....9 Capítulo III Foto 4. Desechos plásticos en zonas urbanas..…………………………………………….....27 Foto 5. Centro de recolección de basura……………..……………………………………….27 Foto 6. Director de servicios Urbanos de Tlàhuac….…………………...……..….................27

II

INDICE DE TABLAS.

Pág Capítulo I Tabla 1. Porcentaje y clasificación de desechos sólidos por casas en el D.F.……………....…3 Capítulo II Tabla 2. Cambio de propiedades de polímeros por peso molecular…………….…………....16 Tabla 3. Cambio de propiedades de los polímeros por amplitud………………………….…17 Tabla 4. Densidad, conductividad térmica y eléctrica…………………………..…………...18 Tabla 5. Sistema de codificación de envases plásticos……………………........…………....19 . Capítulo IV Tabla 6. Requerimientos obligatorios……….…………………………………..…………....29 Tabla 7. Requerimientos deseables……….…………………………………….…………….30 Tabla 8. Ponderación de los requerimientos deseables………………….…………………...31 Tabla 9. Requerimientos deseables con mayor peso relativo……………..…………………31 Tabla 10. Estudio comparativo…………………………………….…………………………32

III

GLOSARIO Basura: Objetos de los que se deshacen, porque dejaron de ser útiles. Basura orgánica: Son aquellos que pueden ser degradados por acción biológica y están formados por todos los residuos, que se descomponen con el tiempo al suelo, como del tipo animal, vegetal y minerales que contengan carbono, hidrogeno, oxigeno y nitrógeno. Basura Inorgánica: Desechos no biodegradables. Es decir, aquellos que no pueden descomponerse, plástico, vidrio, cerámica. Desechos biodegradables: Se descomponen en forma natural en un tiempo relativamente corto. Diámetro mayor: Es el más grande de la rosca. Diámetro menor: Es el más pequeño de la rosca. Diámetro de paso: Es el diámetro intermedio (ni el exterior de la polea, ni el interior de la ranura), en donde, en teoría, se efectúa la transmisión. Kilogramo: Unidad de medida del Sistema Internacional para la magnitud física de masa. Paso: Es la distancia entre dos cuerdas adyacentes, medida en forma paralela al eje de la rosca. El paso en unidades inglesas es el reciproco del numero de cuerdas por pulgada (N). Polímero: Cualquier sustancia natural o sintética que posee un alto peso molecular, comúnmente superior a 10000, se le da el nombre de sustancia molecular o polímetro. Potencia de diseño: Es la potencia en HP que se utiliza para calcular cada transmisión. Potencia nominal: Es la potencia que se desea transmitir efectivamente. Plásticos: PET, PVC, PS, entre otros. Resinas: Cualquier material polimérico puro, esto es , sin aditivos o cargas. Elastómeros y hules: Materiales que tienen flexibilidad y elasticidad a temperatura ambiente. Termoplásticos: Materiales que pueden suavizarse, procesarse y reprocesarse, mediante la aplicación de temperatura y presiòn, lo que permite darles una forma deseada. Termofijos: Materiales que no se transforman con la aplicación de calor y presión. Tornillo de transmisión de potencia: Es un dispositivo que se utiliza en maquinaria para cambiar el movimiento angular en movimiento lineal.

IV

NOMENCLATURA

ABS Poliacrilonitrilobutadieno-estireno C Carbono DP Grado de polimerización DPM ó MWD Curva de distribución de pesas moleculres H Hidrógeno HDPE Polietileno de alta densidad LDPE Polietileno de baja densidad Mpa. Megapascales Mu Promedios viscosimétricos Mw Promedios besados N Nitrógeno ONU Organización de las Naciones Unidas O Oxigeno Q.F.D Despliegue de funciones de calidad PA Poliamidas PC Policarbonatos PCTFE Policrorotrifluoro-etileno (PCTFE) PE Polietileno PET ó PETE Polietilón Tereftalato PDVC Policloruro de vinilideno POM Polióxido de metileno PP Polipropileno PS Poliestireno PTFE Politetrafluoruro de vinilo PVC Policroruro de vinilo PVCC Policloruro de vinilloclorado PVC-P Policloruro de vinilo plastificado PVC-U Policloruro de vinilo no plastificado PVDF Polidifluoruro de vinilo PVF Polifluoruro de vinilo SBR-HIPS Polibutadieno-estireno SPI Sociedad de Industrias de Plástico

V

SIMBOLOGIA

º C Grados centígrados % Porcentaje Km2 Kilómetros cuadrados Lts. Litros M. Unidad de medida metro. In Pulgadas. Psi Mpa Mega pascales G/cm3 Gramo por centímetro cúbico W/mk Conductividad térmica S Conductividad eléctrica. Hrs./sem. Horas por semana. K Kilo Ω Ohms KJ/m2 Kilo Joule por metro cuadrado. V Esfuerzo cortante. Γ Resistencia mecánica. P Carga aplicada. Nm Newton por metro. Kgf/m Kilogramo fuerza por metro. $ Signo de pesos. ∑ Suma.

Rpm Revoluciones por minuto. < Menor que. mm Milímetros. A Amperes. Pr Peso relativo. Rd Requerimiento deseable. Ro Requerimiento obligatorio. TCE Tablero De control elemento. MTE Mecanismo de trituración elemento. MPA Mecanismo de alimentación a presión elemento. CF Cámara de función elemento.

VI

RESUMEN

Considerando que cada habitante en el mundo desecha un promedio de un kilogramo de basura, lo cual significa que diariamente reproducen 6 mil 500 millones de toneladas de basura en promedio en todo el mundo. El Diseño de una máquina recicladora para procesar los desechos plásticos en las zonas urbanas, esta sustentado bajo la necesidad rápida y práctica para minimizar los plásticos que surgen como desecho de la vida cotidiana. La máquina esta diseñada para trabajar con los termoplásticos, basada en los pasos siguientes:

• La alimentación del material • Trituración • Transportación • Fundición

Para el proceso de diseño se empezó con un análisis de la situación actual y del impacto ambiental, esto con la finalidad de obtener la magnitud del problema en particular los plásticos. Para lo cual se ocupo la metodología de diseño Q.F.D., para identificar el cliente que se viera afectado por el producto, entre los cuales se encontraron los siguientes:

• Todas las personas afectadas por la contaminación de los termoplásticos. • Los organismos gubernamentales que se encargan de limpiar, recolectar, separar y

almacenar desechos plásticos • Organismos que protegen el medio ambiente. • La naturaleza.

Se establecen los requerimientos del cliente traduciendo aquellos que no son mensurables. Se hizo una comparación en el mercado con dos máquinas similares donde se obtuvo que son máquinas grandes, costosas y que están orientadas a la producción y pertenecen a la iniciativa privada. Por lo que este diseño ataca directamente los conceptos de costo y tamaño para hacer del diseño una máquina competitiva en el mercado, abarcando requisitos que otras no tienen y dándole un enfoque para la sociedad, minimizando el volumen de los plásticos y darle otro uso mediante el reciclado.En el desarrollo se obtuvo un diseño integral aplicando los conocimientos de ingeniería mecánica y eléctrica. El proceso de trabajo de la máquina empieza con la alimentación del material al reciclar a través de una tolva que direccióna el material a las cuchillas trituradoras por la acción de la fuerza de gravedad. Las cuchillas trituradoras, que se encuentran en movimiento mediante un motor eléctrico tritura el material para que caiga a la concavidades de un tornillo sin fin, el cual mediante un movimiento giratorio desplaza el material triturado por la cámara de fundición, en la cual se aplica una temperatura aproximada 270 °C mediante resistencias eléctricas para fundir el material o tener una consistencia blanda del mismo. El control de estos sistemas se hace mediante un tablero, en el cual están montados los instrumentos para controlar el sistema por completo. El diseño abarca hasta que el material se funde. La parte del moldeo o laminación del material fundido a la salida de la cámara de fundición se deja para trabajos futuros.

VI

ABSTRAC

Seriously consider each inhabitant throw an average of a kilogram out, which means six thousand five hundred million tons of garbage daily in all over the world. The recycling machine was designed to process plastic waste in urban areas, this sustained under the quick necessity to minimize the plastic that arise like waste of the daily life. It was designed to work with thermoplastics based on the following steps: The feeding of the material:

• Triturating • Transportation • Foundry

It began with an analysis of the current situation and the environmental impact, this with the purpose of obtaining the magnitude of the problem; in particular the plastic. The design methodology Q.F.D. was used to identify the client who is affected by the process. The client’s requirements are settled down translating those that are not measurable. A comparison was made in the industry with two similar machines where it was obtained that they are too big and expensive and they are directed to the production sector and belong to the private initiative. For that reason this machine attacks the cost and size concepts directly to make of this one project competitive in the industry, embracing requirements that others do not have and giving it a focus for the society, minimizing the volume of the plastic and to give it another use by means of the one recycled. An integral design was obtained applying the knowledge of mechanical and electric engineering. The work process of the machine starts with the feeding of the material astride the hopper, which takes the material to the crusher by the action of the gravity force. The crusher knives which are in movement by means of an electric motor, crush the material so it falls to the concavities of a screw without end, which displaces the material crushed to a blast furnace in which an approximate temperature of 270 degrees is applied by means of electric resistances to fuse the material or to have a soft consistence of the same one. The control of this system is made by a control panel in which all the instrument is mounted to control the system completely The design embraces until the material is fused. The moulding part of the fused material at the end of the blast furnace is left for future works.

VIII

OBJETIVO

Diseñar una máquina recicladora de plástico económica y funcional mediante los conocimientos de Ingeniería para la minimización de los desechos sólidos (termoplásticos), que se generan en el hogar y en la industria.

IX

JUSTIFICACIÓN

En el mundo existe la problemática debido a la generación de la basura, ya que según la Organización de Naciones Unidas (ONU), la población mundial llega a 6 mil 500 millones de personas. Ahora, considerando que cada habitante desecha un promedio de un kilogramo de basura, lo que significa que diariamente son desechadas 6 mil 500 millones de toneladas de basura en promedio en todo el mundo. En países tecnológicamente avanzados se toman medidas apropiadas para reducir la basura. En México todavía falta desarrollo en varios aspectos tecnológicos y sociales, ya que la basura afecta como al campo y a las ciudades. Por esta razón, es de gran importancia tener herramientas apropiadas que faciliten el reciclar los desechos, por tal razón el Diseño de una Maquina recicladora de plástico para zonas Urbanas.

X

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Diariamente se producen 6 mil 500 millones de toneladas de basura en promedio en todo el mundo. El 14% de esta basura son plásticos. Esto requiere un espacio, para ser depositada, por lo que representa un gran problema ya que lo que más necesitamos es espacio.

HIPOTESIS

Tener las herramientas y métodos necesarios para la minimización, reciclaje y aprovechamiento de la basura.

XI

INTRODUCCION Crear e innovar para tener la técnica al servicio de la patria a sido sinónimo de su ideal desde la fundación del Instituto Politécnico Nacional. A través de sus profesores y alumnos ha mantenido en constante evolución los conocimientos para afrontar los retos del siglo XXI. El presente trabajo “Diseño de una maquina recicladora para procesar los desechos plásticos en las zonas urbanas”, bajo la dirección de la M. en C. Alla Kabatskaia Ivanova, es un claro ejemplo de ello. Debido a la cultura del consumismo de hoy en día, se generan desechos sólidos, de los cuales, la gran mayoría son plásticos. Por todos estos residuos, que se originan, existe una enorme contaminación de agua, aire y suelo. Este trabajo propone una herramienta, que participe activamente en la minimización y reciclaje de estos desechos. La competencia y satisfacción en el mercado comercial exige realización de productos de gran calidad. Esto significa el cumplimiento con los requerimientos del cliente, por lo que esta necesidad se considera en el presente trabajo, cumpliendo la siguiente estructura. En el capitulo I, se describe la situación, que se presenta en torno a la problemática de la basura, como ha ido evolucionando, debido a los avances tecnológicos, y cuál es la más presente. Además, se menciona la clasificación y los métodos de eliminación, existen hoy día. Por último, se explica algunas de las razones, más importantes, para reciclar la basura y su campo de aplicación. En el capítulo II, se describe los diferentes tipos de plástico y el proceso de obtención, con los cuales adquieren diferentes propiedades mecánicas. Este se presenta o relaciona directamente con los métodos de obtención más comunes. En pocas palabras, se mencionan los conceptos principales, para poder trabajar con las propiedades del plástico. En el capítulo III, se describe la metodología de diseño, que se emplea para determinar los requerimientos del cliente y poder establecerlas metas de diseño, con las que debe contar el sistema de reciclado de plástico. La metodología, que se emplea, es el Q.F.D., asegurando de esta manera un diseño con calidad. En el capítulo IV, se desarrolla la metodología del Q.F.D., en donde se identifica el cliente, los requerimientos, y la traducción de los mismos. Después se prosigue con el Diseño conceptual, en el que se obtiene una matriz de conceptos funcionales de la maquina. Los conceptos se evalúan, bajo criterios como: factibilidad, disponibilidad tecnológica, y los requerimientos del cliente. En el capítulo V, se realiza el Diseño detallado, el cual abarca el cálculo de las cuchillas, el husillo, la capacidad de las resistencias para fundir el material. Se complementa con los esquemas principales y uno del conjunto en general. Finalmente, se establece la conclusión a la que se llaga en el desarrollo de este trabajo.

XII

CAPÍTULO I.

“FUENTES DE GENERACIÓN DE LA

BASURA” En este capítulo se describe la situación que se presenta entorno a la problemática de la basura, también, cómo ha ido evolucionando el tipo de basura, debido a los avances tecnológicos, y la que más se presenta. Además, se menciona como se clasifica la basura y los métodos de eliminación, que existen hoy en día. Y por último se explica algunas de las razones, más importantes, para reciclar la basura y su campo de aplicación.

1.1 SITUACION DE LA PROBLEMÁTICA

El hombre ha creado una cultura donde la basura es constantemente desechada, y alrededor de todo el mundo hay muchas personas que dependen del recurso de la misma como fuente de empleo. Desde decenios atrás, se han hecho muchos estudios sobre el rescate y reciclaje de materiales provenientes de la basura. En el mundo existe la problemática debido a la generación de la basura, ya que, según la Organización de Naciones Unidas (ONU), la población mundial llega a 6 mil 500 millones de personas. Ahora, considerando que cada habitante desecha un promedio de un kilogramo, esto significa que diariamente se produce 6 mil 500 millones de toneladas de basura en promedio en todo el mundo. [1] Cuando se dice basura se refiere a todos los residuos, que tienen diferentes orígenes, como desperdicios del hogar, oficinas, calles e industrias. También, se puede considerar basura a los objetos de los que se deshacen, porque dejaron de ser útiles, dentro de los cuales se puede mencionar una gran variedad de los mismos, como grabadoras, cámaras fotográficas, entre otras.

Las fuentes principales del origen de la basura.

En la zona urbana habitan más de 19 millones de personas en una superficie menor a tres mil quinientos kilómetros cuadrados, de los cuales 115 km2 corresponden al área urbana. El área urbana se divide en dos principales sectores el Distrito Federal, con 1 500 km2 y la zona metropolitana con 1 728 km2. Por lo tanto diariamente son desechadas más de 19 mil toneladas diarias. Esto requiere un espacio, para ser depositada, así se puede pensar que es un problema serio.

Fig. 1 Gráfica promedio de porcentajes de basura.

1

En México el proceso de los desechos no se acaba, cuando el ciudadano elimina algo, en realidad esto es el inicio de una gran cantidad de relaciones. Entre las formas en las que las personas eliminan sus desechos es entregar al barrendero, que limpia su zona.

El camión recolectará la basura para luego depositarla en una estación de transferencia, donde se llenará un trailer con capacidad de 20 a 25 toneladas de basura. El trailer llevará la basura a los tiraderos.

Por todos estos residuos sólidos, que se originan, existe enorme contaminación en agua, aire y suelo.

1.2 EVOLUCION DE LA BASURA

Las formas de vida es la característica de nuestro tiempo actual, dan lugar a la producción y acumulación de basura. Gran cantidad de productos de uso diario, llega a los hogares, escuelas o lugares de trabajo. Existe una gran variedad de estos productos entre los cuales se puede encontrar latas, empaques, envolturas, botellas, objetos de vidrio entre otros. El incremento de la población y el consumo exagerado de objetos innecesarios desechados, casi siempre, en un periodo corto, acarrea la demanda cada vez mayor de bienes de consumo, muchos de los cuales se presentan envueltos en papel, plástico o cartón; a esto se suma la abundante propaganda y publicidad impresa en papel y repartida en la vía pública y que, casi siempre, es arrojada a la calle.

El comercio, las escuelas y otras instituciones tiran diariamente enormes cantidades de papel. La proporción de los diferentes materiales varía pero en nuestros días siempre predominan el papel y los plásticos..

La industria, como ya se mencionó, es una de las mayores fuentes de basura por eso algunas industrias producen diferentes cantidades de basura

Un estudio de la antigua Secretaría de Desarrollo Urbano y Ecología, en 1988, sobre la composición de desechos sólidos por día, por unidad familiar y estrato económico, arrojó los siguientes resultados. [2]

Figura 2. Gráfica basura generada por industrias.

2

Composición de desechos Sólidos (día) por casa y estrato económico (%)[2] Estratos. 1o. Menos de salario mínimo 2o. 1 a 3 veces el salario mínimo 3o. 4 a 7 veces el salario mínimo 4o. 8 a 11 veces el salario mínimo 5o. Más de 11 veces el salario mínimo

1.3 COMPOSICIÓN DE LA BASURA

1.3.1 Los plásticos.

El 14% del peso de la bolsa de basura son plásticos, y en su mayoría provienen de envases de un solo uso y de todo tipo de envoltorios y embalajes (botellas de PVC o PET, bolsas de polietileno, bandejas y cajas protectoras de corcho blanco). Si se entierran en un vertedero ocupan mucho espacio, tardan desde décadas hasta milenios en degradarse. Si se opta por incinerarlos, originarán emisiones de CO2, contribuyendo al cambio climático, y otros contaminantes atmosféricos muy peligrosos para la salud y el medio ambiente. Uno de los plásticos de uso más generalizado, el PVC, produce una elevada contaminación en su fabricación. Si, finalmente, se incinera, produce unas de las sustancias más tóxicas, que se conocen, las dioxinas y los furanos. Hay que tener en cuenta que todos los plásticos se fabrican a partir del petróleo. Por ello, al consumir plásticos, además de colaborar al agotamiento de un recurso no renovable, potenciamos la enorme contaminación, que origina la obtención y transporte del petróleo y su transformación en plástico.

1.3.2 Las latas.

Los metales en su conjunto representan el 11.7% del peso de los RSU y el 4.2% de su volumen y, en la actualidad, la mayoría son latas. Fabricadas a partir del hierro, el zinc, la hojalata y, sobre todo, el aluminio, se han convertido en un auténtico problema al generalizarse su empleo como envase de un solo uso. El aluminio se fabrica a partir de la bauxita, un recurso no renovable, para cuya extracción se están destrozando miles de kilómetros cuadrados de selva amazónica y otros espacios importantes del planeta.

Orgánicos Metales Papel Plásticos Vidrio Textiles Otros Totales 1o. 54.86 3.40 18.75 5.49 5.90 4.31 7.30 1752 2o. 49.07 3.73 20.14 7.36 5.53 4.49 8.87 4830 3o. 51.91 3.39 18.40 5.97 10.48 3.47 6.37 4755 4o. 56.10 3.39 17.43 6.62 9.73 2.02 4.72 5438 5o. 52.53 3.24 19.81 6.07 10.57 1.86 5.91 8850

Tabla1. Porcentaje y clasificación de desechos sólidos por casa en el D.F.

3

1.3.3 El vidrio.

La dureza y estabilidad han favorecido, que el vidrio, se empleé para la conservación de líquidos o sólidos, el menaje del hogar, el aislamiento, entre otros. No necesita incorporar aditivos, por lo que no se alteran las sustancias que envasa, es resistente a la corrosión y a la oxidación, muy impermeable para los gases, el envase ideal para casi todo. El problema, es que se han generalizado envases de vidrio no retornables, dando así lugar al disparate de tirar en lugar de volver a utilizar hasta 40 o 50 veces, por término medio. Los envases de vidrio se pueden reciclar al 100%, pero no hay que olvidar, que en su reciclaje, también, se gasta energía y se contamina, es un derroche, tratándose de algo que perfectamente podría ser reutilizado una y otra vez, antes de reciclarlos.

1.3.4 Las pilas.

Presentan un elevado potencial contaminante, especialmente debido al mercurio y otros metales pesados, que contienen, especialmente la mayoría de las pilas-botón. Una sola de estas pilas, puede llegar a contaminar hasta 600.000 litros de agua. Las pilas corrientes, si bien no son tan dañinas, tampoco son buenas para el medio ambiente.

1.3.5 El papel y el cartón.

Son innumerables los objetos de consumo, que se empaquetan con papel o cartón, de forma que estos materiales representan el 20% del peso y un tercio del volumen de la bolsa de basura. Además, los sobreempaquetados dan lugar a gran cantidad de envoltorios superfluos elaborados con estos y otros materiales. Aunque son de fácil reciclaje y de hecho se reciclan en buena parte, la demanda creciente de papel y cartón obliga a fabricar más y más pasta de celulosa, lo que provoca la tala de millones de árboles, las plantaciones de especies de crecimiento rápido, como el eucalipto o el pino, en disminución de los bosques autóctonos, y la elevada contaminación asociada a la industria papelera. Además, no todo el papel puede ser reciclado como son: los plastificados, los adhesivos, los encerados, los de fax o los autocopiativos no son aptos para su posterior reciclaje.

1.3.6 Residuos peligrosos.

Buena parte de los desinfectantes, limpiahornos, lejías, detergentes, desengrasantes, blanqueadores, desatascadores, y demás productos de limpieza, que se consumen en el hogar, terminan en el desagüe, contaminando gravemente las aguas residuales y dificultando su tratamiento en las depuradoras. Además, siempre queda un resto en el envase, que normalmente termina en la basura.

Más peligrosos todavía son los insecticidas y herbicidas, que se emplean en las casas y jardines, pues se trata de venenos, como los organoclorados y los organofosforados, sustancias tóxicas, que pueden afectar gravemente a la salud humana (alergias crónicas, cáncer, anorexia, debilitamiento muscular, etc.). Pueden permanecer durante años en el agua y los suelos. Al ser bioacumulativos, los seres vivos en contacto prolongado con esas sustancias corren un alto riesgo de sufrir intoxicaciones a largo plazo.

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Los aerosoles, que corrientemente se emplean como difusores de todo tipo de productos comportan dos impactos dañinos: el riesgo de explosión por presión, perforación o calor; y la destrucción de la capa de ozono a causa de los gases propulsores.

Muchos medicamentos, al desecharse por estar caducados o haber terminado el tratamiento, constituyen una importante fuente de contaminación, por lo que deberían ser objetivo de una recogida específica. A la peligrosidad y nocividad de cada uno de estos residuos especiales, hay que sumar su tratamiento es muy complejo.

1.4 CLASIFICACION DE LA BASURA. La basura se clasifica de acuerdo con el tipo de material de desecho, que puede ser orgánico o inorgánico. Los desechos orgánicos son: Aquellos que pueden ser degradados por acción biológica y están formados por todos residuos, que se descomponen con el tiempo para integrarse al suelo como los; de tipo animal, vegetal, materiales que contengan carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Es decir, provienen de la materia viva e incluyen restos de alimentos, papel, cartón y estiércol.

La basura inorgánica: Está formada por todos aquellos desechos no biodegradables, es decir, aquellos que no se pueden descomponer (provenientes de la materia inerte); éstos pueden ser plástico, vidrio, lata, hierro, cerámica, materiales sintéticos, metales, entre otros. La mejor manera en que se puede tratar este tipo de basura, es reciclándola.

Ejemplos: • Aluminio: Latas de jugos, latas de refrescos, latas de cervezas. • Vidrio: Focos, Cristal de ventanas, Espejos Lentes, Objetos y adornos de cerámica. • Plástico: Botes de agua purificada, botes de aceite para cocinar, botellas de refresco no retornables, botellas de refresco retornables, botellas de limpiadores.

La basura, también, se puede clasificar según el tiempo, que tardan sus materiales en degradarse por la acción de los organismos descomponedores, llamados bacterias y hongos. Así, los desechos se clasifican en biodegradables y no biodegradables. Los desechos biodegradables se descomponen en forma natural en un tiempo relativamente corto. Por ejemplo: los desechos orgánicos como los alimentos, tardan poco tiempo en descomponerse. La fracción biodegradable o putrescible, (por ejemplo desechos de alimentos, papel, etc.) puede ser sometida a compostaje. El compostaje es un proceso biológico controlado de descomposición aeróbica acelerada de los materiales orgánicos. Se puede hacer una comparación entre la combustión (oxidación química) y el compostaje (oxidación biológica). En ambos procesos el carbón presente se oxida (química o biológicamente respectivamente) y, si la combustión es completa, se tienen, como productos, dióxido de carbono (CO2), agua (H2O) y energía en forma de calor.

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Los desechos, no biodegradables, no se descomponen fácilmente, sino tardan mucho tiempo en hacerlo. Por ejemplo: el vidrio tarda unos 4.000 años, el plástico tarda de 100 a 1.000 años, una lata de refresco tarda unos 10 años y un chicle unos cinco años. [3]

1.5 MÉTODOS DE ELIMINACIÓN. Existen varios métodos de eliminación de basura, los cuales están enfocados a los diferentes tipos de la misma. Esto es para poder sacar el mayor provecho de la basura y, al mismo tiempo, reducir el espacio, que esta ocupa. La selección de un método u otro, de eliminación, se basa sobre todo en criterios económicos A continuación se describen los métodos más comunes: 1.5.1 Vertido Controlado. La eliminación de residuos mediante vertido controlado es el método más utilizado, ya que es la manera más barata de eliminar residuos, pero depende de la existencia de emplazamientos adecuados. En general, la recogida y transporte de los residuos son el 75% del coste total del proceso. Este método consiste en almacenar residuos en capas en lugares excavados. Cada capa se prensa con máquinas, hasta alcanzar una altura de 3 metros, entonces se cubre con una capa de tierra y se vuelve a prensar. Es fundamental elegir el terreno adecuado, para que no se produzca contaminación ni en la superficie, ni en aguas subterráneas. Para ello se nivela y se cultiva el suelo encima de los residuos, se desvía el drenaje de zonas más altas, se seleccionan suelos con pocas filtraciones y se evitan zonas expuestas a inundaciones o cercanas a manantiales subterráneos. La descomposición anaeróbica de los residuos orgánicos genera gases. Si se concentra una cantidad considerable de metano, se pueden producir explosiones, por lo que el vertedero debe tener buena ventilación. .

1.5.2 Rellenos sanitarios manuales.

El relleno sanitario manual, es una técnica de eliminación de los desechos sólidos en el suelo, que no causa molestia ni peligro para la salud y seguridad pública, tampoco perjudica el ambiente, durante su operación, ni después de terminado el mismo. Esta técnica utiliza principios de ingeniería para confinar la basura en un área lo más pequeña posible, cubriéndola con capas de tierra diariamente y compactándola para reducir su volumen.

Foto 1. Vertido controlado

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Además, prevé los problemas, que puedan causar los líquidos y gases producidos en el relleno sanitario manual, por efecto de la descomposición de la materia orgánica.

La planeación inicial desarrollará las bases para las diferentes actividades a cumplir, tales como: selección del sitio, diseño, construcción, operación y mantenimiento: Se debe tomar en cuenta, con la información básica sobre la población a servir, la procedencia, calidad y cantidad de desechos sólidos a disponer, los posibles sitios disponibles, el uso futuro del terreno, una vez terminado el relleno.

1.5.3 Incineración. Las incineradoras convencionales son hornos o cámaras refractarias en las que se queman los residuos, los gases de la combustión y los sólidos, que se queman en una segunda etapa. Los materiales combustibles, se queman en un 90%. Además, de generar calor utilizable, como fuente energética, la incineración genera dióxido de carbono, óxidos de azufre y nitrógeno, otros contaminantes gaseosos, cenizas volátiles sin quemar. La emisión de cenizas volátiles y otras partículas se controla con filtros, mecanismos de limpieza y precipitadores electrostáticos. 1.5.4 Elaboración de fertilizantes. La elaboración de fertilizantes o abonos a partir de residuos sólidos consiste en la degradación de la materia orgánica por microorganismos aeróbicos. Primero se clasifican los residuos, para separar materiales con alguna otra utilidad, y los que no pueden ser degradados, y se entierra el resto, para favorecer el proceso de descomposición. El humus resultante contiene de un 1 a un 3% de nitrógeno, fósforo y potasio, según los materiales utilizados. Después de tres semanas, el producto está preparado para mezclarlo con aditivos, empaquetarlo y venderlo.

Figura 3. Relleno sanitario manual

Figura 4. Elaboración de fertilizantes.

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1.5.5 Recuperación de recursos energéticos. En esta incineradora, de residuos sólidos, la basura doméstica se convierte en energía eléctrica. La central genera energía para las industrias, quemando ciertos tipos de residuos en un horno de alta temperatura. El vapor, producido por la incineración, mueve una turbina, que impulsa un generador eléctrico.

.

1.5.6 Residuos peligrosos. Algunas sustancias biológicas, los compuestos químicos tóxicos e inflamables y los residuos radiactivos son peligrosos. Estas sustancias pueden ser gaseosas, líquidas, semisólidas o sólidas (véase Residuos tóxicos y peligrosos). [4] Las sustancias radiactivas son peligrosas, porque una exposición prolongada a su radiación daña a los organismos vivos (véase Efectos biológicos de la radiación), y porque las sustancias mantienen la radiactividad durante mucho tiempo. Este tipo de residuos no se elimina, se almacena dentro de contenedores en lugares protegidos. Se han estado almacenando en fosas marinas, pero este método no permite recuperar lo depositado ni controlar el estado de los contenedores. Otros métodos, más adecuados, son su almacenamiento en silos de hormigón o en formaciones geológicas profundas, aunque ninguno es del todo fiable a largo plazo.

1.5.7 Reciclado. La práctica del reciclado de residuos sólidos es muy antigua. Los utensilios metálicos se funden y remodelan desde tiempos prehistóricos. En la actualidad los materiales reciclables se recuperan de muchas maneras, como el desfibrado, la separación magnética de metales, separación de materiales ligeros y pesados, criba y lavado. Otro método de recuperación es la reducción a pulpa. Los residuos se mezclan con agua y se convierten en una lechada pastosa al pasarlos por un triturador. Los trozos de metal y otros sólidos se extraen con dispositivos magnéticos y la pulpa se introduce en una centrifugadora. Aquí se separan los materiales más pesados, como trozos de cristal, y se envían a sistemas de reciclado; otros materiales más ligeros se mandan a plantas de reciclado de papel y fibra. El residuo restante se incinera o se deposita en un vertedero. Para el reciclado de botes de aluminio se prensan las latas de aluminio en grandes bloques. Muchas empresas e individuos reciclan los residuos de aluminio para conservar recursos naturales no renovables. [4]

Foto 2. Fabrica incineradora de residuos sólidos.

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1.6 RAZONES PARA RECICLAR DESECHOS SÓLIDOS.

Reciclar es un proceso simple, que se puede ayudar a resolver muchos de los problemas creados por la forma de vida moderna.

Se pueden salvar grandes cantidades de recursos naturales no renovables, cuando en los procesos de producción se utilizan materiales reciclados. Los recursos renovables, como los árboles, también, pueden ser salvados. La utilización de productos reciclados disminuye el consumo de energía. Cuando se consuman menos combustibles fósiles, se generará menos CO2 y, por lo tanto, habrá menos lluvia ácida, además se reducirá el efecto invernadero.

En el aspecto financiero, se puede decir, que el reciclaje se genera muchos empleos. Se necesita una gran fuerza laboral para recolectar los materiales aptos, para el reciclaje y su clasificación. Un buen proceso de reciclaje es capaz de generar ingresos.

Los objetivos del reciclaje son los siguientes:

• Conservación o ahorro de energía. • Conservación o ahorro de recursos naturales. • Disminución del volumen de residuos que hay que eliminar. • Protección del medio ambiente.

El reciclaje permite:

• Ahorrar recursos. • Disminuir la contaminación. • Alargar la vida de los materiales aunque sea con diferentes usos. • Ahorrar energía. • Evitar la deforestación. • Reducir el 80% del espacio que ocupan los desperdicios al convertirse en basura. • Ayudar a que sea más fácil la recolección de basura. • Tratar de no producir los 90 millones de toneladas de basura que cada uno de nosotros

acumula en su vida y hereda a sus hijos. • Disminuir el pago de impuestos por concepto de recolección de basura (incluido en el

pago predial). • Vivir en un mundo más limpio.

Foto 3. Material comprimido para triturar.

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De acuerdo a lo anterior mencionado, se describe el gran campo de razones, para reciclar los desechos sólidos. En este caso el plástico, ya que es el material más utilizado en la mayoría de las actividades y productos.

El plástico está hecho con uno de los recursos naturales más valiosos (NO RENOVABLES) de la tierra: el petróleo. Para la fabricación de productos plásticos se parte del petróleo bruto, que al ser refinado da plásticos y carburantes. Además, los plásticos de constitución muy próxima a la de los carburantes, tienen un poder calorífico muy elevado, por lo que sus desechos pueden convertirse en combustibles de alta calidad, y esto puede ocasionar graves riesgos ambientales, debido a la síntesis de dioxinas y otras sustancias peligrosas, los cuales se emiten a la atmósfera. Debido a todo esto, los plásticos deberían ser reciclados al máximo.

1.7 MÉTODOS DE RECICLADO Existen tres tipos de métodos, más comunes, para reciclar el plástico los cuales se describen a continuación: Reciclaje mecánico. Este sistema representa el más utilizado y el más barato para mantener una buena calidad en el producto final. Transforma los residuos en gránulos para fabricar nuevos productos. Reciclaje químico. En este proceso el plástico es desmontado y la materia prima resultante puede, entonces, ser utilizada nuevamente, dentro de las aplicaciones de la industria petroquímica. Reciclaje energético. En este proceso se quema el material y libera un calor muy fuerte (superior al del carbón y cercano al producido por el óleo combustible) que se aprovecha en forma de energía.

1.8 CAMPO DE APLICACIÓN. Como se a mencionado en este capítulo, el material, que en mayor porcentaje se desecha, es el plástico. Por lo tanto se obtiene como conclusión, que el contacto con este material es muy variado, porque se utiliza en la vida diaria vida diaria, ya sea en el hogar o en el trabajo. Se menciona el campo tan extenso y variado de aplicación de los distintos tipos de plásticos:

• Industria refresquera. • Industria alimenticia. • Industria farmacéutica. • Industria automotriz. • Industria eléctrica. • Electrodomésticos.

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REFERENCIA BIBLIAGRAFICA CAPITULO I.

[1] - http: www.esmas.com/noticierostelevisa/internacionales 25 de abril de 2005 [2] - Andrade Victoria, Homero Sánchez, Educación Ambiental Ecológica, Editorial Trillas, México, 1997. - Roa Gutiérrez, Jesús Etal, Distrito Federal Educación Ambiental, Editorial Limusa, México, 1996, 189 pág. - http: www.geocities.com/camp_pro_amb/Basura.htm. - http: www.fsenda.com - http: www.ciceana.org.mx/ayudar/Basura/Intriducción.htm. [3] - http: www.ecología.campeche.gob.mx/composicióndebasura. [4] - Enciclopedia Microsoft® Encarta® 2002. © 1993-2001 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos.

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CAPÍTULO II

“DESCRIPCIÓN DE CONCEPTOS Y TIPOS DE

PLASTICO” En este capítulo se describe los diferentes tipos de plástico y el proceso de obtención, bajo los cuales adquieren diferentes propiedades mecánicas. Lo cual se presenta o se relaciona directamente con los métodos de reciclado más comunes. Esto para ir entrando en el campo de trabajo y estudiar el tema relacionado con el plástico, obtener los conceptos principales para poder trabajar con las propiedades del plástico.

2.1 DEFINICIÓN DE POLÍMEROS. Existen diferentes definiciones acerca de los polímeros. Una definición general de polímeros es: a cualquier sustancia natural o sintética que posee un alto peso molecular, comúnmente superior a 10 000, se le da el nombre de sustancia macromolecular o polímero. [5] La segunda definición general de los polímetros es: Un polímero es una molécula grande, construida por medio de enlaces repetitivos de muchas unidades más pequeñas o monómeros. [6] Etimológicamente la palabra polímero está constituida por las raíces griegas poli, que significa muchos, y mero, que significa parte; Es decir, los polímeros son moléculas de alto peso molecular integradas por muchas partes o elementos unidos por un enlace covalente1. Existen diferentes términos usados en la industria de polímeros, los cuales corresponden a diferentes modos de clasificación y, en general, destacan alguna característica especial del material. Por ejemplo, es usual escuchar nombres como “plásticos”, “resinas”, “elastómeros” y “hules”. El primer grupo se aplica a los materiales comerciales (PET, PVC, PS, entre otros.), excepto fibras, que tienen cierta característica de rigidez a temperatura ambiente. El segundo grupo, se utiliza para designar cualquier material polimérico puro, esto es, sin aditivos o cargas. Los dos restantes se aplican a los materiales, que tienen flexibilidad y elasticidad a temperatura ambiente.

2.2 CLASIFICACIÓN. Los polímeros pueden clasificarse de diferentes maneras:

• En función de su origen. • Por comportamiento térmico mecánico. • Por composición química. • Relación producción-costo.

En función de su origen se subdividen en: a) Naturales b) Sintéticos Dentro del primer grupo se encuentran todos aquellos productos de los reinos vegetal, animal (polisacáridos, grasas, entre otros.) y mineral (grafito), así como productos derivados de ellos. En el segundo grupo están los productos derivados del petróleo, por ejemplo: Polietileno (PE), Policloruro de vinilo (PVC), Poliestireno (PS), Nylon. Respecto al comportamiento térmico mecánico, los materiales plásticos se subdividen en: 2 Aproximadamente a partir de 1933 se empezó a desarrollar la teoría macromolecular, Weber [7]

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a) Termoplásticos. b) Termofijos

Los primeros son polímetros lineales, que pueden ser ramificados o no. Materiales, que puedan suavizarse, procesarse y reprocesarse, mediante la aplicación de temperatura y presión, lo que permite darles la forma deseada. Cabe mencionar, que más del 80% de los plásticos corresponden a este tipo y los termoplásticos más frecuentes como PE, PP, PS y PVC. Por otra parte, existen materiales, que no se transforman con la aplicación de calor y presión, ya que tienen estructuras reticulares, que no se modifican con estos medios. En consecuencia estos polímeros deben formarse durante el proceso de polimerización. Ejemplo de estos materiales son los fenol-formaldehído, epóxicos y hules vulcanizados. Por su composición química los polímeros se agrupan de la siguiente manera:

a) Poliolefinas: Polietileno (PE), polipropileno (PP), polibutadieno (PB).

b) Polímeros de cloruro de vinilo: Policloruro de vinilo no plastificado, PVC-U o PVC rígido. Policloruro de vinilo plastificado, PVC-P o PVC flexible. Policloruro de vinilideno (PDVC). Policloruro de vinilo clorado (PVCC).

c) Polímeros de estireno:

Poliestireno (PS). Polibutadieno-estireno (SBR o HIPS). Poliacrilonitrilobutadieno-estireno (ABS).

d) Polímeros fluorados:

Polifluoruro de vinilo (PVF). Polidifluoruro de vinilo (PVDF). Politetrafluoro-etileno (PTFE). Policlorotrifluoro-etileno (PCTFE).

e) Hetero polímeros:

Poliamidas (PA). Polióxido de metileno (POM). Policarbonatos (PC).

Además, de estas clasificaciones existe una más que se basa en la relación “volumen de producción /costo”; en este caso se encuentran tres grandes grupos :

• Polímeros de gran tonelaje. • Polímeros de ingeniería. • Polímeros de especialidad.

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Los plásticos, de gran tonelaje, son los polímeros básicos de gran volumen de consumo y de precio bajo. Los principales son el polietileno, polipropileno, poliestireno y policloruro de vinilo. Por su parte los polímeros, que se utilizan en ingeniería, son materiales procesados que pueden ser transformados en productos de dimensiones precisas y estables y con propiedades mecánicas altas aún a temperaturas superiores a 100 °C. La resistencia a la tensión, está por arriba de los 40 Mpa. (6000 psi) y con una relación de bajo volumen de producción con un alto precio, que los diferencia de los de alto volumen con un bajo precio, correspondiente a los polímeros de gran tonelaje. El grupo, de los plásticos de ingeniería, está constituido por los cinco tipos siguientes:

• Poliacetales. • Poliamidas. • Policarbonato. • Poliéster. • Polióxido de fenileno.

Los plásticos de especialidad, son polímeros de ingeniería con propiedades especiales de superficie, optoelectrónicas, conductividad eléctrica, que tienen una relación (producción / alto costo) inferior a los plásticos de ingeniería antes mencionados.

2.3 ESTRUCTURA MACROMOLECULAR. Una vez, que se han definido y clasificado los polímeros se analizará su estructura, es decir, cómo se encuentra enlazadas las unidades que los constituyen. Los diferentes estudios acerca de los polímeros han demostrado, que su estructura es en forma de cadena, integrada por unidades estructurales repetitivas entre sí por medio de enlaces covalentes2. La unidad repetitiva corresponde, químicamente, a la del monómero en el caso de procesos de polimerización por adición, ya que, en este último caso, se eliminan moléculas pequeñas (por ejemplo agua) durante la reacción. La representación esquemática de un segmento de una cadena polimérica sería la siguiente:

2 El primer trabajo relacionado con la formulación de esta teoría fue el de Staudingeren 1920.

Figura 5. Cadena polimérica.

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La estructura de las cadenas poliméricas puede ser lineal, ramificada o entrecruzada. Sus correspondientes representaciones son: 2.3.1 Cadenas lineales: 1. Igual composición química de las cadenas: homopolímero. 2. Diferente composición química: copolímero al azar. 3. Diferente composición química: copolímero en bloque .

4. Diferente composición química: copolímero alternado.

5.Diferente composición química: terpolímero. 2.3.2 Cadenas ramificadas: 1. Homopolímero:

2. Copolímero injertado.

3. Grado de encruzamiento bajo (elastómeros y geles):

4. Grado de entrecruzamiento alto: Termo fijo:

Figura 6. Homopolímero.

Figura 7. Copolímero al azar.

Figura 8. Copolímero en bloque.

Figura 9. Copolímero alternado.

Figura 10. Terpolímero.

Figura 11. Homopolímero.

Figura 12. Copolímero injertado.

Figura 13. Elastómeros y geles.

Figura 14. Termo fijo.

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2.3.3 Parámetros de medida del tamaño molecular. La determinación del tamaño molecular de las moléculas poliméricas es un problema muy importante, ya que define, en gran medida, las propiedades físico-químicas y mecánicas del polímero. Existen varias formas de medir este parámetro. A continuación se analiza el concepto de peso molecular y algunas formas para determinarlo. Posteriormente, los conceptos de parámetros denominados distancia de extremo a extremo, radio de giro. Aunque estas variables menos utilizadas en la industria, pero son realmente las que proporcionan mayor información en cuanto a dimensiones y forma de las macromoléculas.

2.3.4 Peso molecular y su distribución. Antes de explicar, qué es el peso molecular de un polímero, se definirá su grado de polimerización (DP) como el número de unidades repetitivas, que lo forman, esto es, el número de unidades monoméricas, que se unieron para formar una cadena. El peso molecular es un criterio para determinar el tamaño de la cadena molecular, ya que a mayor peso molecular corresponde un mayor tamaño y el primero puede obtenerse multiplicando el grado de polimerización por el peso molecular de la unidad repetitiva. El hecho, de que exista una relación entre tamaño y peso, tiene gran importancia, ya que influye directamente sobre las propiedades del material. Por ejemplo, al aumentar el peso molecular del polímero aumenta su viscosidad y resistencia al agrietamiento, provocado por agentes activos, pero disminuye la facilidad del proceso. A manera de orientación se mencionan las tendencias generales de cambio en las propiedades al incrementar el peso molecular de un polímero en la tabla 2.

Parámetro Determina fundamentalmente Mayor viscosidad y elasticidad.

Mayor tenacidad mecánica. Peso molecular

(mayor) Mayor fragilidad.

En el caso de los polímeros se tiene un fenómeno, que se encuentra en los compuestos de bajo peso molecular y es, debido al proceso estadístico, que rige las reacciones de polimerización. El tamaño (y por ende el peso molecular) de las cadenas no es el mismo para todas ellas. Es decir, existen cadenas más largas y más cortas alrededor de un cierto valor. A este hecho se le conoce, como heterogeneidad del tamaño molecular. Por esta razón todos los polímeros sintéticos y varios polímeros naturales están constituidos por una mezcla de cadenas de diferente peso molecular, que puede ser más amplia o más angosta dependiendo del tipo y condiciones de reacción de síntesis.

Tabla 2. Cambio de propiedades de polímeros por peso molecular.

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De lo anterior se desprende, que cuando se habla del peso molecular de un polímero, se refiere a un valor promedio, a diferencia de las moléculas pequeñas, en las cuales todas tienen el mismo valor de peso molecular, es decir, son homogéneas. Si se grafica el número de cadenas (n) contra su peso molecular (M), se obtendrá una curva conocida con el nombre de curva de distribución de pesos moleculares (DPM o MWD). En la figura 15 se muestra un ejemplo con dos tipos de distribución: una angosta, con un grado de homogeneidad alto, y otra ancha, en la cual se encuentran moléculas (cadenas) muy alejadas del valor medio. [8] Algunos efectos del grado de amplitud de la DPM sobre las propiedades de un polímero se indican a continuación. Parámetro Determina fundamentalmente

Mayor facilidad de proceso. Menor tenacidad mecánica.

Distribución de pesos moleculares (más ancha)

Menor resistencia a los agentes activos (detergentes y disolventes).

Existen diferentes técnicas para medir el peso molecular de los polímeros. Cada una de ellas es sensible a un tipo de propiedad específica de la macromolécula en solución. Esto significa que hay diferentes valores promedio para un polímero y es importante saber a cual promedio corresponde un determinado valor, ya que pueden ser sustancialmente diferente. Las técnicas de determinación del promedio del peso molecular pueden ser sensibles al número, al peso o a la viscosidad de las moléculas en solución, proporcionando promedios numéricos (Mn), pesados (Mw) o viscosimétricos (Mv), respectivamente.

Figura 15. Curva de distribución de pesos moleculares

Tabla 3. Cambio de propiedades de polímeros por amplitud.

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2.4 PROPIEDADES MECÁNICAS. A pesar de la gran variedad en la composición y estructura, que pueden presentar distintos plásticos, hay una serie de propiedades comunes, que poseen los plásticos y los distinguen de otros materiales. El rango de densidades, de los plásticos, es relativamente bajo y se extiende desde0.9 hasta 2.3 g/cm3 (tabla 4). Entre los plásticos, de mayor consumo, se encuentran el PE y el PP, ambos materiales con densidad inferior a la del agua. La densidad de otros materiales es varias veces mayor, como el aluminio con densidad 2.7 g/cm3 o el acero con 7.8 g/cm3. Esta densidad tan baja se debe fundamentalmente a dos motivos. Por un lado los átomos, que componen los plásticos, como: C, H, O y N, son ligeros. Por otro, las distancias medias de los átomos, dentro de los plásticos, son relativamente grandes. Tabla 4. Densidad, conductividad térmica y eléctrica de diferentes materiales.

2.4.1 Escalas de dureza y dureza de polímetros comunes. [9]

Figura 16. Dureza de diferentes polímeros.

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2.5 CLASIFICACIÓN COMERCIAL DE LOS PLÁSTICOS. En el mercado mundial existe gran diversidad de materiales plásticos, que cubren necesidades domésticas e industriales. Los plásticos, que se encuentran en el mercado suelen diferenciarse mediante un número del "1" al "7", ubicado, generalmente, en su parte inferior. Esta es la clasificación de la Sociedad de Industrias del Plástico (SPI en inglés), que ha sido adoptada en todo el mundo. Dado que la calidad de un plástico se deteriora rápidamente al combinarlo con otro plástico diferente, la utilidad de este código es ayudar en la separación de los diferentes tipos de plástico y maximizar así el número de veces, que pueden ser reciclados. El significado de este código se muestra a continuación en la tabla 5: Tabla 5-Sistema de codificación de envases plásticos. [10]

Número Abreviatura Nombre completo Símbolo Ejemplo comunes

1 PET,PETE Polietilén tereftalato

- Botellas de agua purificada.

-Botellas de refresco no retornables

2 HDPE Polietileno de alta densidad

- Botes de leche de 1 galón, 1/2 galón.

- Botes de Shampoo y Enjuagues para el cabello

3 V, PVC Cloruro de polivinilo

Envases de limpiadores, aceite de cocinar,condimentos

4 LDPE Polietileno de baja densidad

• Bolsas de basura de patio.• Bolsas para cubiertos plásticos

5 PP Polipropileno

• Bolsas de basura (que emiten un sonido peculiar).• Pañales desechables

6 PS Poliestireno

Envases utilizados para servir alimentos

7 otro

Resinas epoxídicas,Resinas Fenólicas,Resinas Amídicas Poliuretano.

Adhesivos e industria plástica. Industria de la madera y la carpintería.

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2.5.1 Código, descripción y uso general.

Ejemplos de productos hechos de plásticos.

Código 1. Se utilizan para identificar los productos que contienen Polietilenteref-Talato (PET). Este es transparente y resistente. Sus usos son muy variados, desde envases hasta textiles. •Envases en bebidas carbonatadas. • Goma de almohadas y cojínes. • Sleeping bags. • Fibras textiles.

Código 2. Indica la presencia de Polietileno de alta densidad (PEAD). Este material se utiliza en diferentes envases, detergentes y muchos otros productos de uso personal. • Bolsas de basuras. • Bolsas de supermercado. • Envases de jugo y de leche. • Blanqueadores y detergentes.

Código 3. Indica la presencia de cloruro de polivinilo (PVC). Este material puede procesarse de modo que sea claro, rígido y duro; ó, claro, flexible y resistente. • Suela de zapatos. • Conductos electrónicos y tubos. • Envases de limpiadores, aceite de cocinar, condimentos

Código 4. Indica la presencia de polietileno de baja densidad (PEBD). Este material es flexible transparente y de superficie cerosa.

• Agitadores y sorbetos. • Bolsas de basura de patio. • Bolsas para cubiertos plásticos.

Código 5. Identifica a materiales a partir de polipropileno (PP). Este material es duro, a la vez que es flexible y transluciente. Se presta para una variedad de usos, tales como bolsas para diferentes propósitos, pañales desechables y productos de belleza. • Bolsas de papas. • Bolsas de microondas. • Bolsas de basura (que emiten un sonido peculiar). • Pañales desechables. Código 6. Corresponde a los materiales hechos de poliestireno (PS). Este plástico es transparente u opaco, según sea procesado es muy versátil e imita al cristal. Se emplea en la fabricación de diferentes envases utilizados para servir alimentos y en materiales para proteger equipos delicados. Código 7. Otros plásticos

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REFERENCIA BIBLIOGRAFICA CAPITULO II

[5] Plastics Technology and Plaspec staff report, “Making sense of the materials explosion”, Plastics Technology 64-82, 1987. [6] John Mc Murry, Química orgánica, Quinta edición, Editorial Internacional Tomson Editores, 2000 [7] Miguel Uribe Velasco, Los polímeros, síntesis y caracterización, Editorial Limusa S.A. de C.V., 1ra. Edición, 1980, pág. 10. [8] P. J. Flory, Principles of polymer chemistry, Cornell University Press, Octava reimpresión (1971). [9] http: www.quiminet.com/resultado_articulos.php

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CAPÍTULO III

“METODOLOGÍA DE DISEÑO”

En este capítulo se describe la metodología de diseño, que se emplea para determinar los requerimientos del cliente, y poder establecer las metas del diseño, con las cuales debe de contar el sistema de reciclado de plástico. La metodología, que se emplea es el Q.F.D., y en español significa: Despliegue de Funciones de Calidad.

3.1 PROCESO DE DISEÑO. Antes de empezar el desarrollo con la metodología de diseño para la maquina recicladora de plástico, es importante mencionar y establecer, a donde se va a llegar, es decir, los objetivos de la metodología de diseño, los cuales sirven para tener bien definido los pasos a cubrir, para obtener la mejor solución al problema del diseño. Los objetivos generales de la metodología de diseño, para este trabajo, son los siguientes:

1) Lograr la satisfacción de los requerimientos del cliente. 2) Obtener un diseño integral para la solución del problema.

Es importante mencionar, que este trabajo es enfocado, únicamente, al diseño y la producción ,del mismo, queda pendiente para trabajos futuros. Una vez establecidos los objetivos, dividimos la metodología de diseño en 3 etapas las cuales son:

• Primera etapa: Comprensión del problema. • Segunda etapa: Diseño Conceptual. • Tercera etapa: Diseño de detalle.

3.2 METODOLOGIA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL La etapa de Diseño Conceptual, se basa en la estrategia de la “Forma sigue a la función”. Es decir, una vez identificada todas las funciones, que debe realizar el producto, que cumple con las expectativas del cliente, sigue la definición de formas, con lo cual se parte de la clasificación de los requerimientos del cliente, y posteriormente convertirlos en un modelo funcional. Hasta entonces se generan los conceptos de diseño, donde las ideas surgen para dar solución al problema, con la finalidad de obtener aquel que cumple con el objetivo (ver figura 17). [10,11]

Figura 17. Metodología para el Diseño Conceptual. Con lo anteriormente mencionado, se explica el esquema general de la metodología de diseño, que se va a seguir en todo el proceso.

Concepto de Diseño

4 Evaluación

de conceptos

3 Generación

de conceptos

2 Definición del modelo funcional

1 Clasf. De

los req. Del cliente

22

3.3 METODOLOGIA PARA EL DISEÑO DE DETALLE. La metodología para el Diseño de Detalle consiste en convertir el concepto idealizado, en un croquis, un bosquejo, entre otros. Con un conjunto de símbolos expresados en formas de lenguaje como el semántico, analítico, gráfico y físico. Es decir, especificaciones, cálculos, modelos y prototipos en objeto físico. En esta fase la abstracción del modelo funcional debe convertirse en un modelo correcto, expresado en formas, dimensiones, acabados, especificaciones, entre otros (ver figura 18).

Figura 18. Estructura de la metodología para el Diseño de Detalle. 3.3.1 Modelo geométrico. Consiste en la modelación del conjunto y de los subconjuntos. Su objetivo es definir formas y dimensiones de los componentes y del conjunto, partiendo de lo general a lo particular, en otras palabras, empieza con el diseño del conjunto en general y termina con la descripción técnica de cada componente. 3.3.2 Modelo de manufactura. Consiste básicamente en los siguientes puntos:

- Conjunto de documentos técnicos donde se expresan características del producto. - Definición de formas. - Rugosidad - Limites de tolerancia. - Materiales empleados. - Tratamientos (en el caso de que los tenga).

3.3.3 Restricciones: - Restricción por cargas externas: Pueden ser mecánicas, Térmicas, Eléctricas o Químicas. - Restricciones especiales: Con seres humanos, otras piezas o con otros sistemas. - Restricción funcional: Relacionadas con el ensamble o uso de herramientas. - Restricción por manufactura: limites de forma, tamaño, normalización. - Restricción por norma: característica del diseño. Nota: Para este trabajo solo se tomará en cuenta el punto 3.3.1

Modelo funcional Concepto

Modelo geométrico Formas

Modelo de manufactura Especificaciones, dibujos.

23

3.4 DESCRIPCIÓN DE CONCEPTOS. La herramienta utilizada para este trabajo es el diagrama de matriz [10]. 3.4.1 Diagrama de matriz. Se utiliza frecuentemente como herramienta del Q.F.D., ya que identifica y despliega gráficamente las conexiones entre responsabilidades, tareas, funciones, entre otros, desarrollando un listado de elementos así permitiendo la codificación e intersecciones y ademàs utilizar símbolos, números, letras, entre otros. 3.4.2 Clarificación de los requerimientos del cliente. El objetivo principal de clarificar los requerimientos del cliente es establecer el enlace entre el proceso de Diseño Q.F.D. y el Diseño Conceptual. Esto significa la revisión de resultados en la aplicación del Q.F.D. y la comprensión de las metas de diseño planteadas, permitiendo establecer en el proyecto la función global de servicio e identificar los límites del sistema donde se tiene lo siguiente:[10]

• Función Global de Servicio: Establece la actividad, que es capaz de realizar el elemento en conjunto.

• Límites del Sistema: Los límites son aquellos, que se deben considerar al momento de

diseñar, como son los presentados por el entorno, que rodea y restringe al sistema. 3.4.3 Modelo funcional. En la definición del modelo funcional, se determinan, que funciones son necesarias para satisfacer los requerimientos del cliente, jerarquizarlas, determinar la relación entre ellas que se debe tener y modelando gráficamente, siguiendo un análisis funcional descendente. Este análisis es un modelo gráfico de las funciones en un sistema. Está basado en una sucesión coherente de diagramas, procediendo desde lo general hasta lo particular en cada uno de los niveles obtenidos. 3.4.4 Generación de conceptos. La principal estrategia es la generación de conceptos en la mayor cantidad posible, utilizando técnicas como la “Tormenta de ideas” o la Sinéctica. [10] 3.4.4.1 Tormenta de ideas. Consta de dos tiempos, el primero es la deliberación con el único objetivo de obtener una serie de ideas encaminadas a resolver un problema. El segundo trata de determinar el valor de las ideas y realizar mejoras en combinación con ciertas reglas:

24

1) El juicio es excluido y se reserva para otro momento. 2) Las ideas deben fluir por absurdas que parezcan. 3) Generar la mayor cantidad de ideas. 4) Combinar y mejorar las ideas generadas.

3.4.4.2 La sinectica. La palabra sinectica, proviene de la lengua griega la cual significa “Unir”. Con esta técnica se realiza la combinación de elementos heterogéneos con razonamiento lógico tradicional, para llagar a desarrollar la habilidad de detectar paralelismos o conexiones entre tópicas aparentemente similares, basándose en la analogía personal, analogía directa, la analogía simbólica y la analogía fantástica. 3.4.5 Evaluación de conceptos. La evaluación de conceptos, es la parte final del Diseño Conceptual. El objetivo es seleccionar el mejor concepto de diseño entre la gran mayoría de los que se generaron, con la menor cantidad de inversión en recursos. Llegar a convertirlo en un producto definido y someterlo a las técnicas de evaluación como factibilidad, disponibilidad tecnológica, filtro pasa/ no pasa y matriz de decisión (ver figura 19).

Figura 19. Pasos para la evaluación de conceptos.

Conjunto de conceptos

Factibilidad

Disponibilidad tecnológica

Filtro pasa/no pasa

Matriz de decisión

Concepto seleccionado

Tipo de comparación Técnica Base de Comparación

1

2

3

4

5

Experiencia

Estado del arte

Requerimientos del cliente

Relativa

Absoluta

25

3.4.5.1 Evaluación de factibilidad. Para la evaluación de factibilidad los primeros juicios se hacen basándose en la experiencia y el conocimiento acumulado durante la vida profesional, esto permite considerar los siguientes juicios:

- No es factible: Esto debido a que el concepto es muy diferente. Y que no ayuda nada a resolver el problema.

- Es factible a condición: Se refiere a que se considera que el concepto podría funcionar a condición que surja alguna acción que lo adapte al problema.

3.4.5.2 Evaluación con base a disponibilidad tecnológica. Esta evaluación establece, que si la tecnología a utilizar está desarrollada, madura y al alcance para su aplicación. 3.4.5.3 Evaluación con base a los requerimientos del cliente. Esta Evaluación está basada bajo el principio de la confrontación directa con los requerimientos del cliente y se verifica si cumple o no con tales requisitos, para más adelante hacer modificaciones para cumplir con ellos. 3.4.5.4 Evaluación en base en matrices de decisión. En esta evaluación se realiza una comparación de los conceptos con otros en la capacidad para cumplir con requerimientos del cliente. Los resultados proporcionan las bases para identificar las mejores acciones y así se toman las decisiones en cuatro pasos, los cuales se describen a continuación:

1. Establecimientos de los criterios de comparación. 2. Selección de las ideas a comparar. 3. Definición de conceptos como objetivos y después calificarlos 4. Cálculo de la clarificación total.

26

REFERENCIA BIBLIOGRAFICA CAPITULO III

[10] Jorge Ramos Watanave, Curso de Diseño Mecánico, IPN-ESIME-SEPI, vol.1, vol.2, vol.3, vol.4, 2000. [11] Yoji Akaoi, Asahi University, “Q.F.D., Past, Present and Future”, International Symposion on Q.F.D.

27

CAPÍTULO IV

“DESARROLLO DEL DISEÑO”

En este capítulo se desarrolla el diseño empezando con la identificación del cliente, para establecer las metas del diseño para la maquina, por lo que se emplea la traducción de los requerimientos, el análisis funcional, lluvia de ideas y la evaluación de los conceptos. Al final se obtiene un modelo funcional de la maquina recicladora de plástico.

4.1 COMPRENSION DEL PROBLEMA

4.1.1 Aplicando la metodología Q.F.D. Para poder comprender el problema se auxilia en la metodología del despliegue de funciones de calidad, con la cual se determina los requerimientos de calidad del producto de manera cuantificable a través de la interpretación y traducción de los requerimientos del cliente. 4.1.2 Pasos del Q.F.D. Primer paso: Identificación del cliente. Segundo paso: Determinación de los requerimientos y expectativas de los clientes. Tercer paso: Determinar la importancia relativa de los requerimientos y expectativas de los clientes. Cuarto paso: Efectuar un estudio comparativo con productos de la competencia. Quinto paso: Traducir los requerimientos y expectativas en términos mensurables de Ingeniería. Sexto paso: Establecer metas de diseño. El objetivo, del despliegue de funciones de calidad, consistirá en definir las características, que deberá tener la recicladota son expresadas como una serie de metas de diseño, para que el resto de del proceso de diseño se enfoque en el logro de esas metas. La información que se obtenga en esta primera etapa del proceso de diseño, debe permitir la elaboración del modelo funcional de la máquina recicladora, que se trata en la etapa de diseño conceptual. 4.2 Desarrollo de la metodología Q.F.D. 4.2.1 Identificación del cliente. Para abordar este punto, es necesario hacerse la pregunta ¿ Quién es el cliente ?

Tomando en cuenta la definición de Juran , “un cliente es todo aquel,que sea impactado por el producto o por el proceso.” De acuerdo a la definición anterior para la identificación del cliente es necesario asimilar a todas aquellas personas que están relacionadas con los desechos sólidos termoplásticos (PET, bolsas

utilizadas en el hogar, etc.). Por lo tanto se obtiene el siguiente listado, como los clientes potenciales, que son afectados de alguna manera por este diseño:

28

1.- Todas las personas afectadas por la contaminación de desechos sólidos termoplásticos como el P.E.T. y bolsas de plástico. 2.- Los organismos Gubernamentales, que se encargan de limpiar, recolectar, separar y almacenar desechos plásticos. 3.- Organismos, que protegen el Medio Ambiente 4.- La naturaleza.

Fotografía 4. Desechos plásticos en zonas urbanas.

Fotografía 5. Centro de recolección de basura.

Fotografía 6. Director de servicios urbanos de Tláhuac.

Fotografía 7. Contaminación de los suelos por los plásticos.

29

El margen de los clientes es muy amplio, ya que los desechos sólidos plásticos son un problema común y afecta la forma de vida en el sentido, de que es un mal y se genera por la tecnología y cultura del consumismo de hoy en día. 4.2.2 Determinación de los requerimientos y expectativas de los clientes. A continuación se determina cuales son los requerimientos y expectativas de los clientes. Esto se obtiene de entrevistas directas y de la información, que se puede tener en la vida cotidiana.

Los requerimientos se agrupan de la siguiente manera:

a) Económicos

- Costo unitario de fabricación < $40,000.00

b) Funcionales

- Cámara de alimentación y trituración. - Elemento mecánico de trituración. - Elemento mecánico de transportación. - Sistema de calentamiento eléctrico. - Controles de operación. - Sensor de temperatura. - Cámara de alimentación y trituración. - Voltaje de trabajo de los elementos eléctricos a 127-220 VCA.

c) Medio ambiente de funcionamiento:

- Temperatura ambiente - Humedad ambiente

d) Desempeño funcional:

- Capacidad de carga de trabajo 15 Kg./hr. - Carga norma de trabajo 10 Kg./hr. - Periodo de servicio <10 hrs/día. - Período de descanso 14 hrs/día.

f) Tamaño:

- Que sea pequeña

g) Protección anticorrosivo:

30

j) Material de trabajo:

- Termoplásticos (P.E.T ) k) Fácil reparación:

- Herramientas estándar. - Disponibilidad de refacciones estándar.

l) Fácil de instalar 4.2.3 Determinar la importancia relativa de los requerimientos y expectativas de los clientes: El objetivo en este paso consiste en ordenar la información y ponderar los requerimientos y expectativas de los clientes. Esto permite identificar aquellos, que entran en la clasificación de obligatorios y en la de deseables. A los requerimientos obligatorios se les asignará el mismo grado de prioridad. Es decir, todos ellos tienen el mismo nivel de importancia. La verdadera ponderación se aplica a los requerimientos deseables. Por lo que queda de la siguiente manera:

4.2.3.1 Requerimientos obligatorios. Tabla 6. Requerimientos obligatorios.

No. LISTADO DE LOS REQUERIMIENTOS OBLIGATORIOS MENSURABLES NO MENSURABLES

RO1 Cámara de alimentación y trituración RO2 Elemento mecánico de trituración RO3 Elemento mecánico de transportación RO4 Sistema de calentamiento eléctrico RO5 Controles de operación RO6 Sensor de temperatura RO7 Voltaje de trabajo de los elementos eléctricos estándar RO8 Capacidad de trabajo 15 kg7hr. RO9 Material de trabajo (Termoplásticos). RO10 Protección anticorrosivo.

4.2.3.2 Requerimientos deseables. Tabla 7. Requerimientos deseables.

No. LISTADO DE LOS REQUERIMIENTOS DESEABLES MENSURABLES NO MENSURABLES

RD1 Costo de fabricación < $20,000.00

RD2 Carga normal de trabajo 10 Kg./h RD3 Periodo de servicio 10 hrs./día RD4 Periodo de descanso 14 hrs./día RD5 Que sea pequeña. RD6 Herramienta estándar. RD7 Disponibilidad de refacciones. RD8 Condiciones ambientales de trabajo adecuadas. RD9 Fácil de instalar.

31

Una vez, separados los requerimientos obligatorios de los deseables, se procede con la comparación por pares. Este procedimiento consiste en comparar cada uno de los requerimientos deseables con el resto. La comparación debe hacerse sobre la base de qué requerimiento es más importante o menos importante que con el que se compara; por lo tanto no se acepta que dos requerimientos tengan el mismo grado de importancia. Para lo cual se utiliza la siguiente nomenclatura: (+ ) ; sí el requerimiento es más importante que aquel con el que se compara. ( - ) ; sí el requerimiento es menos importante que aquel con el que se compara. ( 0 ) ; sí se compara con el mismo requerimiento. Para obtener la cantidad de comparaciones totales , se hace lo siguiente:

C = N(N-1)/2........1 Donde: C = Comparaciones N = Número de requerimientos deseables Sustituyendo en 1: C = 9(9-1)/2 = 36 comparaciones Para obtener el peso relativo (Pr), se divide el número de (+) por cada fila entre el total de (+). Ejemplo para calcular el peso relativo en RD1;

Pr = (2/36) x 100 % = 5.5 %

Tabla 8. Ponderación de los requerimientos deseables.

PONDERACION DE LOS REQUERIMIENTOS DESEABLES RD 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ∑(+) Pr (%) RD1 0 - + + - - - - - 2 5.5 RD2 + 0 + + - - - + + 4 11.11 RD3 - + 0 + - - - - - 2 5.5 RD4 - - - 0 - - - - - 0 0 RD5 + + + + 0 - - + + 6 16.66 RD6 + + + + + 0 - + + 7 19.44 RD7 + + + + + + 0 + + 8 22.22 RD8 + - + + - - - 0 - 3 8.33 RD9 + - + + - - - + 0 4 11.11

TOTAL 100

Se analizan los valores obtenidos en el peso relativo, se obtuvo 3 requerimientos con mayor porcentaje, por lo tanto se tienen que tomar con más consideración en el diseño. Tabla 9. Requerimientos deseables con mayor peso relativo

REQUERIMIENTOS DESEABLES CON MAYOR PESO RELATIVO RD5 Que sea pequeña.

RD6 Herramienta estándar. RD7 Disponibilidad de refacciones. RD9 Fácil de instalar.

32

4.2.4 Estudio comparativo con productos de la competencia. Es importante tener en cuenta, al momento de estar diseñando algún producto o servicio, las características de otros productos o servicios ya existentes. Esto con la finalidad de poder establecer en un lenguaje cuantitativo de las características de cada producto al momento de compararlos con los requisitos del diseño. Para el caso, de la comparación de mercado para la máquina recicladora de plástico, de acuerdo a la investigación de los productos más semejantes se consideran 2 en principio. Los productos se seleccionaron de acuerdo a la función de procesar plástico, los cuales tienen la característica de ser empleados a nivel industrial. El método de evaluación, que se emplea a los productos de referencia y al propuesto en este trabajo, es considerar, que tanto se cumple los requerimientos obligatorios y deseables. Con la finalidad de asegurar, que el producto a diseñar tenga la oportunidad de competir en el mercado, cumpliendo con los requerimientos del cliente. Empleamos el siguiente criterio si el requerimiento es satisfactorio: Totalmente ………….10 Casi por completo …..9 Mediantemente………8 Muy poco……………7 Nada………………....6 Producto de referencia I (ver anexo): Prensa de inyección Fultech, Modelo: CJ80M3V. Producto de referencia II (ver anexo): Máquina inyección de tacones.

33

Tabla 10. Estudio comparativo con otros productos.

4.2.5 Traducción los requerimientos y expectativas en términos mensurables de Ingeniería. En la determinación de los requerimientos del cliente se realizo una lista de todas las características con las que debe contar la máquina recicladora. Si se percibe, estos requerimientos se clasifican como mensurables y no mensurables. El término mensurable es todo aquello que sea medible en cualquier tipo de unidad de medición, por tal motivo todos los requerimientos establecidos, deben de estar traducidos a alguna unidad de medida. Los términos clasificados como no mensurables en la tabla se tienen que traducir para poder trabajar con ellos mediante una unidad de medida, por lo que se lleva acabo las siguientes traducciones.

PONDERACION % PRODUCTOS DE REFERENCIA REQ.

OBLIGATORIOS DESEABLES I II RO1 N/A ---- 7 7 RO2 N/A ---- 6 6 RO3 N/A ---- 10 10 RO4 N/A ---- 10 6 RO5 N/A ---- 10 10 RO6 N/A ---- 7 8 RO7 N/A ---- 7 7 RO8 N/A ---- 6 6 RO9 N/A ---- 10 6

RO10 N/A ---- 9 9

RD1 ---- 4.4 6 6 RD2 ---- 11.1 6 6 RD3 ---- 4.4 10 10 RD4 ---- 0 10 10 RD5 ---- 15.5 10 9 RD6 ---- 15.5 9 9 RD7 ---- 17.7 8 7 RD8 ---- 6.6 9 9 RD9 ---- 11.1 9 9

RD10 ---- 15.7 8 7

LIS

TA

DE

RE

QU

ER

IMIE

NT

OS

OB

LIG

AT

OR

IOS

Y

DE

SEA

BL

ES.

TOTAL 168 159

34

4.2.5.1 Traducción de los requerimientos deseables: Para empezar la traducción nos basaremos en el siguiente caso para tomarlo como ejemplo, ya que se emplea para este trabajo: Independientemente del producto que se trate, se puede intentar una descomposición del requerimiento “que se instale fácilmente”, a fin de encontrar una serie de términos con los cuales cuantificarlos: la instalación de un objeto implica dos tipos de esfuerzo: uno mental y el otro físico. El esfuerzo mental se realiza antes y durante la instalación. Antes de la instalación para comprender el proceso a seguir, y durante ella para aplicarlo. El esfuerzo físico se realiza principalmente durante la instalación [10]. Entonces: RD10: Fácil de instalar. Primer nivel de traducción: Por su parte, “la facilidad” para realizar algo se puede enfocar al menos desde dos perspectivas: la cantidad de esfuerzo o trabajo que se tenga que aportar, y la comodidad con que se lleve a cabo la acción.

Instalar

Esfuerzo mental

Esfuerzo físico

Comprensión del proceso (Previo a la instalación).

Aplicación del proceso. (Durante la instalación).

Ejecución de la instalación.

Facilidad

Mínimo trabajo o esfuerzo empleado.

Comodidad para llevar a cabo la acción.

35

De esta manera un primer nivel de traducción del requerimiento “que se instale fácilmente”podría expresarse en los siguientes términos. Aunque el primer nivel de traducción permite obtener cuatro requerimientos más específicos que el inicial, todavía ninguno es mensurable. Por ejemplo el esfuerzo mental para entender el proceso de la instalación no es algo que se pueda medir directamente. Sin embargo puede desmenuzarse, como sigue: Segundo Nivel de Traducción.

Que se instale fácilmente

Mínimo esfuerzo mental para entender el proceso de instalación.

Mínimo esfuerzo mental para llevar acabo la instalación.

Mínimo esfuerzo físico para llevar a cabo la instalación.

La mayor comodidad posible para llevar a cabo la instalación.

Mínimo esfuerzo mental para llevar acabo la instalación.

Riesgo de accidente durante la instalación.

Precisión de movimientos corporales.

Uso de herramientas o instrumentos auxiliares.

Cantidad de personas necesarias para la instalación.

36

Mínimo esfuerzo físico para llevar a cabo la instalación.

Tiempo necesario para la instalación.

Peso máximo del objeto.

Uso de herramienta o instrumentos auxiliares.

Mínimo esfuerzo mental para entender el proceso de instalación.

Tiempo necesario de adiestramiento

Grado de escolaridad mínimo necesario

Cantidad de personas necesarias para la instalación

Cantidad de movimientos corporales necesarios.

Cantidad de personas necesarias para la instalación.

La mayor comodidad posible para llevar a cabo la

Peso máximo del objeto.

Dimensiones del objeto.

Riesgo de accidente durante la instalación.

Uso de herramientas o instrumentos auxiliares.

Cantidad de personas necesarias para la instalación.

37

Prácticamente todos los requerimientos obtenidos en el segundo nivel de traducción se pueden cuantificar. En la siguiente tabla se muestran los términos agrupados que equivalen al requerimiento “que se instale fácilmente” [10].

Requerimiento del cliente Traducción del

requerimiento en términos mensurables

Unidad de medición

Tiempo necesario de adiestramiento. Horas

Escolaridad mínima necesaria Grado Escolar

Personas necesarias para instalar. No. De personas

Riesgo de accidentes durante la instalación. % de probabilidad

Precisión de los movimientos corporales. m

Uso de herramientas o instrumentos auxiliares. Cantidad

Tiempo necesario para instalar. Horas

Peso máximo de la máquina. KG Movimientos corporales necesarios. No. De movimientos

Que se instale fácilmente.

Dimensiones del objeto. mxmxm Como se puede observar, en la traducción del requerimiento anterior, tiene el objetivo de presentar las unidades de medida en las que se expresa el requerimiento del cliente, una vez establecido este procedimiento se pondrán los requerimientos y sus unidades de medida en cuadros para la traducción para cada uno de los requerimientos no mensurables. RD5: Que sea pequeña.

Requerimiento del cliente

Traducción del requerimiento en

términos mensurables

2° nivel de Traducción.

Unidad de medición

Largo m Ancho m Que sea pequeña Dimensión Alto m

RD6: Herramienta estándar.

Requerimiento del cliente Traducción del requerimiento en términos

mensurables

Unidad de medición

S. Internacional mm Herramienta estándar S. Inglés pulgadas

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RD7: Disponibilidad de refacciones

Requerimiento del cliente Traducción del

requerimiento en términos mensurables

Unidad de medición

Tiempo Hrs. Distancia m Disponibilidad de

refacciones Proveedores Cantidad RD8: Condiciones de trabajo adecuadas.

Requerimiento del cliente Traducción del requerimiento en términos

mensurables

Unidad de medición

Temperatura ambiente. Grados. ° C Humedad ambiente. Porcentaje de humedad. % 4.2.5.2 Traducción de los requerimientos obligatorios: RO5: Controles de operación Requerimiento 1° Nivel de Traducción

Tablero de control Sistema de trituración Sistema de extrusión Controles de operación

Sistema de resistencias 1° Nivel de Traducción 2° Nivel de traducción Unidad de medición

Botón paro de emergencia Pza. Tablero de control Interruptor principal Pza. Sistema de trituración Botón selector on/off Pza.

Botón selector on/off Pza. Sistema de extrusión Variador de frecuencia Pza. Botón selector on/off Pza. Sistema de Resistencias Potenciómetro Pza.

RO9: Material de trabajo termoplástico. Requerimiento Traducción 1° nivel Unidad de medida

PET [-CO-C6H6-CO-O-CH2-CH2-O-] PP N/A PS N/A Termoplásticos

PVC N/A RO10: Protección anticorrosivo. Requerimiento Traducción 1° nivel Traducción 2° nivel Unidad de medida

Pintura ANSI149 Lts. Protección anticorrosivo Material de las piezas Acero inoxidable

Una vez que obtenemos la traducción de todos los requerimientos no mensurables, colocaremos en la siguiente tabla todos los requerimientos obligatorios y deseables traducidos.

39

4.3 DISEÑO CONCEPTUAL

Una vez obtenidas las metas de diseño, se procede a llevar acabo la aplicación de el diseño conceptual, con el objetivo de obtener el modelo funcional de manera estructurada para la máquina recicladota de plástico. En el desarrollo del sistema conceptual, se obtiene la generación de conceptos para cumplir con cada una de las funciones, que satisfagan al cliente. Al obtener los conceptos, se lleva a cabo una evaluación, para determinar cual de ellos es el más adecuado, para los requerimientos, y así tener, como resultado, el concepto de diseño. 4.3.1 Planteamiento del problema. El problema consiste en diseñar una maquina para reciclar el plástico dentro de la clasificación de los termoplásticos, principalmente, el PET y las bolsas del hogar, es decir mediante un proceso mecánico y la aplicación del calor. Esto con la finalidad de minimizar la contaminación de los suelos y el espacio destinado, para el manejo de estos desechos sólidos. Como primer paso, es diseñar un modelo, cuyas funciones están basadas en el gráfico del despliegue de funciones de calidad.

4.4 Función global de servicio del producto. Para el caso de la función global del servicio del producto en el proceso de diseño, significa que:

“Describe el papel a desempeñar del producto”. Entonces, se toma en cuenta la definición anterior, y se tiene, que la función global para la máquina recicladota de plástico es: “Usar y transformar la energía eléctrica en un trabajo mecánico y en energía calorífica para la trituración y aplicación de calor para modificar la estructura de los termoplásticos” Ahora, se establece el esquema de la función global :

Diferencia de potencial Energía mecánica Material de trabajo Material reciclado Flujo de electrones Energía calorífica

Figura 20. Diagrama funcional de mayor nivel en el sistema

Sistema: Máquina

Recicladora De

Termoplásticos

ENTRADAS SALIDAS

40

4.5 Límites del producto. Cuando se realizas cualquier diseño se tiene que considerar cuales son sus alcances, es decir, sus límites, por que hay que definir y tomar en cuenta las limitaciones del producto. Esto, con el objetivo de considerar el nivel de alcance en cuestión de función, que tendrá el diseño. Para entender los límites de la máquina recicladora de plástico, se consideran los siguientes conceptos, de tal forma, que estos establecen los límites a considerar para el diseño.

Humano. Fenómenos físicos. Entorno. Elementos físicos propios.

Se entiende como factor humano, que la máquina debe de ser preparada por una persona, porque la máquina no podrá trabajar por sí sola, así como para su alimentación y mantenimiento. El fenómeno físico representa la energía con la que se alimenta el sistema, por la necesidad de dicha energía. Si esta no esta presente la máquina tampoco puede realizar su función. El entorno, se refiere a tener las condiciones óptimas de espacio e instalaciones, para su correcta aplicación. Los elementos físicos propios, representan limites entre cada uno de ellos, ya que debe de haber una secuencia de operación y alcance, para cada uno de estos elementos. Por consiguiente se establece la interacción de los siguientes límites con el sistema: Conceptos:

1) Tablero de control 2) Conexiones eléctricas entre el tablero y el sistema

3) Conexión de alimentación de voltaje en el tablero 4) Voltaje (diferencia de potencia), flujo de electrones (corriente).

5) Mantenimiento.

6) Medio ambiente.

7) Operación del sistema (operador).

8) Material de trabajo.

41

Figura 21. Límites del sistema.

4.6 Funciones de servicio del sistema maquina recicladora de plástico. La función de servicio representa el rol o la actividad, que desempeña cada uno de los elementos en conjunto. 4.6.1Elementos del conjunto. TC: Tablero de control TCE2: Interruptor principal. Tablero de control TCE1: Conexión de alimentación de voltaje TCE3: Arnés de conexiones

TCE4: Mini interruptores (pastillas de protección) TCE5: Vólmetro TCE6: Conexión del Vólmetro a tablilla – Inter. Principal TCE7: Amperímetro

MAQUINA RECICLADORA DE

PLASTICO

Aplicación de voltaje

Tablero de control

Operador

Conexión de

de voltaje en tablero

Medio ambiente

Material de trabajoEnergía calorífica

Espacio disponible

Mantenimiento

Conexión entreTablero y Sistema

Corriente eléctrica(Flujo de electrones)

Instalación

LIMITES DEL SISTEMA

alimentación

Energía

mecánica

42

TCE8: Botón paro de energía TCE9: Botón selector ON/OFF sistema de trituración TCE10: Botón selector ON/OFF sistema de alimentación a P. TCE11: Botón selector ON/OFF cámara de fundición TCE12: Medidor de temperatura TCE13: Potenciómetro TCE14: Medidor de presión TCE15: Tablilla terminal de conexiones tablero y máquina TCE16: Transformador de corriente MT: Mecanismo de trituración: MTE1: Terminal de conexiones MTE2: Arnés de conexión MTE3: Tolva de alimentación MTE4: Flecha con cuchillas de corte MTE5: Motor eléctrico MTE6: Poleas MTE7: Banda MTE8: Rodamiento

MTE9: Estructura de sujeción MTE10: Calidad de alivio

MAP: Mecanismo de alimentación a presión: MAPE1: Terminal de conexión MAPE2: Arnés de conexión MAPE3: Motor eléctrico MAPE4: Variador de frecuencia MAPE5: Sensor de presión MAPE6: Flecha del motor MAPE7: Banda de transmisión MAPE8: Polea MAPE9: Extrusor MAPE10: Rodamientos MAPE11: Estructura de fijación MAPE12: Cámara de presión CF: Cámara de fundición : CFE1: Terminal de conexión CFE2: Arnes de conexión

CFE3: Cámara de fundición CFE4: Resistencia eléctrica

CFE5: Pirómetro CFE6: Estructura de fijación

43

4.7 ANÁLISIS FUNCIONAL DESCENDENTE.

En el análisis funcional descendente se analiza de la manera gráfica las funciones, que realiza la maquina recicladora. Este análisis tiene la generalidad de comenzar con la función global de servicio, en un primer nivel, hasta la traducción de las funciones complementarias en un segundo nivel. Los niveles de traducción dependen de las funciones con las que cuenta el sistema, para este caso se describen a continuación Entonces, de acuerdo a lo anterior, se empieza a desarrollar el grafico con la función global:

Figura 22. Diagrama funcional de mayor nivel para el producto

Nota: El material de trabajo (Termoplásticos) se considera como: Botellas de plástico, bolsas, entre otros.

Usar y transformar la energía eléctrica en un trabajo mecánico y en energía calorífica para la trituración, alimentación y aplicación de calor para modificar la estructura de los Termoplásticos mediante un sistema termo-mecánico

Presencia de energía eléctrica

Recicladora de plástico

Energía mecánica

Energía calorífica

Termoplástico reciclado

Tensión (diferencia de potencial)

Flujo de corriente

Material de trabajo (Termoplástico)

44

4.8 PRIMER NIVEL DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL

En el primer nivel de descomposición funcional, se describen las funciones de mayor peso en el sistema de la maquina recicladora. Una vez descritas gráficamente, se procede con las funciones complementarias, por lo que se tiene lo siguiente: Función 1PN: Alimentar el voltaje de trabajo al Tablero de Control

Figura 23. Primer nivel de descomposición funcional Interruptor Principal. Función 2PN: Medir la temperatura en la cámara de fundición.

Figura 24. Primer nivel de descomposición funcional Termómetro.

Alimentar el voltaje de trabajo al Tablero de

Control

Tablero de Control

Energía eléctrica

Tensión

Flujo de corriente

Interruptor principal

Arnés de conexiones

Conexión de alimentación

Tablilla

Pastillas de protección

Medir la temperatura

en la cámara de fundición

Energía calorífica

Diferencia térmica

Termómetro

Lectura de temperatura

Conexión pirómetro

45

Función 3PN: Medir la tensión de trabajo en el sistema.

Figura 25. Primer nivel de descomposición funcional Vólmetro.

Función 4PN: Medir el consumo de corriente del sistema.

Figura 26. Primer nivel de descomposición funcional Amperímetro.

Medir la tensión de

trabajo para el sistema

Energía eléctrica

Vólmetro

Arnés de conexión

Alimentación de tensión

Medición de tensión de alimentación

Medir el consumo de corriente del sistema

Carga consumida Energía eléctrica

Transformador de corriente

Arnés de conexión

Flujo de corriente Señal de corriente consumida

Ampermetro

46

Función 5PN: Permitir alimentar el material de trabajo al sistema.

Figura 27. Primer nivel de descomposición funcional Tolva de alimentación. Función 6PN: Triturar el material de trabajo.

Figura 28. Primer nivel de descomposición funcional Cuchillas trituradoras.

Permitir alimentar

el material de trabajo al sistema

Cuchillas trituradoras

Fuerza de gravedad

Material de trabajo

Tolva de alimentación

Alimentación de material

Trituración del

material de trabajo

Extrusor de alimentación a presión hacia

cámara de fundición

Fuerza mecánica

Alimentación de material

Cuchillas trituradoras

Cavidad de alivio

Material triturado

47

Función 7PN: Alimentar el material triturado a la cámara de fundición.

Figura 29. Primer nivel de descomposición funcional extrusor. Función 8PN: Admitir material triturado a presión mecánica para aplicar calor al material por conducción mediante resistencias eléctricas.

Figura 30. Primer nivel de descomposición funcional Cámara de fundición.

Alimentar el

material triturado a la cámara de

fundición

Cámara de fundición

Material triturado

Movimiento giratorio

Energía mecánica

Extrusor

Material triturado y comprimido

Presión mecánica

Admitir material triturado a presión

mecánica para aplicar calor al material por conducción mediante resistencias eléctricas

Energía calorífica

Presión mecánica

Material triturado

Cámara de fundición

Material reciclado Depósito

48

Función 9PN: Variar la frecuencia del motor eléctrico 2.

Figura 31. Primer nivel de descomposición funcional Variador de frecuencia. Función 10PN: Interrumpir la línea de alimentación de los elementos principales en caso de calentamiento o corto circuito.

Figura 32. Primer nivel de descomposición funcional Pastilla térmica.

Variar la frecuencia de alimentación del

motor 2.

Energía eléctrica.

Alimentación de voltaje.

Conexión.

Variador de frecuencia.

Variación frecuencia.

Motor 2.

Flujo de corriente.

Conexión.

Flujo de corriente.

Interrumpir las líneas de

alimentación en caso de

calentamiento y corto circuito.

Contactor auxiliar

Conexión

Alimentación de voltaje.

Energía eléctrica

Pastilla térmica

Conexión

Alimentación de voltaje.

49

4.9 SEGUNDO NIVEL DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL

Una vez que se estableció el primer nivel de descomposición funcional se pasa al segundo nivel, donde se muestra las funciones secundarias de las funciones anteriores, por lo que se expresan gráficamente, al final de la descomposición funcional se mostrará un enlace general de todas las funciones para dar un perspectiva más amplia de la interacción entre ellas, entonces tenemos: Función 1SN: Descenergizar el sistema totalmente.

Figura 33. Segundo nivel de descomposición funcional Botón paro de emergencia.

Función 2SN: Encender y apagar el mecanismo de trituración.

Figura 34. Segundo nivel de descomposición funcional Botón selector de trituración.

Descenergizar el sistema por completo

Tablero de Control

Operación manual

Botón paro de emergencia

Alimentación de tensión

Ausencia de tensión

Encender y apagar el

mecanismo de trituración

Alimentación de tensión

Arnés de conexión

Operación manual

Botón selector OFF/ON

Señal eléctrica

Arnés de conexión

Alimentación de tensión

Contactor auxiliar / Pastilla térmica.

50

Función 3SN: Encender y apagar el mecanismo de extrusión. Figura 35. Segundo nivel de descomposición funcional Botón selector de extrusión. Función 4SN: Encender y apagar el sistema de resistencias.

Figura 36. Segundo nivel de descomposición funcional Botón selector de resistencias.

Encender y apagar el

mecanismo de extrusión

Alimentación de tensión

Arnés de conexión

Operación manual

Botón selector OFF/ON

Señal eléctrica

Arnés de conexión

Alimentación de tensión

Contactor auxiliar / Pastilla térmica.

Encender y apagar el

sistema de resistencias.

Alimentación de tensión

Arnés de conexión

Operación manual

Botón selector OFF/ON

Señal eléctrica

Arnés de conexión

Alimentación de tensión

Contactor auxiliar / Pastilla térmica.

51

Función 5SN: Generar el movimiento angular para las cuchillas de trituración.

Figura 37. Segundo nivel de descomposición funcional Motor eléctrico cuchillas de trituración. Función 6SN: Generar el movimiento angular para el extrusor.

Figura 38. Segundo nivel de descomposición funcional Motor eléctrico del extrusor.

Generar el movimiento angular para las cuchillas de

trituración.

Alimentación de tensión

Flujo de corriente

Energía eléctrica

Motor eléctrico 1.

Movimiento angular

Trabajo mecánico

Momento de torsión

Polea,

Banda y Flecha Arnés de conexión

Generar el

movimiento angular para el extrusor.

Variación de frecuencia.

Flujo de corriente

Energía eléctrica

Motor eléctrico 2.

Movimiento angular

Trabajo mecánico

Momento de torsión

Flecha / Tren de

engranes. Arnés de conexión

52

Función 7SN: Generar calor en la cámara de fundición.

Figura 39. Segundo nivel de descomposición funcional Resistencia eléctrica.

4.10 TERCER NIVEL DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL

Una vez que se estableció el segundo nivel de descomposición funcional se pasa al tercer nivel, donde se muestra las funciones terciarias de las funciones anteriores, por lo que se expresan gráficamente, al final de la descomposición funcional se mostrará un enlace general de todas las funciones para dar un perspectiva más amplia de la interacción entre ellas, entonces tenemos: Función 1TN: Variar la tensión aplicada a la resistencia eléctrica.

Figura 40. Tercer nivel de descomposición funcional Potenciómetro.

Generar el calor en la cámara de combustión

Alimentación de tensión

Flujo de corriente

Resistencia eléctrica

Energía calorífica

Transmisión por conducción.

Cámara de fundición

Arnés de conexión

Energía eléctrica

Variar la tensión

aplicada a la resistencia eléctrica.

Alimentación de tensión

Arnés de conexión

Potenciómetro

Señal eléctrica

Arnés de conexión

Alimentación de Tensión.

Resistencia

eléctrica

Operación manual

53

Función 2TN: Transmitir energía mecánica a las cuchillas de trituración.

Figura 41. Tercer nivel de descomposición funcional Polea, Banda y Flecha.

Función 3TN: Abrir y cerrar contactos auxiliares.

Figura 42. Tercer nivel de descomposición funcional Contactor auxiliar.

. Transmitir energía

mecánica a las cuchillas de trituración.

Movimiento angular.

Par de torsión.

Polea

Cuchillas de trituración

Banda Flecha

Energía mecánica

Fuerza mecánica

Movimiento angular

Abrir y cerrar los contactos de

alimentación de tensión al motor de trituración/motor de

extrusión y resistencias eléctricas.

Alimentación de tensión

Arnés de conexión

Motor

eléctrico 1,2. Resistencias eléctricas.

Contactor auxiliar

Señal eléctrica

Arnés de conexión

Alimentación de tensión

Línea de pastilla de protección.

54

Función 4TN: Sensar la presión mecánica en la cámara de extrusión.

Figura 43. Tercer nivel de descomposición funcional Sensor de presión.

4.11 CUARTO NIVEL DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL

Una vez que se estableció el tercer nivel de descomposición funcional se pasa al cuarto nivel, donde se muestra las funciones consecutivas de las funciones anteriores, por lo que se expresan gráficamente, al final de la descomposición funcional se mostrará un enlace general de todas las funciones para dar un perspectiva más amplia de la interacción entre ellas, entonces tenemos: Función 1CN: Transmitir movimiento giratorio al extrusor.

Figura 44. Cuarto nivel de descomposición funcional Flecha.

Sensar la presión mecánica en la

cámara de extrusión. Presión mecánica

Medidor de

presión

Sensor de presión

Energía mecánica

Señal de tierra

Transmitir

movimiento giratorio al extrusor.

Reducción de revoluciones

Par de torsión

Flecha

Extrusor

Energía mecánica

Movimiento giratorio

55

Función 2CN: Permitir el movimiento giratorio sin fricción del extrusor con la estructura de soporte.

Figura 45. Cuarto nivel de descomposición funcional Chumacera. Función 3CN: Aplicar el movimiento angular a la banda de transmisión y en otro caso a la flecha de transmisión de las cuchillas.

Figura 46. Cuarto nivel de descomposición funcional Polea.

Permitir el

movimiento giratorio sin fricción del

extrusor

Movimiento angular

Chumacera

Extrusor

Energía mecánica

Soporte sin fricción

Aplicar el

movimiento angular a la banda de transmisión.

Polea

Banda

Energía mecánica

Mov. Angular.

Par de torsión.

Mov. Angular.

Par de torsión.

56

Función 4CN: Transmitir movimiento angular entre la polea del motor eléctrico y la polea de la flecha de las cuchillas.

Figura 47. Cuarto nivel de descomposición funcional Banda de transmisión. Función 5CN: Girar las cuchillas de trituración.

Figura 48. Cuarto nivel de descomposición funcional Flecha de transmisión.

Transmitir movimiento angular

entre la polea del motor eléctrico y la polea de la flecha de

las cuchillas.

Banda de transmisión

Flecha

Energía mecánica

Mov. Angular.

Par de torsión.

Mov. Angular.

Par de torsión.

Girar las cuchillas de trituración.

Flecha de transmisión.

Cuchillas de trituración.

Energía mecánica

Mov. Angular.

Par de torsión.

Mov. Angular.

Par de torsión.

57

Función 6CN: Variar la frecuencia del motor eléctrico.

Figura 49. Cuarto nivel de descomposición funcional Variador de frecuencia. Función 7CN: Soportar y sujetar los elementos mecánicos y eléctricos del sistema.

Figura 50. Cuarto nivel de descomposición funcional Estructura de fijación.

Variar la frecuencia del motor eléctrico

para controlar la velocidad de giro del

tornillo sin fin.

Material de trabajo

Estructura de fijación

Máquina

recicladora, Tableros de

control

Energía mecánica

Fijación y soporte

Soportar y sujetar los elementos mecánicos

y eléctricos del sistema

Material de trabajo

Estructura de fijación

Máquina

recicladora, Tableros de

control

Energía mecánica

Fijación y soporte

58

4.12 ESTABLECIMIENTO DE LA LLUVIA DE IDEAS PARA SATISFACER LAS FUNCIONES PRINCIPALES DE LA MAQUINA RECICLADORA.

1) Función: 1PN: Alimentar el voltaje de trabajo al tablero de control. Instrumento: Interruptor principal. Opciones: a) b)

2) Función: 2PN: Medir la temperatura en la cámara de fundición. Instrumento: Termómetro (c/pirómetro). Opciones: a) b)

3) Función: 3PN: Medir la tensión de trabajo en el sistema. Instrumento: Vólmetro. Opciones: a) b) c)

Termómetro digital c/ pirómetro Termómetro analógico c/ pirómetro.

V

Multimetro digital. Vòlmetro digital. Vòlmetro analògico.

Interruptor con caja moldeada Interruptor con caja moldeada y candado de protecciòn

60

4) Función: 4PN: Medir el consumo de corriente del sistema.

Instrumento: Ampermetro (c/Transformador de correinte). Opciones: a) b) c)

5) Función: 5PN: Permitir alimentar el material de trabajo al sistema. Instrumento: Tolva de alimentación. Opciones: a) b) c)

6) Función: 6PN: Triturar el material de trabajo. Instrumento: Cuchillas trituradoras. Opciones: a) b)

Multimetro digital. Ampèrmetro digital. Ampèrmetro analògico.

Tolva de alimentación con entrada cònica..

Tolva de alimentación con entrada con pendiente.

Tolva de alimentación con entrada recta.

Cuchillas de montaje completo.

Cuchillas de montaje en un extremo.

61

7) Función: 7PN: Alimentar el material a la cámara de fundición.

Instrumento: Extrusor. Opciones:

a) b)

8) Función: 8PN: Admitir el material triturado a presión mecánica para aplicar calor al material por conducción mediante resistencias eléctricas. Instrumento: Cámara de fundición. Opciones: a) b) c)

9) Función: 1SN: Descenergizar el sistema totalmente . Instrumento: Botón paro. Opciones: a) b)

Botón paro. Botón paro con foco de indicación.

Extrusor recto. Extrusor cónico.

Cámara con salida corta. Cámara con salida largaCámara con salida sin reducción.

62

10) Función: 2SN: Encender y apagar el mecanismo de trituración.

Instrumento: Botón selector OFF/ON. Opciones: a) b) c)

11) Función: 3SN: Encender y apagar el mecanismo de extrusión. Instrumento: Botón selector OFF/ON.. Opciones: a) b) c)

12) Función: 4SN: Encender y apagar el mecanismo de Resistencias eléctricas. Instrumento: Botón selector OFF/ON.. Opciones: a) b) c)

Botón de pulso. Botón selector. Botón con llave.

Botón de pulso. Botón selector.

Botón selector.

Botón con llave.

Botón con llave. Botón de pulso.

63

13) Función: 5SN: Generar el movimiento angular para las cuchillas de trituración. Instrumento: Motor eléctrico 1 . Opciones: a) b) c)

Función: 6SN: Generar el movimiento angular para el extrusor.

Instrumento: Motor eléctrico 2. Opciones: a) b) c)

14) Función: 7SN: Generar calor en la cámara de fundición. Instrumento: Resistencia eléctrica. Opciones: a) b) c)

Carcaza NEMA B56 para su uso en ambientes industriales

Carcaza NEMA B56 para su uso en ambientes industriales.

Tipo jaula de ardilla., enfriados por ventilador.

Motor blindado. Protección IP54 - IP55. Aislación clase F.

Tipo jaula de ardilla., enfriados por ventilador.

Motor blindado. Protección IP54 - IP55. Aislación clase F.

Resistencia tubular recta. Resistencia abrazadera. Resistencia cilíndrica.

64

15) Función: 1TN: Variar la tensión aplicada a la resistencia eléctrica. Instrumento: Potenciómetro. Opciones: b)

16) Función: 2TN: Transmitir energía mecánica a las cuchillas de trituración. Instrumento: Polea. Opciones: a) b)

17) Función: 3TN: Abrir y cerrar contactos auxiliares. Instrumento: Contactor auxiliar. Opciones: a) b)

Potenciómetro con escala. Potenciómetro sin escala.

Contactor auxiliar con contactos secos. Contactor auxiliar sin

contactos secos.

Polea con barreno pasado. Polea can tope.

65

18) Función: 1CN: Transmitir movimiento giratorio al extrusor.

Instrumento: Polea . Opciones: a) b)

19) Función: 2CN: Permitir el movimiento giratorio sin fricción del extrusor con la estructura de soporte. Instrumento: Chumacera. Opciones: a) b) c)

20) Función: 3CN: Soportar y sujetar los elementos mecánicos y eléctricos del sistema. Instrumento: Estructura de fijación. Opciones:

21) Función: 3CN: Soportar y sujetar los elementos mecánicos y eléctricos del sistema. Instrumento: Estructura de fijación. Opciones: a) b)

Soporte brida de fundición gris Serie FC2.

Soporte de pie de fundición gris Serie PA2.

Soporte de pie de fundición gris Serie P2

Estructura PTR.

Polea con barreno pasado. Polea can tope.

Angulo.

Variador de frecuencia manual.

Variador de frecuencia digital.

a b

66

4.13 EVALUACIÓN DE CONCEPTOS 4.13.1 Evaluación I. Técnica de evaluación: “Factibilidad” Tipo de comparación: Absoluta Base de comparación: Experiencia Función: 1 PN Opción: “a” Observaciones: Permite una rápida interrupción de energía

4.13.2 Evaluación II. Técnica de evaluación: “Disponibilidad tecnológica” Tipo de comparación: Absoluta Base de comparación: Experiencia Función: 2 PN Opción: “b” Observaciones: Bajo costo

4.13.3 Evaluación III. Técnica de evaluación: “Concepto seleccionado” Tipo de comparación: Relativa Base de comparación: Requerimiento del cliente Función: 3PN Opción: “c” Observaciones: Bajo costo 4.13.4 Evaluación IV. Técnica de evaluación: “Concepto seleccionado” Tipo de comparación: Relativa Base de comparación: Requerimiento del cliente Función: 4PN Opción: “a” Observaciones: Bajo costo 4.13.5 Evaluación V. Técnica de evaluación: “Experiencia” Tipo de comparación: Absoluta Base de comparación: Factibilidad Función: 5PN Opción: “b” Observaciones: Por seguridad 4.13.6 Evaluación VI. Técnica de evaluación: “Concepto seleccionado” Tipo de comparación : Relativa Base de comparación: Requerimiento del cliente Función: 6PN Opción: “b” Observaciones: Menos elementos para sujeción y corte

67

4.13.7 Evaluación VII. Técnica de evaluación: “Factibilidad” Tipo de comparación: Absoluta Base de comparación: Experiencia Función: 7 PN Opción: “a” Observaciones: Debido a su configuración es mas facil y económico de obtener (maquinado)

4.13.8 Evaluación VIII. Técnica de evaluación: “Matriz de decisión” Tipo de comparación: Relativa Base de comparación: Requerimientos del cliente Función: 8 PN Opción: “a” Observaciones: Se necesita una cámara continua para la instalación de resistencias y la salida del material a presión

4.13.9 Evaluación IX. Técnica de evaluación: “Concepto seleccionado” Tipo de comparación: Relativa Base de comparación: Requerimiento del cliente Función: 1SN Opción: “b” Observaciones: Luz indicadora, asegura estado para mayor seguridad

4.13.10 Evaluación X. Técnica de evaluación: “Factibilidad” Tipo de comparación: Absoluta Base de comparación: Experiencia Función: 2SN Opción: “b” Observaciones: Para seguridad y un mejor control del encendido y apagado de los sistemas 4.13.11 Evaluación XI. Técnica de evaluación: “Factibilidad” Tipo de comparación: Absoluta Base de comparación: Experiencia Función: 3SN Opción: “b” Observaciones: Por seguridad y un mejor control del encendido y apagado de los sistemas 4.13.12 Evaluación XII. Técnica de evaluación: “Factibilidad” Tipo de comparación: Absoluta Base de comparación: Experiencia Función: 4SN

68

Opción: “b” Observaciones: Por seguridad y un mejor control del encendido y apagado de los sistemas 4.13.13 Evaluación XIII. Técnica de evaluación: “Factibilidad” Tipo de comparación: Absoluta Base de comparación: Experiencia Función: 5SN Opción: “b” Observaciones: Por su fácil mantenimiento y velocidad

4.13.14 Evaluación XIV. Técnica de evaluación: “Factibilidad” Tipo de comparación: Absoluta Base de comparación: Experiencia Función: 6SN Opción: “c” Observaciones: Por su alto par y control

4.13.15 Evaluación XV. Técnica de evaluación: “Filtro pasa/no pasa” Tipo de comparación: Absoluta Base de comparación: Estado del arte Función: 7SN Opción: “c” Observaciones: Es la más apta para las condiciones de trabajo (calos constante y fácil instalación)

4.13.16 Evaluación XVI. Técnica de evaluación: “Matriz de decisión” Tipo de comparación: Relativa Base de comparación: Requerimiento del cliente Función: 1TN Opción: “a” Observaciones: Cumple con el requerimiento de control debido a su escala de medida. 4.13.17 Evaluación XVII. Técnica de evaluación: “Factibilidad” Tipo de comparación: Absoluta Base de comparación: Experiencia Función: 2TN Opción: “a” Observaciones: Por su barreno pasado permite el ajuste a diferentes alturas sin mover los demás componentes

4.13.18 Evaluación XVIII. Técnica de evaluación: “Concepto seleccionado” Tipo de comparación : Relativa Base de comparación: Requerimiento del cliente Función: 3TN

69

Opción: “a” Observaciones: Por disponibilidad de refacciones y funcionamiento

4.13.19 Evaluación XIX. Técnica de evaluación: “Factibilidad” Tipo de comparación: Absoluta Base de comparación: Experiencia Función: 1CN Opción: “b” Observaciones: Por la instalación permite el fácil y rápido ensamble

4.13.20 Evaluación XX. Técnica de evaluación: “Factibilidad” Tipo de comparación: Absoluta Base de comparación: Experiencia Función: 2CN Opción: “a” Observaciones: Debido a la posición del extrusor se necesita un apoyo mayor en el eje horizontal 4.13.21 Evaluación XXI. Técnica de evaluación: “Concepto seleccionado” Tipo de comparación: Relativa Base de comparación: Requerimiento del cliente Función: 3CN Opción: “a” Observaciones: Bajo costo y control manual

4.13.22 Evaluación XXII. Técnica de evaluación: “Factibilidad” Tipo de comparación: Absoluta Base de comparación: Experiencia Función: 4CN Opción: “a y b” Observaciones: Se necesita de los dos tipos de conceptos debido a la estructura del equipo

70

4.14 MATRIZ FINAL DE CONCEPTOS PRINCIPALES DE LA MÁQUINA

Tabla: Matriz de conceptos

OPCIONES No. FUNCIÓN a b c

DESCRIPCIÓN

1. 1PN Interruptor de maniobra seccionador T max T1D160 250amp 2KA

2. 2PN Termómetro analógico con pirómetro A25T Series Shows marca crompthon

3. 3PN Volmetro selector con frecunsimetro capacidad 220vca marca crompthon

4. 4PN Ampermetro selector capacidad 200amp. Marca crompthon

5. 5PN Tolva de lámina inoxidable calibre 16

6. 6PN Cuchillas de tugsteno de fijación en el extremo

7. 7PN Tornillo sin fin material cold rolled

8. 8PN Cámara de fundición acero 1018

9. 1SN Botón paro de emergencia iluminado mantenido 1SFA611510R1101ABB

10. 2SN Selector con togle marca ABB

11. 3SN Selector con togle marca ABB

12. 4SN Selector con togle marca ABB

13. 5SN Motor ansincrono jaula de ardilla 1800RPM 220vca.

14. 6SN Motor ansncrono jaula de ardilla 220vca. Alto par

15. 7SN Resistencia tipo banda Mi-plus (Aislamiento mineral) marca temico

16. 1TN Resistencia variable (potenciometro) 10kohm.

17. 2TN Polea con barreno pasado de hierro colado

18. 3TN Contactor auxiliar alimentación 220vca. ABB N22E 690V 16amp.

19. 1CN Polea con barreno pasado de hierro colado

20. 2CN Soporte brida de fundición gris serie FC2

21. 3CN Variador de frecuencia para motores ansincronos 110v-220v. Altivar 11

22. 4CN Angulo 2x1/8plg. y PTR 2 plg.

Con la tabla anterior se finaliza con el diseño conceptual, obteniendo los conceptos principales que compondrán la máquina recicladota de plástico. Estos conceptos servirán en el diseño detallado para obtener las especificaciones y esquemas de diseño.

71

4.15 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA CAPITULO IV. [10] Jorge Ramos Watanave, Curso de Diseño Mecánico, IPN-ESIME-SEPI, vol.1, vol.2, vol.3, vol.4, 2000. [11] Yoji Akaoi, Asahi University, “Q.F.D., Past, Present and Future”, International Symposion on Q.F.D. [12] Catalogo América Latina, Contactares, Protección, de Motores, Arrancadores, ABB.

72

CAPÍTULO V

“DISEÑO DETALLADO” En este capítulo se tiene la tarea de convertir el concepto idealizado de la matriz de conceptos obtenida en el Diseño Conceptual, donde se parte de los valores físicos del material de trabajo (plástico PET), para empezar con los cálculos del sistema, . Expresado en otras palabras, en esta fase la abstracción del modelo funcional debe convertirse en un modelo correcto, expresado en formas, dimensiones, acabados, especificaciones, entre otras cosas.

5.1 FACTORES DE DISEÑO Para empezar el diseño detallado de la maquina recicladora, se da una pequeña secuencia de la metodología, que se llevará acabo para el desarrollo de esta. Se considerar dos factores de diseño que continuación se mencionan, estos valores se obtiene del material de trabajo, y se toman los datos de los envases desechable, porque es el material para el cual esta destinado este trabajo, principalmente el PET. Factores de diseño:

1) Temperatura de fusión: 270 ° C (ver anexo 5A) 2) Resistencia al choque (método charpy):Γ= 14 KJ/m2 (ver anexo 5A)[24]

5.2 Proceso de diseño para la maquina de reciclado Es necesario partir del inicio del proceso de reciclado, y se empieza con la trituración del material, donde se utiliza el valor de la resistencia al corte del PET, con el propósito de hacer el cálculo a la resistencia al choque de las cuchillas. Por otro lado, se obtiene la potencia del motor eléctrico, para triturar el material, el tipo de banda y las poleas, que se deben utilizar. Una vez, que se obtiene estos valores, se procede a calcular la dimensión y tipo de material del extrusor. Para esto se considera el volumen, que ocupa el material triturado, y la velocidad angular, que debe tener. Obteniendo esto, se establece la potencia del motor y el tipo de variador de frecuencia. Posteriormente se hace el cálculo de resistencia a la tensión para el husillo, poleas y banda de transmisión. Por último, para lo cámara de fundición, se considera la temperatura de fusión del PET para seleccionar las resistencias, que se utilizarán, y el material de la cámara, la cual transmite el calor al material de trabajo. Es importante mencionar que se utilizara termostatos para controlar la temperatura máxima de las resistencias. Derivado de todos estos resultados, se seleccionara todos los instrumentos de medición y control del sistema. Para finalizar se hará esquemas de las piezas y del conjunto en general.

73

5.3 CALCULO DEL SISTEMA DE TRITURACIÓN El sistema de trituración consta de cuchillas fijas y cuchillas móviles en las cuales cae por gravedad el material de trabajo. Las cuchillas móviles son movidas por una polea a cierta velocidad angular, como se muestra en la figura 52.

Figura 52. Cuchillas trituradoras. Se considera, que las cuchillas trabajan como se muestra en el siguiente esquema:

Figura 53. Tipo de carga aplicada a las cuchillas Una viga en voladizo o ménsula: empotrada de un lado y libre del otro, con una carga distribuida, la cual no se considera en un solo punto, sino que está repartida a lo largo de la viga o una parte de esta. [13] En el esquema se considera que: (W) Es la resistencia al corte del plástico PET. (B) Es la base de sujeción de las cuchillas. (C) Representa la cuchilla de corte. (L) Longitud de la cuchilla.

CUCHILLAS MOVILES

CUCHILLAS FIJASPOLEA

FLECHA

W

B

C

75

5.3.1 Diagrama unifilar:

Figura 54. Análisis de momento y fuerza cortante

5.3.2 Desarrollo de formulas: Sección: 0 < X ≤ L

Figura 55. Análisis de momento y fuerza cortante

A

A¨

W

WL

0 L

+

-V

+

-M

WL

WL2

2

0

0

VWL

M

WL2

2

76

Suma de fuerzas en el eje vertical: Fuerzas hacia arriba en el eje y positivas:

0=−− VWXWL ……..1 Despejando V en 1:

WXWLV −= …………2 Suma de momentos a la derecha positivos:

022

2

=−+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+ WLXMXWXWL …………3

Despejando M en 3:

WLXWXWLM +−−=22

22

………………..4

Evaluando los casos X= 0 y X= L en 2 y 4, se tiene los valores máximos de cortante y momento: …………. …………

∑ = 0Fy⊕

⊕ ∑ = 0M

2

0

2WLM

WLV

X

=

=

=

0

0

=

=

=

M

V

LX

Ecuación 6

Ecuación 5

77

5.3.3 Conversión de la resistencia al choque a N-m.:

AP

=Γ ……………………….7

Sustituyendo el valor de la resistencia al choque en 7:

2214Mp

MKJ

=

Despejando P:

2214 M

MKJP ×=

Cancelando unidades:

KJP 14= Fuerza que actúa como carga aplicada a la cuchilla Convertir KJ a Kgf/m: Se tiene que:

JxfXkgfJmkgf31014

8066.91←•

→•………………………….8

Despejando:

JJXkgfmXX

8066.910141 3

=

mKgfX ⋅= 60.1427

Haciendo otra conversión de kgfm a N-m, para trabajar con el Sistema Internacional [14], se tiene:

mXNmkgfmNmKgf⋅→⋅⋅→⋅

60.14278066.91

………………......9

78

Despejando:

mKgfmNKgfXX

⋅−

=1

8066.960.1427

mNX ⋅= 902.999,13

mNWC ⋅= 902.999,13 Fuerza aplicada a la cuchilla en unidades del Sistema Internacional.

Considerando la fuerza aplicada en la cuchilla en la cual se propone una longitud de 0.20 m., para cada una de ellas. Sustituyendo la longitud propuesta y la fuerza en N-m aplicada ala cuchilla para obtener el momento máximo de la cuchilla. Se tiene para la ecuación 6:

( )2

2.0902.999,13 2

max =cM …………………..6

mNM c ⋅= 99.279max Momento máximo que debe soportar la cuchilla con los parámetros

establecidos. 5.3.4 Cálculo de las dimensiones de la cuchilla Por la aplicación de trabajo de las cuchillas se necesita un material con características adecuadas para la aplicación, por lo que, se escoge el material Tugsteno T-1, para el Diseño. Por lo tanto, el Tugsteno T-1, tiene una Dureza Brinell máxima para barras recocidas de 262 [15]. Convirtiendo la dureza en su equivalente de resistencia a la tracción [16]. Se tiene que es: 880 MPa. (ver anexo 5B ). Se considera una sección transversal rectangular de la cuchilla (figura 56), donde se establece de la siguiente manera: Condición 1: Altura = h = h Anchura = b = 3h

Figura 56. Sección transversal de la cuchilla.

79

La formula para la resistencia es [13]:

10.............................................I

My=Γ

El momento de inercia para la sección rectalgular:

11............................................21 3bhI =

Se sustituye la condición 1 en 11:

( ) 3321 bbI =

4

41 bI = …………………………….12

Se hace la conversión para la resistencia a la tracción a kgfm: Donde:

2

2

880

1972.101

cmkgfXMPa

cmkgfMPa

→

→……………………………13

despejando x:

MPAcmkgfMPaX

X1

1972.10880 2=

25.8973cmkgfX = Resistencia a la tracción.

Convirtiendo el momento máximo flector a kgf.m: Donde:

mkgfmNmXkgfmN⋅→⋅⋅→⋅

10197.0199.279

despejando x:

mNmkgfmXoNX

⋅⋅⋅

=1

10197.98.279

80

mkgfX ⋅= 54.28

Mcmax.= .2854 cmkgfX ⋅= Momento flector máximo. Sustituyendo valores en 10:

4

41

28545.8973b

Xb=

Despejando b:

5.897325.028543

Xb =

3

375.22432854

=b

3 272.1=b

cmb 083.1= Anchura de la cuchilla 5.3.5 Dimensión de la cuchilla Considerando la condición 1 de dimensión: b = 3h

3083.1

=h

cmh 33.0= Altura de la cuchilla

Figura 57. Dimensiones de la cuchilla.

81

5.3.6 Calculo para el motor eléctrico 1: Tomando en cuenta que el espesor del material a triturar, tiene 0.1 mm a 0.5 promedio. Se prosigue con lo siguiente: Convirtiendo a milímetros el valor de Momento máximo:

mmN ⋅= 999.131000

902.999,13 Valor de momento máximo de N por mm.

Obteniendo el momento flector para la longitud anteriormente establecida de 0.20 m. de la cuchilla.

( )( ) mmNM ⋅= 980.2792

200902.999.13 2

……………………15

Como son cuatro cuchillas, se tiene:

mmNXMT ⋅== 92.11194980.279 Momento máximo de torsión cuando las cuchillas corten el material en condiciones optimas. Este valor sirve para calcular la potencia del motor. Mediante la formula relacion de Hp con Par de torsión [17]:

16............................................5250

MXRPMHP =

Sustituyendo:

5250180092.1119 XHP =

3826.0=HP

Por holgura se escoge un motor de capacidad del motor eléctrico para el giro de las cuchillas de: 1 HP

82

5.4 METODO DE ANALISIS Y CÁLCULO PARA EL TORNILLO SIN FIN.

De a cuerdo al tipo de trabajo que debe desempeñar el extrusor, se considera un tornillo sin fin de rosca cuadrada [18]. Es un tornillo de potencia, que se utiliza comúnmente para cambiar el movimiento angular en movimiento lineal y, por lo general para transmitir potencia, como es el caso. [19] . Esquema Rosca Cuadrada:

Figura 58. Nomenclatura Rosca cuadrada.

Donde: P = Paso dr =Diámetro menor dp = Diámetro medio de = Diámetro mayor N = Numero de cuerdas por pulgada. Sentido de giro visto de frente: levógiro [19].

P/2

P/2

P

drdp

dc

83

5.4.1 Obtención de dimensiones del tornillo sin fin Las dimensiones óptimas para el husillo (tornillo sin fin) en el extrusor son (ver anexo 5): Relación 1: L / D: 24 : 1 a 32 : 1 [20] Estableciendo una longitud para el husillo de 180 cm. ( in71≈ ) y, tomando la relación 1, se tiene lo siguiente: Diámetro exterior del husillo:

)3(2.725

180 incmDh ≈== = de………………………….17

Donde se toma el valor mínimo de relación de 25, para obtener el diámetro externo del husillo. Por lo que se establecen las siguientes dimensiones: Longitud del husillo = 180 cm. ( in71≈ ) Diámetro del husillo = incm 3(2.7 ≈ De la tabla 8-2 (ver anexo 5 D). Para una serie Basta – UNC UNC = Rosca unificada serie grossa [19] (ver anexo 5 E). Se escoge una designación de tamaño siguiendo el patrón de 3 in: N = 0.5 P = 2 in. P/2= 1 in. 5.4.1.1 Calculando el diámetro medio [ 21] (ver anexo 5F):

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

Ndp 649519.0de ………………………………18

Sustituyendo:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

5.0649519.03dp

( )cmindp 3.4700962.1= Diámetro medio del husillo.

84

5.4.1.2 Calculando el diámetro menor:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

Ndr 299038.1de ………………………………..19

Sustituyendo valorres:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

5.0299038.13dr

( )cmindr 27.15.0= Diámetro menor

5.4.1.3 Calculando el área de tensión (ver anexo 5F):

2

24⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=drdpAt π ……………………………………20

Sustituyendo valores:

2

213.47854.0 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

=At

25.5 cmAt = Área sometida a tracción.

5.4.2 Esfuerzo de torsión:

AtF

t =Γ ........................................................................21

Donde: T = F x r = par de torsion …………………………..22 Considerando el par torsional total del motor seleccionado “a” (ver anexo 5G), sin pérdida de potencia por la banda al husillo, tenemos: T = 14.4 kgm

Despejando F de 22:

85

rTF = ………………………………………………..23

donde: r = radio de palanca del husillo

minder 038.05.123

2==== ……………………….24

Sustituyendo T y r en 23:

mkgmF

038.04.14

=

kgfF 94.378= Fuerza aplicada al husillo.

Sustituyendo valores en 21: Se tiene:

2/70.685.594.378 cmkgt ==Γ Resistencia a la tensión.

Tomando un acero 1018 para el husillo el cual tiene una resistencia a la tensión de 4499.84 kg/cm2[22] (ver anexo 5H). Por lo que el material esta sobrado aproximadamente un 65% para la aplicación.

5.5 SELECCIÓN DE LA BANDA DE TRANSMISION Partiendo del siguiente esquema [23]:

Figura 59. Arreglo de polea del husillo con el motor eléctrico.

D

d

A

CPolea mayor

Polea menor

motorHusillo

86

Nomenclatura: D = Diámetro de paso de la polea mayor. d = Diámetro de paso de la polea menor. C = Distancia entre centros. A = Arco de contacto

5.5.1 Método simplificado para la selección [23] 5.5.1.2 1er Paso: Determinar la potencia de diseño, aplicando los factores de servicio de la tabla 1 (anexo 5 manual pag. 99) a la potencia nominal. Factor seleccionado: 1.6 Para trituradores rotatorios.

744*HPw = ……………… donde se propone: w = 1kw despejando y sustituyendo en ecuación de w a HP:

HPHP 5.13.1744

1000≈==

5.5.1.3 2º Paso: Calcular la relación de velocidad.

enorVelocidadmayorVelocidadmlocidadlaciondeve =Re

De la tabla 3 para motores (ver anexo 5 pag. 219) Se toma el motor (a), donde: rpm = 750 velocidad mayor. Estableciendo una velocidad menor de 375 rpm Se sustituyen las velocidades en la formula de relación de velocidad

87

2375750Re ==locidadlaciondeve

5.5.1.4 3er Paso: Seleccionar la sección de banda adecuada De la Tabla 2 (anexo 5), entrando con la potencia y velocidad del motor en rpm de los puntos anteriores: HP = 1.5 Rpm = 750 Se obtiene una sección de banda “A” 5.5.1.5 4to. Paso: Determinar el diámetro de paso de la polea menor de acuerdo con los datos de la tabla 3 (ver anexo 5) Diámetro de paso de la polea menor = 3 in. 5.5.1.6 5to. Paso: Determinar el diámetro de paso de la polea mayor. Multiplicar el diámetro de la polea menor por la relación de velocidad.

in62*3 = Diámetro de la polea mayor = 6 in. 5.5.1.7 6 to. Paso: Seleccionar la distancia entre centros de las flechas (motriz e impulsada), para determinar la longitud de banda de acuerdo con la siguiente formula: Longitud de paso de la banda:

LPB= ( ) ( )CdDdDC

457.12

2−+++ ………………………….25

88

Donde: C = Distancia entre centros en pulg. =15 D = Diámetro de paso de la polea mayor en pulgadas = 6 d = Diámetro de paso de la polea menor en pulgadas = 3 Sustituyendo valores en la formula de longitud de paso de la banda.

( ) ( ) ( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −+++=

15*4363657.1152

2

LPB

15.013.1430 ++=LPB

inLPB 2.44= Longitud de la banda en pulgadas. 5.6 CALCULO DE LA CORRIENTE TOTAL CONSUMIDA POR EL SISTEMA. Resistencias eléctricas. Se consideran 10 resistencias con las siguientes características: Potencia = 500 Watts Voltaje de trabajo = 220 V.C.A. Se procede a calcular la corriente para una resistencia: Ecuación de potencia eléctrica

26.............................IxVW = Despejando en 26 para I:

nciarlaresisteonsimidapocorrientecampVWI 27........................272.2

220500

===

89

Multiplicando la corriente por el total de las resistencias: 2.272 amp. X 10 resistencias = 22.72 Amperes totales. Como la conexión es en paralelo el conductor empleado se escoge de la tabla del anexo 5I Calibre del cable: 10 AWG Para obtener la resistencia en 0hms:

OhmsIER 83.96

272.2220

=== …………………..28

ohmsohmsasXresistenci 3.96883.9610 =

La corriente consumida de los dos motores se saca de la tabla del anexo 5G1 Motor 1: HP = 1 RPM = 1800 Amperaje a plena carga = 12 amperes Motor 2: HP = 1.5 RPM = 900 Amperaje a plena carga = 14 amperes Suma de corrientes de los elementos: 22.72 + 12 + 14 = 48.72 amperes totales del sistema .

90

5.7 ANALISIS ECONOMICO

Tabla de costo unitario de los componentes

No. DESCRIPCION DEL CONCEPTO UNIDAD CANTIDAD COSTO $

UNITARIO COSTO $ TOTAL

1 Gabinete de tablero de control Pza. 1 500 5002 Interruptor de paso Pza. 1 600 6003 Volmetro selector Pza. 1 1500 15004 Amperímetro selector Pza. 1 600 6005 Botón paro Pza. 1 150 1506 Botón selector Pza. 3 100 3007 Potenciometro Pza. 1 200 2008 Termómetro con pirómetro Pza. 1 800 8009 Medidor de presión Pza. 1 600 60010 Sensor de presión Pza. 1 60 6011 Mini interruptor Pza. 6 100 60012 Contactor auxiliar Pza. 2 40 80013 Variador de frecuencia Pza. 1 5000 500014 Motor eléctrico Pza. 2 2000 400015 Polea Pza. 4 80 32016 Banda Pza. 2 120 24017 Cuchilla Pza. 4 600 240018 Tornillo sin fin Pza. 1 2000 200019 Resistencia Pza. 4 500 200020 Chumacera Pza. 2 200 40021 Cámara de fundición Pza. 1 1500 150022 Tolva de alimentación Pza. 1 600 60023 Estructura de fijación Pza. 1 3000 300024 Misceláneos N/A N/A 1500 1500

TOTAL $29,120.00 Costo de mano de obra 25% de costo total = $7,280.00 Costo indirecto de 12% de costo total = $3495.00 Costo total unitario de la máquina recicladota: Costo total + mano de obra + costo directo = $39,895.00

$39,895.00 < $40,000.00 Se cumple con el requerimiento del costo de la máquina.

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REFERENCIA BIBLIOGRAFICA CAPÍTULO IV. [13] www.gerundense.com/caracte.html. [14 ] García Díaz Rafael, Manual de Formulas de Ingeniería, Editorial Limusa, 2da. Edición, 1996. [15] Termodinamica, Virgil Moring Faires, Editorial Limusa, 1997 Cuarta ediciòn. Pag. 545 [16 ] Diseño de maquinaria, Robert L Norton, Mc Graw Hill Pag. 752 [17 ]Diseño de Ingenieria Mecanica, Joseph e. shingley, Charles R. Mischke, Sexta ediciòn, Mc Graw Hill, 2002, Mexico.(soldadura, tornillo sin fin [18 ] El libro practico de los generadores, transformadores y motores electricos, Enriquez Harper, Edit. Limusa, 2000.

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CONCLUSION Y RECOMENDACIONES

Con la elaboración de este trabajo se obtuvo el Diseño de una Maquina recicladora de plástico PET, sustentado en satisfacer las necesidades del cliente. Entre los principales se encuentran:

1. Las personas afectadas por los termoplásticos principalmente el PET. 2. Organismos Gubernamentales (Servicios Urbanos). 3. Organismos que protegen el Medio ambiente (SEMARNAF). 4. La naturaleza.

Estas necesidades se expresan en grandes rasgos en la minimización de los desechos plásticos a un bajo costo. En el desarrollo se tomo mucha atención en identificar la necesidad, por lo que se aplico la metodología del QFD., mediante el cual se obtuvo una descripción de los requerimientos en términos mensurables para realizar el Diseño detallado. En el Diseño detallado se llevo acabo el calculo de las cuchillas de corte, en el cual se obtuvieron las dimensiones y el material de las cuchillas (Tugsteno). Para el proceso de transportación del material, se considero un tornillo sin fin, donde se establece sus dimensiones, así como, la capacidad de las resistencias eléctricas. El proceso de trabajo de la maquina se divide en tres principales pasos:

1. Trituración mediante cuchillas giratorias 2. Transportación del material triturado por un tornillo sin fin actuando como husillo. 3. Condición del material con resistencias eléctricas en el recorrido de transportación.

Con lo que se puede concluir que se cumplió con el objetivo de diseñar una maquina recicladora de plástico, empleando los conocimientos de Ingeniería para contribuir a la minimización de los desechos plásticos en las zonas urbanas a un bajo costo. El Diseño abarca hasta la fundición del material, por lo que, el laminado o moldeo de el material fundido a la salida de la maquina se deja para trabajos futuros.

XIII