DISEÑO DE MAQUINA PRENSADORA

DISEÑO DE MAQUINA PRENSADORA DE LATAS PARA LAMINADOS Y
VIGAS DE GUADUA
Juan David Polanco Beltrán
Universidad Autónoma de Occidente, Cll 25 # 115 - 85 Km. 2 Vía Cali - Jamundí.
www.uao.edu.co - Cali, Colombia.
Abstract: En el presente documento se encuentra descrito todo el proceso de diseño de un
sistema de prensado de latas de guadua para la producción de laminas y vigas siguiendo la
metodología de diseño concurrente para productos. Se exponen las necesidades
identificadas a partir de los requerimientos del cliente, con su respectivo análisis
aplicando el método QFD para identificar la necesidad de mayor importancia y enfocarse
con mayor énfasis en las necesidades claves durante el proceso de diseño, se realizo el
respetivo benchmarking para así conocer los antecedentes de este tipo de productos en el
mercado y el estudio a nivel mundial de los adelantos que se han hecho en esta área. Así
mismo, se describe el proceso de generación y selección de conceptos empleados para
responder a las necesidades previamente identificadas, Para presentar de manera mas
explicita el desarrollo de este sistema de prensado de latas de guadua.
Keywords: Guadua angustifolia, hidráulica, neumática, lata de guadua, prensa, pegante,
fraguar.
1.
INTRODUCCIÓN
La guadua es un producto forestal cuyo uso en la
construcción del paisaje campesino colombiano ha
sido tradicional durante muchos años. Sin embargo,
sólo desde hace
poco tiempo su importancia
económica y social está siendo valorada. En la zona
cafetera y, en general, en la región Andina
colombiana la guadua es un producto significativo en
la construcción de vivienda, puentes, acueductos, y
en la elaboración de artesanías, utensilios de cocina e
instrumentos musicales.
Además, ha recibido un importante apoyo de las
corporaciones autónomas regionales, dadas sus
características ecológicas que le permiten ser una
fuente importante de agua. Igualmente es importante
en la regulación de los caudales, así como la
purificación del ambiente capturando CO2.1
1
La Cadena de la Guadua en Colombia: una mirada global
de su estructura y dinámica 1991-2005, consulta 24 de
Este proyecto nace a partir de una propuesta
novedosa de utilizar la guadua de forma maciza, para
componer productos estructurales como láminas y
vigas, con la ayuda de pegantes.
Estos productos están conocidos en el mundo de la
madera como “laminados” que son obtenidos a partir
de la utilización de latas de guadua y en el momento
Cuentan con una rápida y creciente demanda mundial
(las latas es el primer proceso de transformación de la
guadua rolliza, y son obtenidas de la parte gruesa del
tallo es decir los primeros 8 a 12m lineales. El
proceso del rajado “Lateado” deja de 6 a 10 latas por
tallo de guadua; un segundo paso de cepillado las
convierte en latas).
agosto de 2007,
http://www.agrocadenas.gov.co/guadua/guadua_descrip
cion.htm
Proceso de la guadua.
3.
3.1
METODOLOGÍA DE DISEÑO DEL
SISTEMA
Especificaciones preliminares
Tabla 1. Especificaciones técnicas preliminares
Lateado
Denudado
Cepillado
Inmunizado
Encolado y prensado
En Colombia la tecnología utilizada para la
transformación y la producción de laminados y vigas
de guadua son adaptaciones infructuosas del trabajo
con otras maderas, es por eso que la Pontificia
Universidad Javeriana seccional Cali, a través del
Centro de Automatización de Procesos – CAP, en
convenio con El Ministerio de Agricultura, plantea el
proyecto de diseño de un sistema de prensado de
latas para la producción de laminados y vigas de
guadua, que hace parte del “Desarrollo de un centro
piloto de procesamiento preindustrial de guadúa en el
Departamento del Valle del Cauca”.
2.
3.2
Antecedentes
Los sistemas de prensado que se presentan en la
industria para este tipo de aplicaciones son diversos,
encontrándose en el país sistemas muy rudimentarios
poco prácticos, también en algunos casos la
tecnología utilizada son adaptaciones inadecuadas
con las usadas con otras maderas, que no consideran
las propiedades físico-químicas propias de la guadua
En Colombia se encontró el siguiente tipo de
prensado para latas de guadua:
ESPECIFICACIONES DEL PROBLEMA
Se debe tener en cuenta que existen dos formas de
pegar las latas: 1.- uniéndolas por los cantos (ver
figura 1), lo cual proporciona un mejor acabado y es
utilizada para la fabricación de laminados de 300 cm
X 30 cm X 0.7 cm
Encolado
Traslado
Figura 1. Unión por los cantos.
2.- pegando las latas por las caras (ver figura 2),
formando de está manera tableros más gruesos que
unidos entre si pueden dar origen a vigas de 300 cm
X 10 cm X 3 cm
Unión y ensamble
Prensado
Como se puede observar es todo un proceso manual y
artesanal, este tipo de prensado toma alrededor de
una hora para que los paneles de guadua queden
adheridos uno al otro.
Haciendo el respetivo benchmarking en el mercado a
nivel mundial encontramos la siguiente prensa en
caliente:
Figura 2. Unión por las caras
Figura 3. Italpresse Hot press
3.3
Tabla 2. Matriz de tamizaje
Generación de conceptos
En esta fase del diseño descomponemos nuestro
problema en las funciones más relevantes con el fin
de obtener una mejor visualización del sistema. Para
clarificar el problema se hará uso de la
descomposición funcional, que nos mostrara los
subproblemas más críticos del diseño en los que nos
debemos enfocar.
Figura 5. Concepto EF
Se genero un nuevo concepto que nació a partir de
combinar conceptos, ya que algunos que fueron
descartados y contienen algunas subfunciones mas
apropiadas para el diseño del sistema.
Tabla 3. Matriz de evaluación
Figura 3. Descomposición funcional
Figura 4. rama critica de las subfunciones
Las subfuncion mas criticas para nuestro diseño la
hemos identificado como se muestra en la figura 4.
De estas subfunciones depende directamente el
producto final que se quiere llegar a desarrollar.
en esta fase del diseño permite identificar las posibles
combinaciones de soluciones para las subfunciones,
generándose en este caso 6 conceptos diferentes para
el desarrollo del diseño.
3.4
Selección de conceptos
En esta fase de selección de conceptos se evalúa las
diferentes posibilidades de diseño y se califican con
el fin de obtener la mejor alternativa de diseño.
Podemos concluir mediante esta proceso de
evaluación que el concepto mas favorable que
cumple con los criterios de selección el cual se debe
desarrollar en este proyecto es el que obtuvo la
calificación mas alta.
3.5
desarrollo de la arquitectura del producto
La arquitectura de este sistema de prensado, debido a
la complejidad en el diseño y a las funciones que
debe realizar se manejo una arquitectura integral,
implementado varios subsistemas que a su vez a nivel
de subsistema predomina la arquitectura modular, Ya
que cada uno de ellos cumple con una función
especifica que al integrar los se consigue el
funcionamiento total de la maquina
3.5.1
Esquema del producto
En esta parte se presenta el esquema general del
sistema de prensado donde se observa los diferentes
módulos que la componen a través de sus funciones
sistema de ensamble donde una banda transportadora
se encarga de transportar la lata hasta llegar a un
sensor final de carrera, que al ser accionado activa los
pistones neumáticos que generan un movimiento
horizontal que se encarga de unir las latas.
El sistema contara con un contador para controlar
este proceso, al llegar al numero de latas requeridos
para la producción de tableros de 300 x 30 x .7 cm o
vigas de 300 x 10 x 4 cm se activara el mecanismo de
avance de la mesa de rodillas transportando la tabla o
viga hacia el sistema de prensado vertical en caliente.
5.
SUBSISTEMAS DEL SISTEMA DE
PRENSADO
2.1. Sistema de alimentación
Figura 3. Esquema general del producto por bloques
funcionales (chunks).
4.
DISEÑO SISTEMA DE PRENSADO DE
GUADUA
Sistema de prensado
Sistema de
encolado
2.2. Sistema de encolado
Sistema de ensamble
Sistema de
alimentación
Figura 4. Sistema de prensado y encolado
“PRESAGUA”.
4.1 Descripción del sistema de prensado:
Al obtener la lata de guadua cepillada esta es
posicionada y almacenada en el sistema de
alimentación según se disponga para que tipo de
prensado se va a realizar, el sistema cuenta con unos
rodillos de avance que me permiten transportar las
latas de un subsistema a otro durante el proceso, la
distancia de los rodillos es ajustable para los dos
tipos de prensado.
Al llegar al sistema de encolado, en este proceso se le
agrega pegante a las caras o cantos de la guadua
según el tipo de unión de las latas que se este
realizando, al salir del sistema de encolado pasa al
2.2.1 Selección del motor: Se estimo la velocidad de
producción de 800 mm / seg. Se escogió el diámetro
para el cilindro A de 2 “ (50,80 mm).
L = circunferencia
L = Π D (1)
L = 159 ,59 mm
Con la velocidad lineal a la que queremos llegar
hallamos el periodo, aquí se conoce el tiempo que
tarda el móvil en dar una vuelta al cilindro para hacer
el recorrido.
Vt = 800mm / seg
T=
L (2)
V
T=
159,59mm
= 0,1994911seg
800mm / seg
f =
60seg
f = 5,01275 / seg ∗
1min
1
(3)
T
densidad media entonces se toma como referencia a
partir de esta información y se decide aplicarle una
presión de 150 psi para el prensado de las latas.
Sabemos que:
P=
f = 300,76 RPM
Con este valor ya hallado el numero de RPM con las
que tiene que girar el cilindro A se escoge un motor
de 1200 RPM el cual se va a conectar a un
motorreductor el cual me pasa de 1200 RPM a 300
RPM garantizándome la velocidad lineal de 800
mm/seg
F
A
Tabla 4. Selección del cilindro hidráulico
2.3. Sistema de ensamble
Fuerza generada por los cuatro cilindros hidráulicos,
para garantizar una presión de prensado de 150 psi
en la placa.
P=
6.
2.4.
Sistema de prensado caliente
F 980KN 157psi
=
=
A 0.9M 2
ESPECIFICACIONES TÉCNICAS
Tamaño de plancha de prensado
Tiempo de prensado:
300 x 30 x .7cm
aprox. 1- 2 min;
dependiendo del tipo
de madera y pegamento
Largo del Panel
400 - 3,000 mm
Ancho del Panel
30 -
Grueso del Panel
7 - 30 mm de acuerdo
300 mm
al tipo de unión
Conexiones requeridas
La presión total requerida se calcula según el área
multiplicada por la presión en psi.
Franklin
Internacional sugiere utilizar las siguientes
presiones2:
maderas de baja densidad:
maderas de densidad media:
Maderas de alta densidad:
100-150 psi
125-175 psi
175-250 psi
Temperatura
Motores trifásicos
Compresor de aire: 6-8
bar.
Electricidad: aprox. 220
Volt / 60 Hz
<100 0C Variable
1/5 HP – 1700 RPM a
220 V
Cilindros hidráulicos de 25 Ton
Sistema de transmisión por banda y polea
Debido a las propiedades físico mecánicas de la
guadua - angustifolia se cataloga como madera de
2
SERVIMAD S.A. Franklin International, GUIA PARA EL
ENCOLADO DE MADERA, Basado en el video “Selected
presentation on Wood Glutting,”, Universidad de Carolina del
Norte, USA. Disponible en línea:
<www.slipnaxos.cl/comersus/store/documentos/Guia_encolado.do
c>
Condiciones de la lata de guadua:
Longitud:
Ancho:
Densidad:
3 metros
3 centímetros
7 milímetros
7.
CONCLUSIONES
o
En el planteamiento del diseño en primera
instancia se planteo trabajar toda la maquina con
sistemas neumáticos, pero debido a los
requerimientos de prensado, e investigaciones, y el
área de prensado, la fuerza aplicada por estos
cilindros neumáticos no era suficiente para alcanzar
la presión requerida de prensado, así que se
decidieron remplazar estos cilindros por 4 cilindros
hidráulicos de 25 toneladas c/u que me garantizan
una presión de 150 psi sobre la madera.
o
Se le implemento al sistema un mecanismo
de avance, el cual me garantizara la estabilidad de la
lata de guadua durante el paso entre subsistemas, ya
que estamos manejando latas de hasta 3 Mt de
longitud.
o
Se diseñó un sistema de transmisión por
poleas que me garantiza que los motores escogidos
me entreguen 300 rpm al sistema, con el fin de
obtener un avance de producción de 800 mm/s en los
rodillos.
o
Con este sistema se pretende obtener 60
paneles por hora, en el caso de los laminados serian
60 paneles de 300 x 30 x .7 cm, y en el otro tipo de
prensado una producción de 180 vigas o listones (300
x 10 x 30 cm) por hora este valor supera al proceso
aplicado anteriormente.
o
En aspectos de productividad también se
pensó en optimizar el funcionamiento de la maquina,
diseñando el sistema de control de manera que
durante el proceso de prensado en caliente, se realice
el ensamble de otro panel al mismo tiempo, para que
cuando el proceso de prensado en caliente finalice
quede listo para recibir otro panel, eliminando el
tiempo muerto que se presentaba, aumentando la
productividad en gran escala.
o
Se implemento en el sistema de encolado un
cilindro neumático con el fin de aumentar el numero
de vigas a producir en el prensado, al controlar el
adhesivo agregado a las latas, puedo armar varias
vigas sin que queden adheridas todas en un solo
panel,
buscando optimizar su funcionamiento,
permitiéndome fabricar 3 vigas en un solo tiempo de
prensado.
o
Se garantiza una presión homogénea sobre el
laminado y viga de guadua
o
Los niveles de adhesivo que se debe aplicar
es importante, ya que cantidades excesivas del
pegamento hacen lento el secado y resultan
económicamente inconveniente. Por el contrario, si
se aplican cantidades insuficientes no se obtiene una
línea de pegado continua y el ensamble resulta frágil.
o
Se escogieron pistones de doble efecto para
todos los casos ya que por consultas y por
experiencia, los pistones de simple efecto el resorte
interno de su mecanismo tiende a fallar con el
tiempo, y con el de doble efecto se garantiza
confiabilidad en el funcionamiento del sistema.
o
La presión de la madera puede ser
controlada por el presostato y la temperatura a su vez
controlada por un sensor de temperatura, Permitiendo
que el sistema sea flexible, con el fin de permitir
hacer las pruebas pertinentes y experimentales para
llegar a un proceso optimo en la obtención de laminas
y vigas de guadua.
REFERENCIAS
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3 ed. México: Thomson, 2004. 544p.
MALVINO, Albert P. Principios de electrónica. 6 ed.
Espana: McGraw-Hill, 2000. 1111p.
ULRICH, Kart T.; EPPINGER, Steven D. Diseño y
desarrollo de productos enfoque multidisciplinario. 3
ed. México: McGraw-Hill, 2004. 366 p.
CAMARGO J; DOSSMAN M; CARDONA G;
GARCIA J; ARIAS L, Zonificación detallada del
recurso Guadua en el eje cafetero, Tolima y Valle del
Cauca, Universidad Tecnológica de Pereira y
Corporaciones Autónomas Regionales del eje
cafetero, Tolima y Valle del Cauca. Enero 2007
Cárdenas A; Mesa A; Corral M; pisos de guadua:
productividad, tecnología y desarrollo, una mezcla
perfecta para el desarrollo del país, En: [sitio en
internet]:
http://materiales.eia.edu.co/ciencia%20de%20los%20
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de 2007.
STAMM, J. Laminados de Guadua, Seminario Taller Avances en la investigación sobre Guadua,
Pereira, mayo de 2002, En: [sitio en internet]:
http://www.sigguadua.gov.co/index.php?option=com
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MORENO, M. Prensas para madera: Herramienta de
sujeción para buscar la perfección En: [sitio en
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