1. JUAN DAVID MONGU ROJAS DIEGO ALEJANDRO TABARES GMEZ JAIR ALEXANDERTORRES DELGADO Bogot D.C., junio de 2010 Departamento de Ingeniera Mecnica y Mecatrnica Lnea de Investigacin, Innovacin y Desarrollo Tecnolgico XXVI MUESTRA DE MQUINAS Y PROTOTIPOS DISPOSITIVO PILOTO PARA LA EXTRACCIN DE JUGO DE NARANJA

2. ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIN ANTECEDENTES A travs del tiempo se han propuesto desarrollos tecnolgicos tendientes a la automatizacin del procedimiento para evitar as la intervencin humana continuada a travs del proceso. Estos proyectos provienen de la academia y de la industria especializada. En la Universidad Nacional de Colombia se han desarrollado prototipos con este fin, la Mquina peladora exprimidora de naranja zumo, desarrolla una posible solucin al sistema de aprovechamiento de productos de la naranja en la zona de la Alpujarra (Tolima) (Cufino Marin y Mateus Silva 1996) Desde la Universidad se desarroll otra solucin a la problemtica propuesta anteriormente, La mquina peladora y exprimidora de naranjas(Chubash Pea 1995) FINANCIACIN La financiacin completa del desarrollo del dispositivo corre por cuenta del grupo de diseo dadas las condiciones de mercado que limitan la inversin a maquinas desarrolladas y no a investigacin de modelos desde la academia. 3. ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIN VALOR DEL DESARROLLO DEL PROYECTO Inicialmente el proyecto se valora segn su aporte social como muy alto por la influencia en la calidad de vida de los operarios finales y desde luego en la calidad del jugo extrado finalmente. El proyecto se estima inicialmente en $1.450.000, valor que cubre los costos de markenting, diseo, manufactura, ensamble y validacin del prototipo. Sin embargo este valor ser modificado segn los materiales y proceso de manufactura implementados dada su naturaleza de proyecto de desarrollo y no de uso final. El costo inicial se desglosa de la siguiente manera: Marketing $250.000 Diseo $300.000 Manufactura $700.000 Validacin del prototipo $200.000 4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE DISEO El problema principal de diseo es la intervencin constante y manifiesta del operario durante el proceso de extraccin con una afectacin clara de su salud y una calidad disminuida del producto final. Sin embargo, el no aprovechamiento de la materia prima se convierte en el otro problema a abarcar, las prcticas no adecuadas de extraccin hacen del procedimiento tradicional un foco de poca eficiencia que es atacado por el grupo de diseo. 5. REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE En vista del mercado en potencia que significan lo pequeos y medianos productores de jugo de naranja, se establecieron metas que indicaran con mayor claridad que factores limitaban la produccin y servicio ptimo. Los criterios ms importantes y caractersticas funcionales que debe proporcionar la solucin diseada deben ser: Disminuir la intervencin humana Minimizar el tiempo de produccin por vaso de jugo de naranja Usar de 3 a 4 naranjas por cada vaso de jugo Conseguir un precio accesible 6. ANLISIS DE LA COMPETENCIA (BENCHMARKING) Se encuentran varias empresas que tienen como propsito comn el desarrollo tecnolgico de la extraccin de jugo, es as como estas empresas muestran diversos artefactos y mquinas con los que quieren conseguir la extraccin de jugo a un bajo costo y altas velocidades. Como principales empresas que se dedican a la produccin de mquinas se encuentran: Zumex, Zummo, Zumoval y JuiceMachine; aunque, hay ms empresas dedicadas a dicha produccin, pero el hecho de importarlas desde Estados Unidos, Europa y Brasil, genera un alto costo en la adquisicin de las mismas. Desde este punto de vista, el grupo de diseo pretende un desarrollo de bajo costo fundamentalmente por las facilidades de mercado que podran adquirirse al constituirse como una industria nacional. 7. ESPECIFICACIONES DE INGENIERA (QFD) El despliegue de la funcin de calidad a partir de los requerimientos generados directamente mediante el mtodo de encuesta, de la inferencia de informacin de la misma fuente y de los criterios de diseo propuestos por el grupo, determinan junto con variables de ingeniera apropiadas la caractersticas del producto que se pretende presentar al mercado. Por otra parte permite comparar las especificaciones del diseo propuesto con las que ofrecen los mtodos existentes en el mercado cualquiera sea su naturaleza (dispositivos manuales, automticos o semiautomticos). Este mtodo garantiza la identificacin de fortalezas de diseo del prototipo a proponer. 8. ESPECIFICACIONES DE INGENIERA (QFD) Se establecen entonces parmetro de ingeniera apropiados: Peso completo (kg) Potencia del motor (hp) Resistencia a la corrosin (% en peso/mes) Dimensiones de la mquina (m3) Nmero de piezas en contacto con la naranja Nmero de piezas de transmisin Litros de jugo por minuto (lt/min) Naranjas usadas en un minuto No.de controles para funcionamiento Ruido de la mquina (dB) Resistencia a la fatiga (No. De ciclos) No de piezas nicas Tamao naranjas (m3) Capacidad de carga (No. De naranjas) Grado de postprocesamiento Consumo de energa (W) Resistencia mecnica de la naranja (Mpa) 9. FUNCIONES: DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIN FUNCIONAL Producir jugo de naranja Almacenar naranjas Facilitar colocacin de naranjas Permitir uso con una postura adecuada Buscar comodidad de uso Soportar Peso de las naranjas Soportar elementos propios Resistir sobrecargas Permitir paso de la naranja para corte Propiciar movimiento de naranjas Guiar naranjas Evitar bloqueo por apiamiento 10. FUNCIONES: DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIN FUNCIONAL Producir jugo de naranja Cortar las naranja Posicionar la naranja Aprovechar movimiento previo Ubicar la naranja adecuadamente Contener la naranja Detener movimiento Aplicar fuerza Partir la naranja Guiar el corte Aplicar fuerza de corte 11. FUNCIONES: DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIN FUNCIONAL Producir jugo de naranja Extraer el jugo de la naranja Posicionar las secciones de naranja Aprovechar movimiento previo Ubicar las secciones adecuadamente Exprimir las secciones de naranja Aprovechar al mximo la pulpa Aplicar presin adecuadamente Aplicar Torsin adecuadamente Contener jugo salpicado Dirigir jugo 12. FUNCIONES: DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIN FUNCIONAL Producir jugo de naranja Separacin de residuos orgnicos Separar cscaras Aprovechar movimiento previo Dirigir las cscaras Retirar cscara del proceso Separar semillas Filtrar semillas Dirigir semillas Retirar semillas del proceso 13. FUNCIONES: DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIN FUNCIONAL Producir jugo de naranja Disponer el jugo en recipiente Orientar jugo a recipiente Facilitar retiro del jugo por el operario Permitir uso con una postura adecuada Buscar comodidad de uso 14. GENERACIN DE CONCEPTOS: VALORACIN DE LAS ALTERNATIVAS DE SOLUCIN GENERADAS Mediante la claridad que ofreci la construccin y obtencin del diagrama de descomposicin funcional, se llev a cabo un proceso de generacin de ideas inicial en forma de Brainstorm para cada grupo de funciones establecido. A partir de este ejercicio de generacin espontnea de ideas se busc dejar a un lado restricciones que en ocasiones solemos contraponernos y que pueden limitar las posibilidades de generacin de conceptos. Los conceptos, se generaron entorno a cada una de l as funciones establecidas anteriormente. As, se concibieron los siguientes. ALMACENAMIENTO Estructura de varilla inclinada con canal Tolva con guas triangulares desmontables Estructura con guas planas desmontables Estructura con tolva en tela 15. GENERACIN DE CONCEPTOS: VALORACIN DE LAS ALTERNATIVAS DE SOLUCIN GENERADAS CORTE Zumex doble disco Zumex mono disco Cuchilla en movimiento Mecanismo de garfio ALMACENAMIENTO Estructura de varilla inclinada con canal Tolva con guas triangulares desmontables Estructura con guas planas desmontables Estructura con tolva en tela EXTRACCIN Hembra macho rotacional desmontable Machos actuadores con copa giratoria Cuchilla semicircular rotacional con hembra traslacional. SEPARACIN DE RESIDUOS Placa gua Barrido con posicionamiento de nueva naranja Placa hembra que se inclina Tamiz horizontal Tamiz en tringulo Doble Tamiz Tamiz inclinado 16. GENERACIN DE CONCEPTOS: VALORACIN DE LAS ALTERNATIVAS DE SOLUCIN GENERADAS DISPOSICIN DEL PRODUCTO Tolva y vlvula Tolva sin vlvula ALMACENAMIENTO Estructura de varilla inclinada con canal Tolva con guas triangulares desmontables Estructura con guas planas desmontables Estructura con tolva en tela 17. PRESENTACIN DE LA ALTERNATIVA DE DISEO GLOBAL DOMINANTE Y JUSTIFICACIN La seleccin del concepto dominante se hizo a partir de criterios de decisin establecidos por el grupo de trabajo. Criterios que se definieron a partir de ponderaciones de los conceptos segn funcin previamente propuestos. As, se estableci una ponderacin alternativa de funciones. Los puntajes obtenidos se complementaban con la viabilidad de relacin entre conceptos. Esquema Califi- cacin Puntuacin Ponderada Esquema Califi- cacin Puntuacin Ponderada Esquema Califi- cacin Puntuacin Ponderada Esquema Califi- cacin Puntuacin Ponderada Esquema Califi- cacin Puntuacin Ponderada Esquema Califi- cacin Puntuacin Ponderada Estructurade varilla inclinadaconcanal 23 3,68 Tolvaconguas triangulares desmontables 18 2,88 tolvaconguiasplanas desmontables 24 3,84 Estructuracontolvaen tela 15 2,4 Zumex doble disco 29 6,67 Zumex monodisco 23 5,29 Cuchillaenmovimiento 16 3,68 Mecanismodoble garfio 16 3,68 Zumex hembrasmacho rotacional 24 6,96 Hembramachorotacional desmontable 26 7,54 Machosactuadoresa presionconcoparotatoria 16 4,64 Machosactuadoresa presionconcopafija 22 6,38 Hembramachorotacional concopagiratoria (diferencial) 12 3,48 Cuchillasemicircular giratoriaconhembra translacional (fresa) 17 4,93 PlacaGuia 26 2,6 barridocon posicionamientode la nuevanaranja 24 2,4 Placahembraque se inclina 16 1,6 0 Tamizhorizontal 22 1,98 Tamizenformade triangulo 16 1,44 Doble tamiz 13 1,17 Tamizinclinado 20 1,8 CONCEPTOS La alternativa seleccionada por el criterio anterior se evalu finalmente con los requerimientos del cliente, brindando as la importancia a la voz del cliente y tomando la ltima decisin segn su opinin. 18. GENERACIN Y EVALUACIN DEL PRODUCTO A este punto se han definido funciones primordiales y claramente diferenciadas, que permiten una divisin coherente de sistemas. Se establecen entonces relaciones entre cada uno de los sistemas propuestos para determinar correctamente la arquitectura del producto. As se establece el siguiente diagrama de relacin. 19. GENERACIN Y EVALUACIN DEL PRODUCTO El clculo de cada uno de los elementos de la mquina se hizo acorde a su importancia y se emplearon herramientas de ingeniera apropiadas para cada caso. El clculo ms importante de ingeniera en el dispositivo se hizo en cada uno de los ejes del dispositivo, se uso la herramienta MIT calc. La relevancia de esta pieza detuvo al grupo de diseo debido a su importancia y trascendencia. La modelacin y determinacin de geometras y ensambles se desarroll en el entorno de Solid Edge. 20. DESCRIPCIN DE LA MQUINA Conserva las propuestas y opiniones del cliente a seguir: -Geometra esbelta y alargada similar a una greca -Fcil alimentacin y capacidad de carga en la parte superior -Fcil recoleccin de residuos orgnicos en el tamiz y el recipiente para cscaras. -Apariencia agradable y atractiva para clientes potenciales -Fcil limpieza por diseo modular -.Aprovechamiento mximo de materia prima y uso ptimo de energa. 21. DESCRIPCIN DE LA MQUINA A continuacin se describe el uso de la mquina. -Se alimenta la mquina en la parte superior -Se acciona la mquina permitiendo el paso de las naranjas -El paso a travs de la cuchilla divide la naranja en 2 y posteriormente es exprimida -El mecanismo de separacin de cscaras y el tamiz separan los residuos slidos del producto final. -El jugo se dispone en el recipiente con el que cuente el operario. 22. APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEO El dispositivo responde a una necesidad social de empleo en condiciones favorables para los participantes, es decir, promueve un excelente desempeo del operario y sobretodo, da a este condiciones de trabajo que no repercutan en su salud y desempeo laboral posterior. La solucin resulta ser tambin econmicamente atractiva para pequeos y medianos productores que encuentren en la versatilidad y funcionalidad de la mquina una opcin rentable de inversin con recuperacin a corto plazo de capital. Finalmente, es tambin el consumidor de jugo de naranja quien se ver beneficiado pues el consumo de jugo de naranja ser ahora ms saludable, limpio y a un costo ms apropiado. 23. ANLISIS ECONMICO M a t e r ia pr ima M a n uf a c t ur a y/ o e n s a mbl e O bs e r v a c i n Mo t o r $ 474.000 $ 20.000 c o s t o s mo n t aj e el c t r ic o C o r r ea $ 40.000 Po l eas $ 40.000 C h umac er as $ 100.000 Un io n es $ 40.000 Hembr a $ 100.000 $ 120.000 Nyl o n 6 .6 Mac h o $ 120.000 $ 80.000 Nyl o n 6 .6 El ips e $ 30.000 $ 20.000 Nyl o n 6 .6 En g r an aj es $ 40.000 $ 140.000 Nyl o n 6 .6 s o po r t e c uc h il l a $ 20.000 Nyl o n 6 .6 Sis t ema al mac en amien t o $ 80.000 $ 90.000 Po l iac r l ic o C ubier t a $ 70.000 $ 25.000 Po l iac r l ic o C an ec a c s c ar as $ 25.000 $ 5.000 Po l iac r l ic o L min as es t r uc t ur a $ 440.000 $ 80.000 Ac er o in o xid abl e pl at af o r ma al imen t ac i n $ 40.000 $ 10.000 Ac er o in o xid abl e Ext r ac c i n c s c ar as $ 20.000 $ 10.000 Ac er o in o xid abl e Fil t r o $ 40.000 $ 50.000 Ac er o in o xid abl e C o r t e y en s ambl e per f il es es t r uc t ur al e s Per f il es $ 34.000 $ 10.000 A6 Ej e Mac h o $ 90.000 $ 60.000 Ac er o in o xid abl e 3 0 4 Ej e Hembr a $ 90.000 $ 60.000 Ac er o in o xid abl e 3 0 4 En s ambl e t o t al $ 200.000 Pl s t ic o s po r r emo c i n d e mat er ial Do bl ad o y en s ambl e l min a pl s t ic a C O S T O S D IS P O S IT IVO Mat er ial es r eq uer id o s en t r at amien t o d e al imen t o s c a t e g o r ia s P ie z a s y s ubc o n j un t o s Piezas es t an d r L min a met l ic a Met al es po r r emo c i n d e mat er ial C O S T O T O T AL c o s t o d e d is e o $ 1.165.200 $ 4.078.200 24. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES El dispositivo propuesto por el equipo de trabajo se configura como una solucin a pequeos y medianos productores que vean su productividad restringida por tiempo o capacidad y vean en el espacio o rentabilidad una limitante de inversin. El desarrollo de la mquina debe contar con un aporte de capital que logre cumplir con los requerimientos de materiales para conseguir mtodos de produccin adecuados. Los desarrollos posteriores deben incluir la optimizacin de uno o varios componentes o sistemas para garantizar la sincrona y eficiencia del dispositivo. Se debe caracterizar la cinemtica del dispositivo de tal manera que se garantice el proceso completo para obtener el jugo de naranja. Se debe mejorar la ergonoma y apariencia de la mquina para generar un mayor impacto de mercado, para mejorar las posibilidades de comercio del dispositivo. Sera ideal que el sistema fuera ajustable para exprimir otros ctricos mediante adaptacin de los sistemas de corte y extraccin. Factor complementario y atractivo para nuevos inversionistas. 25. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y HERRAMIENTAS DE INGENIERA EMPLEADAS Chubash Pea, Pazid. Peladora y exprimidora de naranjas. Bogot D.C.: Universidad Nacional de Colombia, 1995. Cufino Marin, Allan Rodolfo, and Juan Diego Mateus Silva. Mquina pelador exprimidora de naranja "zumo". Bogot D.C.: Universidad Nacional de Colombia, 1996. Juicemachine. Juice Machine. http://www.juicemachine.com.br/espanol/tecnologia.htm (accessed Marzo 5, 2010). Tcnicas, Instituto Colombiano de Normas. NTC 1268-3 Almacenamiento Naranjas. Bogot: ICONTEC, 1995. Tcnicas, Instituto Colombiano De Normas. NTC 4086 Naranja Valenciana. Bogota: ICONTEC, 1997. Tcnicas, Instituto Colombiano de Normas. NTC 5078 Terminologa concerniente al acero. Bogot: ICONTEC, 2002. Ullman, David G. Mechanical Design Procces. Mc Graw Hill, 1991. Ulrich, Karl T, and Steven D Eppinger. Diseo y desarrollo de productos. Enfoque multidisciplinario. Mexico D.F.: McGraw Hill, 2004. Zumex. Zumex. Abril 2010. http://www.zumex.com/home.asp?sel=1&idp=Colombia. Zummo. Zummo. Abril 2010. http://www.zummo.es/. Zumoval. Zumoval. Abril 2010. http://www.zumoval.com/. Solid Edge Working Model MIT calc 26. MUCHAS GRACIAS Juan David Mongu Rojas- jdmonguir@unal.edu.co Diego Alejandro Tabares Gmez databaresg@unal.edu.co Jair Alexander Torres Delgado jatorresde@unal.edu.co