Optimización del Mecanizado de un Moldeen Alumold 500 para Soplado de Envases

Integrantes

Juan Sebastián Echavarría RamosBrigith Vanessa García Lozano

Fabián Leonardo Guerrero RojasMaría Paula Mejía Laborde

Profesor

Ricardo Emiro Ramírez Heredia

Universidad Nacional de ColombiaBogotá D.C.

2015

Contenido

Tabla de Figuras...........................................................................................................................................................3

Listado de Tablas..........................................................................................................................................................3

Optimización del Mecanizado de un Molde en Alumold 500 para Soplado de Envases...............................................4

1. Resumen.........................................................................................................................................................4

2. Introducción....................................................................................................................................................4

3. Marco Teórico.................................................................................................................................................4

3.1. Moldes, características básicas..............................................................................................................4

3.2. Control Numérico computarizado (CNC)................................................................................................5

3.3. Mastercam.............................................................................................................................................5

3.4. Rugosidad...............................................................................................................................................6

3.5. Curvatura e inclinación en mecanizado..................................................................................................7

4. Objetivo general..............................................................................................................................................8

5. Hipótesis.........................................................................................................................................................8

6. Prefactibilidad y Presupuesto.........................................................................................................................8

7. Procedimiento de obtención de los requerimientos del cliente.....................................................................8

8. Estudio de la competencia y productos similares...........................................................................................9

9. Especificaciones de Ingeniería para el producto...........................................................................................10

9.1. Parámetros de optimización.................................................................................................................10

9.2. Limitaciones.........................................................................................................................................11

10. Resultados QFD........................................................................................................................................12

11. Conclusiones y recomendaciones.............................................................................................................12

11.1. Conclusiones........................................................................................................................................12

11.2. Recomendaciones y normas técnicas...................................................................................................12

Anexos.......................................................................................................................................................................13

1. Encuesta........................................................................................................................................................13

2. Despliegue de la función de calidad (QFD)....................................................................................................14

Bibliografía.................................................................................................................................................................15

Tabla de Figuras

Figura 1, Ejemplo de molde en Alumold (izquierda) y dureza frente a otros materiales (derecha).............................4Figura 2, Herramental del centro de mecanizado Leadwell V20 [Web].......................................................................5Figura 3, Forma de medir la rugosidad Ra en una superficie.......................................................................................6Figura 4, Relación entre proceso de fabricación y rugosidad Ra..................................................................................7Figura 5, Formato encuesta a estudiantes.................................................................................................................13

Listado de Tablas

Tabla 1, Clasificación de los valores de rugosida Ra.....................................................................................................6Tabla 2, Presupuesto proyecto....................................................................................................................................8Tabla 3, Requerimientos obtenidos en la encuesta.....................................................................................................8Tabla 4, Benchmarking.................................................................................................................................................9Tabla 5, Especificaciones de herramienta para mecanizado de Alumold 500 [Cia. General de Aceros S.A.]..............11Tabla 6, Características del centro de mecanizado, Leadwell V20.............................................................................11

Optimización del Mecanizado de un Moldeen Alumold 500 para Soplado de Envases

1. Resumen

Este trabajo desarrolla el modelado y optimización del maquinado de moldes en Alumold 500 para el soplado de envases, analizando por medio de diferentes herramientas organizacionales las características que permiten mejorar los tiempos muertos, el acabado, las velocidades de operación y otros parámetros que hacen que el proceso de manufactura sea óptimo.

2. Introducción

El moldeo por soplado es uno es una de las técnicas de generación de envases plásticos de mayor uso e importancia dentro de la industria actualmente debido a la facilidad para interactuar con el material usado teniendo en cuenta sus geometrías y futuros usos, su alta productividad, tiempo de fabricación muy bajos y una velocidad de enfriamiento alta comparada con otros procesos, así como la implementación con las distintas técnicas combinadas (extrusión-soplado, inyección-soplado). Desde sus inicios en el siglo XIX, el soplado ha experimentado números o cambios tanto en términos de material como tecnológicos. hoy en día esta tecnología realiza sus ajustes teniendo en cuenta la calidad y la demanda por los productos por tanto una forma de optimizar esto se basa en el mejoramiento de los moldes usados, teniendo en cuenta la rugosidad requerida (según estándares de calidad), tiempo de ensamble y desensamble, el tiempo de vida y el aumento de la resistencia según los esfuerzos que se presenten, es por ello que este proyecto pretende realizar un modelamiento y análisis de un tipo de molde para una botella determinada mediante una comparación entre un molde sin optimizar y uno con optimización usando las herramientas que brinda la universidad como es el centro de mecanizado Leadwell V20 y herramientas independientes como el programa CAM, Mastercam, y software de modelamiento CAD.

3. Marco Teórico

3.1. Moldes, características básicas

Un molde es la representación en negativo de un modelo, es decir es un conjunto de piezas interiormente huecas acopladas para lograr una nueva pieza, dependiendo de la técnica con la que se elabore sus características pueden variar, en este caso los moldes hechos mediante CNC deben seguir los parámetros de eficiencia y esto se logra comenzando por los sistemas CAD/CAM y el pos procesador, pasando por el centro de mecanizado usado hasta la herramienta de corte.

Figura 1, Ejemplo de molde en Alumold (izquierda) y dureza frente a otros materiales (derecha)

Las características básicas de los moldes creados mediante control numérico computarizado , no difieren mucho de otras técnicas , ya que por ejemplo deben ser de fácil desmolde, es decir que la pieza final no quede atrapada en el proceso, se debe tener precaución con las uniones o divisiones en el molde, su mantenimiento y limpieza debe ser fácil así como que se debe evitar que la sustancia a moldear se quede pegada, siendo necesario en algunos casos el uso de sustancias desmoldantes o antiadherentes

3.2. Control Numérico computarizado (CNC)

Usualmente hace referencia a los procesos de mecanizado que han sido automatizados de una u otra forma y que son operados mediante protocolos de programación en vez de mecanismos manuales externos. Las primeras máquinas de este tipo se diseñaron en la década de los 40’s pero no fue sino hasta finales de los 80’s cuando se emplearon mediante formas de electrónica digital, su forma de trabajo se basa en la localización mediante coordenadas (X, Y, Z) que se programa mediante un código manual o automático , el primero mediante razonamientos y cálculos que dependen del operario lo cual abre una brecha mucho mayor para el error , mientras que la segunda forma realiza la programación mediante formatos APT según la pieza a mecanizar que se traducen en lenguaje de maquina simultáneamente además de usar otros programas CAD/CAM

El herramental usado en este proceso es variado, ya que pueden realizarse procesos como taladrado, fresado, torneado, aserrado entre otros, así que las brocas regulables, brocas de insertos, brocas con refrigeración interna, portaherramientas, fresas de desbaste y acabado son algunas de las más importantes. A continuación se mostrará una tabla con las herramientas con las que cuenta el centro de mecanizado Leadwell V20 dispuesto en el laboratorio de Manufactura de la Universidad Nacional.

Figura 2, Herramental del centro de mecanizado Leadwell V20 [Web]

3.3. Mastercam

Este programa es el más usado dentro de los software de CAD/CAM para los procesos de manufactura con CNC, El programa ofrece la programación de fresadoras, centros de maquinado, tornos, un módulo especial para alabes, formas de corte como las electro erosionadoras de corte por alambre, cortadoras por láser, oxicorte, routers, y otros. También brinda una gama de módulos para aplicaciones especiales, los que incluyen módulos de modelado 3D con producción de dibujos 2D para la preparación de la geometría 3D antes del CAM. Dentro de las operaciones de fresado existen 3 niveles que depende de la especificidad de las piezas a maquinar , se encuentran: MasterCam Mill Level 1 , Level 2 , level 3 , Multitaxis y otros como Diseño -3D creación de geometría wireframe, ,Molino de Entrada, 5 ejes complemento, Torno Entrada , Torno, Nivel 1, Router Entrada -3D Router Plus, Router Pro, Alambre -2D y creación 3D, Arte diseño -Quick 3D, 2D. [2] http://www.3dcadportal.com/mastercam.html

3.4. Rugosidad

Es el conjunto de irregularidades que posee una superficie. La mayor o menor rugosidad de una superficie depende de su acabado superficial. Éste, permite definir la micro geometría de las superficies para hacerlas válidas para la función para la que hayan sido realizadas.

El aspecto de la superficie de una pieza depende, principalmente, del material con el cual se fabrica la pieza y de su proceso de conformado; El proceso de mecanizado, además de reducir la rugosidad inicial, introduce estrías en la superficie de la pieza, según la dirección en la cual se produce el arranque de material.

Para medir la rugosidad se emplea la medida de la rugosidad Ra, la cual consiste en tomar la media aritmética de las desviaciones de la curva del perfil con respecto a la línea media de la longitud básica, por lo tanto se calcula de la siguiente manera:

Figura 3, Forma de medir la rugosidad Ra en una superficie

Los valores de rugosidad Ra se clasifican en una serie de intervalos Nx (siendo x un número del 1 al 12) según se indica en la Tabla 1.

Tabla 1, Clasificación de los valores de rugosidad Ra.

Rugosidad Ra (µm) Clase de rugosidad50 N1225 N11

12,5 N106,3 N93,2 N81,6 N70,8 N60,4 N50,2 N40,1 N3

0,05 N20,025 N1

Las clases de rugosidad se pueden agrupar, según la apreciación visual o táctil, en los siguientes grados:

N1-N4: La superficie es especular. N5-N6: Las marcas de mecanizado no se aprecian ni con el tacto ni con la vista (pero si con lupa). N7-N8: Las marcas de mecanizado se aprecian con la vista pero no con el tacto. N9-N12: Las marcas de mecanizado se aprecian con la vista y con el tacto.

Las clases de rugosidad que se pueden obtener dependen del proceso de fabricación, de acuerdo a la Figura 4.

Figura 4, Relación entre proceso de fabricación y rugosidad Ra

3.5. Curvatura e inclinación en mecanizado

El análisis de curvatura es un procedimiento en el cual se realiza un estudio por computador del perfil de mecanizado que se realiza en el modelado, el objetivo es evidenciar los diferentes radios o curvaturas que se tienen a lo largo del mecanizado.

El procedimiento se basa en identificar por medio de colores las superficies de acuerdo al radio que tengan en esa sección del perfil como resultado de las operaciones, de esta manera se pueden evidenciar los puntos donde existen los radios máximos y mínimos, y así elegir adecuadamente la herramienta para tal operación y así no cometer errores en la fabricación.

Es importante resaltar que el buen análisis de este proceso ofrece una selección adecuada de la herramienta para realizar las operaciones, ya que si se tienen en cuenta los radios cóncavos estos son quienes determinan el radio máximo que puede tener la herramienta con la que se lleva a cabo el proceso., para el caso de los radios convexos no existe ninguna limitación en cuanto al tamaño de la fresa a usar.

Esta herramienta permite tener una interpretación clara del proceso de fresado a realizar, de tal manera que se puedan analizar las posibles dificultades que se pueden encontrar y así disminuirlas o eliminarlas.

El análisis del ángulo de inclinación, de igual manera que el análisis de curvatura es una herramienta usada por medio de computador que permite comprender mejor el perfil que se desea mecanizar, en este caso ofrece información respecto a los ángulos que forman las superficies con respecto a un plano de referencia (elegido por el usuario), de tal manera que podemos identificar si la superficie es horizontal, vertical o hallar su ángulo de inclinación.

De manera similar al procedimiento anterior arroja un valor de ángulo mínimo y máximo en la pieza. El objetivo de este proceso es poder evitar interferencias durante el proceso, ya que a partir de estos datos

podremos elegir la herramienta con la mejor geometría para realizar el mecanizado; de igual manera el análisis de los ángulos nos permite encontrar la mejor de las estrategias para el proceso.

4. Objetivo general

Optimizar el proceso mecanizado CNC de un molde de Alumold 500 para soplado de envases, mediante la utilización de técnicas de organización y contradicciones de ingeniería.

5. Hipótesis

Una de los principales objetivos del laboratorio de manufactura es generar soluciones a los problemas que se presentan en la industria. Uno de estos se refiere al mecanizado de moldes, del cual se hacen prácticas en el centro de mecanizado Leadwell V20. En este proceso se evidencian falencias que podrían ser corregidas y en conjunto generar una mejora en el mismo y en el producto final.

6. Prefactibilidad y Presupuesto

Teniendo en cuenta las condiciones de un proceso de mecanizado sin optimizar, y comparándolas con las referencias de estos mismos procesos a nivel industrial, cabe notar que hay una gran diferencia, la cual hace este un procedimiento poco competitivo. Es por ello que se decide generar ciertas modificaciones para alcanzar la meta.

El presupuesto estimado se muestra en la siguiente tabla:

Tabla 2, Presupuesto proyecto

Recurso Cantidad Valor unitario Valor total

Alumold 500 13.66 kg $25.100/kg $342.900

Recurso humano 32 días $200.000/día $6’400.000

TOTAL $6’743.000

7. Procedimiento de obtención de los requerimientos del cliente

Dentro de los clientes y usuarios potenciales se identificaron a los estudiantes, profesores y técnicos; de estos primeros se decidió focalizar en los programas curriculares de ingeniería mecánica y mecatrónica de últimos semestres, ya que son los estudiantes con mayor contacto con el laboratorio de manufactura. La encuesta aplicada se encuentra en el Anexo 1. Como resultado de esta encuesta se obtuvieron los datos incluidos en la Tabla 3.

Tabla 3, Requerimientos obtenidos en la encuesta

Requerimiento Est. 1 Est. 2 Est. 3 Est. 4 Est. 5 Téc. Prof Valor final

Acabado superficial 5 9 3 5 - 1 5 26%

Velocidad de avance - 1 - - 2 5 - 8%

Velocidad de corte 2 2 - 3 - - - 7%Adecuadas rpm - - - 2 2 4 - 8%Tiempo de proceso 4 - - - - - - 4%

Costo 1 - - - - - - 1%

Geometría del producto 3 - 5 - - - 4 11%

Extensión de la pieza - 3 - - - - - 3%

Máquina, herramienta y utillaje - - 1 4 3 3 3 13%Compatibilizar producto con el proceso - - - - 4 - 2 6%Modelado y simulación - - 4 - 1 - 1 6%

Material (dureza, dimensiones y rigidez) - - 2 - 5 2 - 8%

Como se puede observar, el requerimiento más importante para los encuestados es el acabado superficial con un 26%, seguido por el conjunto de la máquina, herramienta y utillaje con un 13%; el requerimiento menos valuado fue el costo con un 1%. Estos requerimientos serán la base para el desarrollo de la QFD.

8. Estudio de la competencia y productos similares

En la actualidad se buscan mejorar los diferentes procesos de manufactura que son ampliamente usados en las industrias, ya que de esta manera se amplía el margen de ganancias sin tener que invertir en recursos para tal fin; cada empresa es libre de escoger cómo realizar este procedimiento de mejoramiento, el cual, al final es una obligación para lograr ser competitiva con las industrias rivales.

En este caso, esta tendencia es aplicada al proceso de mecanizado de moldes ya que se busca mejorar el proceso, controlando mejor las variables dentro de este. Particularmente se desea trabajar con una mejora en el mecanizado del molde ya que optimizando este se podrán obtener mejores resultados/tiempos y por ende costos, en el proceso global.

Algunos de los principales actores del sector que emplean procesos similares se encuentran en la Tabla 4.

Tabla 4, Benchmarking

EMPRESA PRODUCTOS Y CARACTERÍSTICAS

IMOCOL S.A.S.

INMOCOL, es una empresa dedicada al diseño, fabricación y creación de modelos y moldes para la industria en general. Dentro de la industria esta empresa es reconocida por poseer una variedad en servicios y en productos entre los cuales se pueden mencionar:

- Placas y modelos en metal- Moldes para poliuretano y poliuretano Expandido- Moldes para plástico y fibra de vidrio- Moldes para termo formado y rotomoldeo- Servicios de programación en CNC y dibujo mecánico 3D

En la realización de moldes para plástico, la empresa emplea el método de mecanizado CNC o fundiciones especiales según los requerimientos del cliente además de usar Duraluminio prensado en la mayoría de casos y aceros especiales. Es importante destacar que para los servicios de programación en CNC INMOCOL usa el software MasterCam y formatos CAD mediante SOLID EDGE y AutoCAD.Algunos de sus principales clientes locales y nacionales son: Haceb, Nacional de Chocolates, Peldar, Zenú, Colbloques S.A, EPM, SENA e Industrias UMO entre otras

INREMOL LTDA

INREMOL es una empresa Colombiana creada hace 30 años, la cual comenzó a fabricar una gama de productos en mecanizado de piezas y fabricación de cauchos para distintos usos, actualmente sus líneas de producción se basan no solo en la parte de cauchos sino también en la metalmecánica con la realización de moldes para inyección, así como los mismos productos plásticos terminados. Algunos de sus principales productos y servicios son:

- Acometidas eléctricas (Cajas plásticas)- Recipientes Plásticos ( Vasos, envases, alcancías, Frisbees)- Moldes para Inyección y soplado, para vulcanizado- Cauchos pasteurizados

Contando con sus principales clientes: Bel-Star S.A, Yanbal, Gas Natural S.A, Ecopetrol, Gaseosas Colombianas, entre otrasNota: No se encontró mayor información acerca de los procesos usados para la creación de moldes.

AM PLASTICOSAM PLASTICOS es una empresa creada en 1994 la cual se dedica actualmente a la fabricación de moldes para soplado e inyección de plásticos, así como el mismo procedimiento, y la fabricación de troqueles, Para cada proceso la empresa procede a hacer un plano de la pieza a moldear, así como la realización de las líneas de partición, zona de entrada, lugar de los botadores y detalles del molde que facilitan su construcción. y con ello estimar el tipo de máquina, sus materiales el diseño y el Control numérico computarizado necesario .Dentro de sus productos manejan una línea para mascotas, mediante productos basados en materiales como Polipropileno, polietileno de alta y baja densidad, policarbonato, PVC, Acrílico y Nylon.

9. Especificaciones de Ingeniería para el producto

9.1. Parámetros de optimización

Los parámetros del mecanizado a tratar son los siguientes:

Revoluciones del husillo Análisis de la inclinación de las superficies del producto Análisis de la curvatura de las superficies del producto Dimensión del sobre material Desplazamientos rápidos (sin remoción de material) Selección de estrategia de mecanizado Entrada y salida de herramienta Variabilidad de la velocidad de corte Material de las herramientas Morfología de las herramientas Paso vertical del mecanizado Paso horizontal del mecanizado Estrategia de corte (concordancia)

9.2. Limitaciones

Herramienta usada/velocidadesSabiendo que el material usado será Alumold 500 se deben tener ciertas precauciones, teniendo en cuenta el proceso de mecanizado que se tendrá, algunas de las recomendaciones que los proveedores hacen son los siguientes:

Tabla 5, Especificaciones de herramienta para mecanizado de Alumold 500 [Cía. General de Aceros S.A.]

Mecanizado

OperaciónHerramienta de acero rápido Herramienta de carburo

Desbaste Acabado Desbaste AcabadoTorneado

Velocidad de corte (m/min) 300 a 600 ≥1000 ≥1000 ≥1000Velocidad de avance (mm/rev) 0.2 a 0.6 0.05 a 0.2 0.3 a 0.6 0.02 a 0.2Profundidad de corte (mm) 3 a 15 0.3 a 3 3 a 15 0.3 a 3

FresadoVelocidad de corte (m/min) 300 a 600 ≥1000 ≥1000 ≥1000Velocidad de avance (mm/diente) 0.1 a 0.3 0.03 a 0.1 0.1 a 0.3 0.03 a 0.1Profundidad de corte (mm) - ≤ 0.5 - ≤ 0.5

TaladradoAngulo de corte (°) 120 - 140 120 - 140Angulo de incidencia (°) 8 a 9 8 a 9Velocidad de corte (m/min) 30 a 80 50 a 100Velocidad de avance (mm/rev) 0.02 a 0.5 0.02 a 0.5

Geometría del material en brutoEsta limitación nace de las restricciones de la máquina a usar en el mecanizado; esta máquina será el centro de mecanizado Leadwell V20 y posee la configuración mostrada en la Tabla 6.

Tabla 6, Características del centro de mecanizado, Leadwell V20

Característica Medida UnidadCapacidad

Recorrido eje X 510 MilímetrosRecorrido eje Y 350 MilímetrosRecorrido eje Z 400 MilímetrosDistancia desde el husillo a la mesa (mín. - máx.) 115-630 MilímetrosDistancia desde el husillo a la columna 420 Milímetros

MesaMedida 600x350 MilímetrosTamaño de la ranura 11/16 PulgadasMáximo peso de carga 200 Kilos

HusilloVelocidad máxima 8000 RPMTamaño BT40 ISO 7388/1 - 1983 (Norma)

Velocidad de avanceAvance en rápido X, Y / Z 24000/2000

0mm/min

Máximo avance en corte 10000 mm/min

Por tanto el molde a mecanizar no debe superar los recorridos en los 3 ejes, ni tampoco las medidas en la base de soporte o mesa.

10.Resultados QFD

Como se puede ver en la casa de la calidad las relaciones que tienen una mayor correlación positiva indicada mediante “++” son aquellos que dependen directamente con la selección de estrategias de mecanizado ya que estas hacen variar todo el proceso con pequeños cambios así como las estrategias de corte que se planean usar y el material de las herramientas

Otro de los resultados relevantes son las correlaciones negativas y fuertemente negativas en donde está la relación entre la inclinación de las superficies del producto y el paso horizontal y vertical, tanto como con los desplazamientos rápidos sin remoción de material, ya que son independientes uno del otro. Las relaciones con mayor negatividad dentro de la casa de calidad son la velocidad de corte y el paso vertical del mecanizado, y este último con la inclinación de las superficies del producto.

11.Conclusiones y recomendaciones

11.1. Conclusiones

11.2. Recomendaciones y normas técnicas

El molde debe soportar presiones moderadas (0,5 MPa).

La geometría del molde debe permitir un fácil desmoldeo, ya que es necesario poder realizar una rápida expulsión de las piezas.

NTC 4773: Botellas plásticas PET no retornables para bebidas gaseosas

NTC 448: Envases de vidrio, terminados

NTC4857: Botellas plásticas PET retornables para bebidas gaseosas

NTC 1848: Rugosidad, Requisitos Metrológicos y técnicos generalidades

NTC 2740:1996, Industrias alimentarias. Bebidas no alcohólicas. Bebidas gaseosas.

NTC-ISO 2859-2:1994, Procedimientos de muestreo para inspección por atributos. Parte 3. Procedimientos de muestreo intermitentes.

NTC-ISO 3951:1995, Procedimientos de muestreo y gráficos de inspección por variables para porcentaje no conforme.

Anexos

1. Encuesta

Figura 5, Formato encuesta a estudiantes

2. Despliegue de la función de calidad (QFD)

Bibliografía

Historia del soplado, en línea: http://biblioteca.sena.edu.co/exlibris/aleph/u21_1/alephe/www_f_spa/icon/45896/Informador62/8/historia.html.

Normas de materiales para la fabricación de moldes, dados y cabezales, en línea: https://prezi.com/l2sjtw-miype/normas-de-materiales-para-la-fabricacion-de-moldes-dados-y/

NTC 5511 - Envases plásticos uso general, en línea: http://tienda.icontec.org/brief/NTC5511.pdf

Moldeo por soplado, en línea: http://www.mater.upm.es/polimeros/Documentos/Cap6_7Soplado.pdf

Tecnologías de Moldes de Tapas y Tapa Roscas, en línea: http://www.plastico.com/documenta/contenido/103148/Tecnologias-de-Tapas-y-Tapa-Roscas-QR_Espanol-1.pdf

Herramental Leadwell V20 Universidad Nacional de Colombia http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/mecatronica/docs_curso/Anexos/TUTORIALcnc/DOCUMENTOS/TEORIA/CAD-CAM%20INTRODUCCION%20UPIISA.pdf