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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD TICOMÁN
“DISEÑO DE UN DISPOSITIVO PARA EL CURADO DE
MATERIALES COMPUESTOS MEDIANTE EMISIÓN
INFRARROJA”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE
INGENIERO EN AERONÁUTICA
PRESENTA:
JOSÉ ALBERTO PICASO MARTÍNEZ
ASESORES:
DR. HILARIO HERNÁNDEZ MORENO
M. EN I. SERGIO ALBANO ÁVILA HERNÁNDEZ
MÉXICO, D.F. JULIO 2015
Instituto Politécnico Nacional
Ingeniería Aeronáutica
RESUMEN
Tesis de investigación individual
“DISEÑO DE UN DISPOSITIVO PARA EL CURADO DE MATERIALES COMPUESTOS
MEDIANTE EMISIÓN INFRARROJA”
Autor
José Alberto Picaso Martínez1
En la industria aeroespacial, existen diversos procedimientos de fabricación para la manufactura de
un elemento en material compuesto, sin embargo, es necesario llevar a cabo la polimerización
(curado) del material comúnmente con ayuda de un equipo especializado (horno o autoclave), que,
caracterizado por tener un elevado costo de utilización, ha originado la búsqueda de soluciones
económicas e innovadoras para cubrir esta segunda etapa de fabricación, dando origen a la
clasificación de las tecnologías NONA (Non Oven Non Autoclave), dentro de las cuales destaca el
curado por emisión infrarroja, método que ahorra tiempo y requiere menor consumo de energía en
comparación con el empleo de un equipo especializado.
Dada la gran responsabilidad y obligación de enseñanza e investigación en el IPN, en la ESIME
Ticoman se ha llevado a cabo la construcción de piezas grandes en materiales compuestos y no ha
sido posible el empleo de un equipo diseñado específicamente para emisión infrarroja.
Tomando en cuenta lo anterior, así como la preocupación de algunos docentes por el equipamiento
del laboratorio de plásticos para profundizar en la línea de investigación de los materiales
compuestos y mejorar la enseñanza en el área, se pretende proveer a la ESIME Ticoman de un
dispositivo específicamente adaptado de carácter permanente y modular que cumpla con los
requerimientos para el curado de materiales compuestos mediante emisión infrarroja.
La presente tesis presenta el diseño del dispositivo que cubra con las características mencionadas
anteriormente, empleando una metodología de diseño mecánico, la cual consta de tres etapas:
1.- Despliegue de las Funciones de Calidad (QFD),
2.- Diseño Conceptual y
3.- Diseño de Detalle
Con el empleo de la metodología de diseño, se obtuvieron los planos de definición del dispositivo,
con el fin de llevar a cabo su fabricación y continuar cubriendo el objetivo de los docentes
involucrados en la enseñanza e investigación en la ESIME Ticoman.
1
E-mail: [email protected]
I
Instituto Politécnico Nacional
Ingeniería Aeronáutica
ABSTRACT
Individual Researching Thesis Project
“DESIGN OF A DEVICE FOR POLYMERIZING COMPOSITES WITH INFRARED EMISSION”
Author
José Alberto Picaso Martínez
Aerospace industry has many methods of manufacturing parts with composite materials; which need
to be polymerized, to obtain their final characteristics. Commonly, the use of specialized equipment
in this step (as an oven or an autoclave) is really helpful but too expensive. Research and
development have generated the Non Oven, Non Autoclave (NONA) technologies, emphasizing the
infrared emissions, saving time and reducing energy consumption in comparison with the use of
specialized equipment.
Due to research activities at IPN, ESIME Ticoman has been manufacturing large size
composite material parts but it has not been possible to use a specifically designed equipment for
infrared emission.
Accordingly and due to the concern of several faculty members over the lack of specialized equipment
in the composite material laboratory, a modular devise for polymerizing composites with infrared
emissions is proposed.
This thesis presents the design of a device that covers the previously mentioned characteristics, using
the mechanical design methodology, covering the following items:
1. - Quality Function Deployment,
2. - Conceptual design and
3. - Detailed design.
The device drafting drawings were obtained using the above mentioned methodology, and the
equipment manufacture is expected to be carried out in the near future so as to improve teaching and
research at ESIME Ticoman.
II
Instituto Politécnico Nacional
Ingeniería Aeronáutica
DEDICATORIAS
Dedico este trabajo con todo mi amor, respeto y admiración a mis
padres: Felipe Picaso Cordero y Araceli Martínez de Picaso, al igual
que a mi hermana Valeria Raquel Picaso Martínez, por ser el
combustible en este bello trayecto.
III
Instituto Politécnico Nacional
Ingeniería Aeronáutica
AGRADECIMIENTOS
Agradezco infinitamente a mis asesores de tesis: el Dr. Hilario Hernández Moreno y el M. en I. Sergio
Albano Ávila Hernández ya que siempre tuvieron la paciencia y disposición para lograr la culminación
de los objetivos planteados en este proyecto, el cual en gran parte les pertenece.
A mi alma mater el Instituto Politécnico Nacional y a la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y
Eléctrica Unidad Profesional Ticoman.
A toda mi familia, abuelos, tíos y primos.
A las personas conocidas que han colaborado a lo largo de este trayecto en mi desarrollo personal
y profesional:
-
M. en C. Antonio Roberto Arriaga Chávez
Prof. Francisco Murillo Saldaña
Lic. Ignacio Segura Crespo
Sr. Raúl Pérez Durán
Prof. Jesús Luz Sanpedro
Sr. German Zamora
Sr. Daniel Zamora
M. en C. Alexander Morales Gómez
Ing. Alejandro Cerón Barajas
Ing. Honorio Ortiz Hernández
Ing. Eduardo Velazco e hijos
Ing. Aldair Amaury Galván Maldonado
Ing. Gabriel Galván Díaz
Ing. Leonel Hernández Santiago
Ing. Oscar Roberto Guzmán Caso (Maestro Decano de la ESIME Unidad Ticoman)
IV
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Ingeniería Aeronáutica
INDICE
RESUMEN
ABSTRACT
DEDICATORIAS
AGRADECIMIENTOS
INDICE
LISTA DE FIGURAS
LISTA DE TABLAS
I
II
III
IV
V
VII
IX
CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN
1.1 Descripción del problema
1.2 Solución propuesta
1.3 Objetivo general
1
1
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2
2
3
1.3.1 Objetivos particulares
1.4 Alcance
1.5 Metodología
CAPITULO 2 ESTADO DEL ARTE
2.1 Introducción
2.2 Procedimientos de fabricación de materiales compuestos
2.3 La reacción de curado
2.3.1 Soluciones para inconvenientes presentados durante el proceso de
curado y control de variables
2.4 Equipos especializados para el curado de materiales compuestos
2.5 La radiación electromagnética en el curado sin autoclave
2.5.1 Calentamiento por inducción
2.5.2 Radiación IR
2.5.3 Microondas
2.5.4 Curado por radio frecuencia (RFC)
2.5.5 Radiación ultravioleta
2.5.6 Curado por haz de electrones (e-beam)
2.6 Conveniencia de la radiación IR aplicada en la polimerización de
materiales compuestos
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4
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CAPITULO 3 LA RADIACIÓN INFRARROJA
3.1 Introducción
3.2 Rayos infrarrojos
3.3 Relación entre la longitud de onda y la temperatura
3.4 Regiones del infrarrojo y sus aplicaciones
3.5 Fuentes de emisión de energía IR
3.5.1 Temperaturas de la fuente de emisión y distribución de la longitud de
onda para el proceso de calentamiento.
V
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Ingeniería Aeronáutica
CAPITULO 4 METODOLOGÍA DE DISEÑO
4.1 Introducción
4.2 Despliegue de las Funciones de Calidad QFD
4.2.1 Identificación del cliente
4.2.2 Determinación de los requerimientos y expectativas de los clientes
4.2.3 Determinación de la importancia relativa de los requerimientos y
expectativas de los clientes
4.2.4 Estudio comparativo a productos de la competencia.
4.2.5 Traducción de los requerimientos y expectativas de los clientes en
términos mensurables de ingeniería.
4.2.6 Establecimiento de las metas de diseño
4.3 Diseño conceptual
4.3.1 Descomposición funcional - Función (QUE) vs Forma (COMO)
4.3.2 Generación de conceptos
4.3.3 Evaluación de conceptos
4.4 Diseño de detalle
4.4.1 Definición de materiales
4.4.2 Propuesta de material de fabricación
4.4.3 Doblado de lámina
4.4.4 Corte del perfil angular para marco
4.4.5 Corte de solera para puertas
4.4.6 Sujetadores estructurales
4.4.7 Circuito eléctrico-electrónico
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
APENDICES
APENDICE A. PLANOS DE FABRICACIÓN
APENDICE B. TABLAS
APENDICE C. DIAGRAMAS
REFERENCIAS
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Ingeniería Aeronáutica
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Laboratorio de Plásticos [1].
Figura 2.1 a. Molde maestro empleado para la fabricación del cono de cola del avión
C-17 [15]; b. Fabricación de un conducto NACA que muestra partes
altamente contorneadas [16].
Figura 2.2 Métodos de fabricación de materiales compuestos [8, 12, 14, 17, 18].
Figura 2.3 Procesos de ciclos de curado usados en ciclos de 2 etapas y 3 etapas
respectivamente [22].
Figura 2.4 a. Ciclo de curado con autoclave de dos etapas; b. Efecto de la
temperatura T sobre el exceso de la temperatura y viscosidad para el ciclo
de 2 etapas para un tiempo t=60 min; c. Efecto de la temperatura T1 en la
variación del grado de curado para un ciclo de 2 etapas [22].
Figura 2.5 Dispositivo heat bonder [23].
Figura 2.6 Horno Walk-in para materiales compuestos [24].
Figura 2.7 Horno de microondas para materiales compuestos [25].
Figura 2.8 Cañón de inyección de aire caliente serie HCS2041 [26].
Figura 2.9 Sistema de curado por IR serie HCS2044. [26].
Figura 2.10 Autoclave Horizontal TITAN [27].
Figura 2.11 Horno de laboratorio portable para espacios reducidos RAD/RFD1-42
[28].
Figura 2.12 Mantas calefactoras [23].
Figura 2.13 Mesa de curado serie HCS 7500 [26].
Figura 2.14 Horno de microondas con sistema de vacío y secado tipo armario [29].
Figura 2.15 Concepto del calentamiento por inducción [19].
Figura 2.16 Horno infrarrojo de media onda para el curado de laminados [19].
Figura 2.17 Rango del espectro electromagnético para radio frecuencia [19].
Figura 2.18 Representación esquemática del proceso de curado mediante UV.
Figura 2.19 a. Principio del curado y b. Acelerador de electrones utilizado en el curado
por e-beam [19].
Figura 2.20 a. Diagrama de trabajo del sistema P-WAVETM; b. Dispositivo del sistema
P-WAVETM.
Figura 2.21 Graficas que muestran la comparación del tiempo de curado de la resina
en cuestión [34].
Figura 2.22 a. Sistema “Infratherm”; b. Esquema de trabajo del sistema “Infratherm”
[35].
Figura 2.23 a. Comparación del esfuerzo ultimo de tensión contra deformación
Laminado 1; b. Comparación del esfuerzo ultimo de tensión contra
deformación Laminado 2 [35].
Figura 2.24 a. Termograma del Laminado 1; b. Termograma del Laminado 2 [35].
Figura 2.25 Comparación del consumo de energía del curado IR contra curado
térmico [35].
Figura 3.1 Comparación de la longitud de onda frecuencia y energía para el espectro
electromagnético [36].
Figura 3.2 Diagrama de absorción de energía IR.
Figura 3.3 Diagrama para la detección de la radiación IR [37].
Figura 3.4 Características de la radiación emitida por un cuerpo negro [37].
Figura 3.5 Bandas del infrarrojo en el espectro electromagnético (Unidades en μm)
[40].
VII
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Ingeniería Aeronáutica
Figura 4.1 Elementos básicos del diseño de producto según la ingeniería
concurrente [5].
Figura 4.2 Diagrama de la casa de calidad [42].
Figura 4.2.1 Traducción de RO1 en términos de ingeniería.
Figura 4.3.1 Árbol de funciones que muestra una sucesión coherente de las funciones
en un sistema mediante diagramas procediendo desde lo general hasta
lo particular en cada uno de los niveles obtenidos.
Figura 4.3.2 Clasificación de los métodos para la generación de conceptos [45].
Figura 4.3.3 Técnicas para la evaluación de conceptos.
Figura 4.3.4 Representación del concepto global para un solo módulo.
Figura 4.3.5 Representación general del concepto global del recinto (Nótese que son
tres módulos).
Figura 4.4.1 Dimensiones comerciales del perfil L de lados iguales [51].
Figura 4.4.2 Longitud y sección transversal de la solera comercial [51].
Figura 4.4.3 Dimensiones de la hoja de lámina comercial [51].
Figura 4.4.4 Diagrama gráfico para calcular excedente de material necesario en el
doblado de lámina [52].
Figura 4.4.5 a. Excedente de material para α1; b. Excedente de material para α2.
Figura 4.4.6 a. Longitudes de la geometría; b. Simetría de geometría y elementos.
Figura 4.4.7 Bastidor de cierre para la base.
Figura 4.4.8 a. Elementos del marco; b. Diagrama auxiliar para longitudes necesarias
(Acotación en mm); c. Triángulo rectángulo.
Figura 4.4.9 Elementos del marco de solera.
Figura 4.4.10 Geometría de la lámina para el marco de solera.
Figura 4.4.11 a. Tuerca de ojillo [54]. b. Bandola mosquetón [54].
Figura 4.4.12 Canal U [51].
Figura 4.4.13 Panel de conexiones.
Figura 4.4.14 a. Bisagra ab; b. Bisagra cd; c. Tejuelo fijo izquierdo; d. Tejuelo fijo
derecho; e. Jalón para puerta.
Figura 4.4.15 Diagrama del rodamiento axial de bolas de simple efecto [55].
Figura 4.4.16 Magneto.
Figura 4.4.17 Nomenclatura de los remaches [61].
Figura 4.4.18 a. Estado de fuerzas en un perno. Vista lateral; b. Estado de fuerzas en
un perno. Vista frontal.
Figura 4.4.19 Nomenclatura de pernos.
Figura 4.4.20 a. Configuración de sellos para bridas [68]; b. Configuración propuesta
para este proyecto.
Figura 4.4.21 Criterio de diseño para la selección de juntas de sellado [68].
Figura 4.4.22 Circuito eléctrico-electrónico del dispositivo.
Figura 4.4.23 Pluma para asegurar las fuentes de emisión.
Figura 4.4.24 a. Brazo pluma; b. Brazo porta-focos; c. Ángulo conector.
Figura 4.4.25 Vista frontal de la pluma.
Figura 4.4.26 a. Rodaja de hule [54]; b. Nudo [54]; c. Maneral frontal; d. Ajustador de
altura.
Figura 4.4.27 a. Bulbo comercial con accesorios [69]; b. Bulbo comercial OSRAM [70].
Figura 4.4.28 a. Cable de acero [54]; b. Gancho tipo S [54]; c. Guardacabos galvanizado
[54]; d. Clip asegurador para cable de acero [54]; e. Tornillo opresor Allen
[54].
Figura 4.4.29 Diagrama de elevación de la pluma.
VIII
23
24
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Ingeniería Aeronáutica
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Comparación de las características generales de las matrices
termoestables y termoplásticas [21].
Tabla 2. Naturaleza de fabricación de algunos dispositivos para el curado de
materiales compuestos.
Tabla 3. Fabricación de materiales compuestos sin autoclave (enfoque por
categoría) [19].
Tabla 4. Interacción del calentamiento por microondas con los materiales [19].
Tabla 5. Laminados utilizados en [35].
Tabla 6. Índices de emisividad aproximados de algunos materiales [30].
Tabla 7. Regiones y características del infrarrojo [37-40].
Tabla 8. Características comerciales de fuentes emisoras de energía IR [30].
Tabla 9. Características de absorción IR de algunos materiales [30].
Tabla 10a. Personas entrevistadas para conocer requerimientos.
Tabla 10b. Requerimientos agrupados de las entrevistas aplicadas.
Tabla 11. Agrupación de requerimientos (O: obligatorio, D: deseable).
Tabla 12. Requerimientos obligatorios.
Tabla 13. Requerimientos deseables.
Tabla 14. Ejemplo de la comparación por pares.
Tabla 15. Matriz de ponderación de requerimientos deseables.
Tabla 16. Matriz de importancia relativa de los requerimientos deseables.
Tabla 17. Escala propuesta para la evaluación en el benchmarking.
Tabla 18. Productos de la competencia.
Tabla 19. Evaluación comparativa a productos de la competencia.
Tabla 20. Traducción de requerimientos.
Tabla 21. Requerimientos traducidos (RT).
Tabla 22. Casa de calidad.
Tabla 23. Requerimientos del cliente que se consideraron metas de diseño desde
la etapa 2.
Tabla 24. Metas de diseño.
Tabla 25. Técnicas de descomposición funcional.
Tabla 26. Criterios de evaluación en la matriz de decisión.
Tabla 27. Forma de la matriz de decisión para la evaluación de los conceptos
generados [44].
Tabla 28a. Conceptos para la función 1.1.1
Tabla 28b. Evaluación conceptual función 1.1.1
Tabla 29a. Conceptos para la función 1.1.2
Tabla 29b. Evaluación conceptual función 1.1.2
Tabla 30a. Conceptos para la función 1.2.1
Tabla 30b. Evaluación conceptual para la función 1.2.1
Tabla 31a. Conceptos para la función 1.2.2
Tabla 31b. Evaluación conceptual para la función 1.2.2
Tabla 32a. Conceptos para la función 2.1
Tabla 32b. Evaluación conceptual para la función 2.1
Tabla 33a. Conceptos para la función 2.2.1
Tabla 33b. Evaluación conceptual para la función 2.2.1
Tabla 34a. Conceptos para la función 2.3.1.1
Tabla 34b. Evaluación conceptual para la función 2.3.1.1
Tabla 35a. Conceptos para la función 2.3.1.2
IX
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Ingeniería Aeronáutica
Tabla 35b.
Tabla 36a.
Tabla 36b.
Tabla 37a.
Tabla 37b.
Tabla 38a.
Tabla 38b.
Tabla 39a.
Tabla 39b.
Tabla 40a.
Tabla 40b.
Tabla 41a.
Tabla 41b.
Tabla 42a.
Tabla 42b.
Tabla 43a.
Tabla 43b.
Tabla 44a.
Tabla 44b.
Tabla 45a.
Tabla 45b.
Tabla 45c.
Tabla 46a.
Tabla 46b.
Tabla 47.
Tabla 48.
Tabla 49a.
Tabla 49b.
Tabla 50a.
Tabla 50b.
Tabla 50c.
Tabla 51a.
Tabla 51b.
Tabla 52a.
Tabla 52b.
Tabla 53a.
Tabla 53b.
Tabla 53c.
Tabla 53d.
Tabla 54.
Tabla 55.
Tabla 56.
Tabla 57.
Tabla 58a.
Tabla 58b.
Tabla 59.
Tabla 60a.
Tabla 60b.
Tabla 61.
Tabla 62.
Evaluación conceptual para la función 2.3.1.2
Conceptos para la función 2.3.2.1
Evaluación conceptual para la función 2.3.2.1
Conceptos generados para la función 2.3.2.2
Evaluación conceptual para la función 2.3.2.2
Conceptos generados para la función 2.3.2.3
Evaluación conceptual para la función 2.3.2.3
Conceptos para la función 2.3.3
Evaluación conceptual para la función 2.3.3
Conceptos para la función 2.4.1
Evaluación conceptual para la función 2.4.1
Conceptos generados para la función 2.5.1.1
Evaluación conceptual para la función 2.5.1.1
Conceptos para la función 2.5.1.2
Evaluación conceptual para la función 2.5.1.2
Conceptos para la función 2.5.1.3
Evaluación conceptual para la función 2.5.1.3
Conceptos para la función 2.5.2.1
Evaluación conceptual para la función 2.5.2.1
Conceptos para la función 2.6.1
Evaluación conceptual para la función 2.6.1 y 2.6.2
Conceptos generados para la función 2.6.2
Conceptos para la función 3.1.1
Evaluación conceptual para la función 3.1.1
Conceptos seleccionados durante la evaluación conceptual.
Ejemplo de algunos materiales presentes en el mercado local.
Datos de la lámina.
Resultados del cálculo de doblado.
Material necesario para el doblado de material.
Calculo del peso la lámina requerida.
Calculo del peso del material requerido para el bastidor.
Cálculo de longitud extra en cada elemento del marco.
Longitud en el chaflán del marco.
Longitudes L finales para el corte de cada elemento de la Figura 4.4.8a.
Peso del perfil angular para un solo marco.
Longitudes para el corte de cada elemento del marco de solera.
Peso de la solera.
Calculo del peso del material.
Peso del material para un módulo del recinto.
Ejemplos de métodos de unión estructurales.
Espesor de los diferentes materiales empleados en el recinto.
Sumatoria de elementos a remachar.
Características principales de los remaches a utilizar.
Factores para la selección del remache correcto [60].
Referencia para evitar elecciones de remaches erróneas [60]. A la
derecha se muestra el significado de cada letra.
Pasos para la instalación del remache.
Datos para la selección del perno.
Datos del perno seleccionado (Ver Tabla 1B).
Superficies de contacto.
Cálculo de sujetadores reduciendo parámetros de diseño.
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Tabla 63. Sumatoria de elementos a remachar.
Tabla 64. Longitud del perno para la pluma.
Tabla 65. Pesos presentes en el extremo libre de la pluma.
XI
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Ingeniería Aeronáutica
CAPITULO 1
CAPITULO 1
INTRODUCCIÓN
1.1 Descripción del problema
El presente trabajo surge a partir de las necesidades actuales en el IPN específicamente en la ESIME
Ticoman [1], en relación a un proyecto de equipamiento especializado para la línea de investigación
y de enseñanza sobre materiales compuestos.
Existen diversos procesos de manufactura para componentes y elementos estructurales en
materiales compuestos. Entre los procesos de manufactura más utilizados, destaca el moldeo en
bolsa de vacío, así como la infusión de resina, con los cuales se obtienen altas fracciones
volumétricas de refuerzo y baja porosidad. Ambos procesos se ocupan para realizar la compactación
y para evacuar el aire atrapado dentro de la resina, sin embargo, es necesario llevar a cabo la
polimerización (curado) del material, para ello se han empleado diversas técnicas, como es el caso
de autoclave, que por un lado mejora la compactación, al emplear presiones superiores a la de la
atmósfera, pero por otro lado el tamaño de piezas que se pueden fabricar está limitado por el espacio
disponible en él; existe sin embargo una alternativa para el curado de piezas de grandes
dimensiones, tal es el caso del curado por emisión infrarroja, en este sentido la ESIME Ticoman,
carece de un dispositivo adecuado para el curado por este método. La Figura 1.1 muestra el
laboratorio de plásticos en la ESIME Ticoman [1].
Figura 1.1 Laboratorio de Plásticos [1].
1.2 Solución propuesta
Recientemente en la ESIME Ticoman se ha llevado a cabo la construcción de piezas grandes en
materiales compuestos [2-4] empleando procesos como son infusión de resina o bolsa de vacío, sin
embargo, no ha sido posible la utilización de autoclave, ya que el único disponible es pequeño, a
pesar de ello, en uno de los casos [3, 4] se empleó la técnica de curado por emisión infrarroja,
mediante el empleo de focos incandescentes de aplicación médica, suspendidos en un bastidor
adaptado en madera, estos procesos tuvieron éxito. Por lo tanto, se pretende el diseño de un
dispositivo específicamente adaptado de carácter permanente y modular que cumpla con los
requerimientos para el curado de materiales compuestos mediante la emisión de radiación infrarroja.
Para cubrir lo citado anteriormente, se pretende hacer uso de la metodología del diseño mecánico
(consultar apéndice C), la cual emplea el QFD [5, 6], es decir, el “Despliegue de Funciones de
Calidad” teniendo como propósito incluir la voz del cliente. Posteriormente, una vez obtenido el
diseño del dispositivo, se pretende llevar a cabo la fabricación del mismo.
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
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CAPITULO 1
1.3 Objetivo general
Obtener mediante la metodología del diseño mecánico (consultar Diagrama 4), el diseño de un
dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante la emisión de radiación infrarroja, con
el fin de mejorar y ampliar los aspectos experimentales, así como de docencia en el laboratorio de
plásticos de la ESIME Ticoman.
1.3.1 Objetivos particulares
-
Identificar en el marco teórico los procedimientos de fabricación de materiales compuestos,
el mecanismo de la reacción de curado, así como algunos equipos especializados que logran
el curado de piezas en materiales compuestos, enfocándose en aquellos que logran el
curado sin autoclave.
-
Identificar las técnicas de curado que emplean el espectro electromagnético como medio de
calentamiento para lograr la polimerización de los materiales compuestos, con el fin de
enfocarse en la conveniencia del empleo de la radiación infrarroja.
-
Identificar las características con las que cuentan los equipos especializados que logran el
curado de materiales compuestos, con el fin de generar posibles soluciones al objetivo que
se está buscando.
-
Implementar la metodología de diseño para desarrollar el producto con integridad,
innovación, experiencia en manufactura y sobre todo calidad, sin abandonar la versatilidad
para el uso en otros procesos de curado.
-
Obtener los dibujos de definición con el fin de pasar a la etapa de fabricación del dispositivo.
1.4 Alcance
El resultado final del presente trabajo será la obtención de los dibujos de definición del dispositivo.
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CAPITULO 1
1.5 Metodología
La metodología de trabajo mediante la cual se pretende desarrollar el presente proyecto se explica
a continuación:
El primer punto a tratar es la clarificación del problema mediante la investigación en el estado del
arte, sobre los diferentes procedimientos de fabricación de materiales compuestos así como la
búsqueda de equipos especializados para el curado, haciendo énfasis en el empleo de la emisión
de radiación infrarroja para el ciclo de curado.
Como segundo punto, definir los aspectos básicos y teoría sobre la propagación de la energía
infrarroja; así como las fuentes de emisión disponibles en el mercado global.
El tercer punto a desarrollar es la aplicación de la metodología del diseño mecánico, que debido a
su alta efectividad en diferentes ámbitos del diseño tanto en la planeación como en la producción,
ofrece ventajas enormes. Esta metodología establece las 3 fases:
1.- Despliegue de las funciones de calidad o QFD (siglas en inglés). La metodología QFD [5,
6] sirve para involucrar al cliente en el proceso de desarrollo del producto, permitiendo la traducción
de las demandas expresadas por el cliente en características de diseño.
2.- Diseño conceptual. Una vez que se han obtenido las características de diseño, se hace
un análisis funcional que identifica la función global del producto a desarrollar, así como las funciones
subsecuentes (primarias, secundarias, terciarias, etc.) o fundamentales, definiéndose el árbol de
funciones del producto.
Posteriormente, se lleva a cabo la generación de conceptos (Ideas representadas gráficamente que
son posibles soluciones para determinada función) y la consecuente evaluación de los mismos para
seleccionar el concepto adecuado, que cubre la función global.
3.- Diseño de detalle. Etapa que consiste en el análisis del concepto o conceptos elegidos
en cada función para el dimensionamiento, asignación de materiales, verificación analítica de cada
componente bajo condiciones de trabajo, obteniéndose la definición final del producto expresada a
través de los dibujos de definición para su posterior manufactura.
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CAPITULO 2
CAPITULO 2
ESTADO DEL ARTE
2.1 Introducción
En la industria aeroespacial, el empleo de los materiales compuestos referidos comúnmente como
“polímeros reforzados con fibras” (FRPs por sus siglas en inglés) es cada vez mayor gracias a su
relación favorable de resistencia-peso con respecto a los metales [7-11]. Por lo tanto, la necesidad
de fabricar componentes de material compuesto de dimensiones cada vez mayores, en donde el
curado tradicional mediante autoclave (aunque muy efectivo) se limita por el tamaño del dispositivo
y el gran consumo de energía; esto último induce a la utilización de métodos alternativos de curado
sin autoclave.
Mediante la búsqueda de soluciones económicas e innovadoras para cubrir esta necesidad, se ha
demostrado que no es necesario el empleo de un horno o autoclave para lograr el curado en la
fabricación de piezas; dando origen a la clasificación de las tecnologías NONA [8, 10] (por sus siglas
en inglés: Non Oven Non Autoclave) que ofrecen una gran disminución en los costos de fabricación
en estructuras primarias, secundarias, y reparaciones, en donde el uso de un horno o autoclave
además de tener un costo elevado no es viable.
El objetivo principal del curado sin autoclave es lograr el curado del polímero sin la aplicación de
grandes presiones de compactación, lo cual permite la adquisición de equipo y mantenimiento
económico además de eliminar la necesidad del uso de nitrógeno o argón.
En la industria aeroespacial es necesario que los servicios técnicos, equipos, accesorios y
materiales, cubran la calidad exigida en cada producto [11-13], ya que se tiene como principales
clientes al soporte de mantenimiento comercial, corporativo y militar en el ámbito aeroespacial.
2.2 Procedimientos de fabricación de materiales compuestos
Existen diversos procedimientos para la fabricación y el curado de piezas en materiales compuestos;
la selección del procedimiento más adecuado depende de la aplicación final de los componentes. Ya
que algunos procedimientos se han desarrollado para cubrir diseños específicos o manufactura
especial [13-15].
La AC 43-214 (Advisory Circular) [13] aborda en la sección 9 la “Fabricación y procedimientos de
procesos”, mencionando en su apartado 7 especial atención al control y monitoreo de la temperatura
registrada por los termopares así como el número en contacto de estos con la parte a fabricar, para
lograr el correcto curado y evitar sobrecalentamiento o zonas en donde la polimerización no sea
completa.
El proceso de fabricación de un material compuesto involucra el uso de un molde (Figura 2.1)
fabricado mediante fundición, maquinado mecánicamente o artesanalmente que sirve para dar la
forma deseada a la combinación de resina y refuerzo durante el curado del componente. El costo del
molde aumenta de acuerdo a los requerimientos de calidad, tamaño, complejidad y volumen de
producción del componente.
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b.
a.
Figura 2.1 a. Molde maestro empleado para la fabricación del cono de cola del avión C-17 [15]; b. Fabricación
de un conducto NACA que muestra partes altamente contorneadas [16].
Los procesos de manufactura de materiales compuestos (Figura 2.2) se clasifican en dos:
-
Moldeo de molde abierto: en donde una de las superficies del laminado se encuentran en
contacto con el molde (cavidad simple) y por otra está expuesto a la atmósfera o productos
ambientales de curado y
Moldeo de molde cerrado, el laminado es procesado en un molde de dos partes.
Figura 2.2 Métodos de fabricación de materiales compuestos [8, 12, 14, 17, 18].
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2.3 La reacción de curado
Generalmente, para la fabricación de un artículo en material compuesto, las capas de fibras
impregnadas con resina se sobreponen siguiendo una secuencia de apilado fija y depositadas en
autoclave, en donde se combinan los efectos de la temperatura y presión para lograr el curado
(también denominado polimerización) de la resina, en su mayoría diseñadas para ciclos de curado
con temperatura elevada: grandes presiones con velocidades de calentamiento y enfriamiento
lentas. En muchos casos la composición química de la resina se modifica para lograr un curado lento
[19].
Un artículo fabricado de material compuesto, requiere 2 componentes básicos: la resina sintética
(comúnmente termoestable) y el refuerzo (también denominado fibra).
1. La resina termoestable (poliéster, epoxis, viniléster, bismaleimidas, cianato esteres,
poliamidas, y fenólicos [11, 20, 21]), suministrada en estado líquido viscoso, ofrece enormes
ventajas sobre las resinas termoplásticas (Tabla 1).
2. El refuerzo (fibra de vidrio, carbono, poliaramidas o una combinación de todas) se adquiere
en estado sólido.
Tabla 1. Comparación de las características generales de las matrices termoestables y termoplásticas [21].
Proceso de
Tiempo
Temperatura
Resistencia
Tipo de resina
Dureza
temperatura requerido
de operación
a solventes
1
Termoestable
Baja
Alto
Alta
Alta
Baja
2
Termoestable endurecida
Termoplástica en estado de
3
transición
4
Termoplástica
Alta
Bajo
Baja
Baja
Alta
El curado o polimerización es un proceso de transición de la resina en estado líquido-viscoso al
estado vitroso, reacción química no reversible que se consigue mediante los siguientes medios:
a) Curado con temperaturas elevadas, mediante el uso de un catalizador y la aplicación de
calor, o
b) Curado a temperatura ambiente mediante el uso de un catalizador y un acelerador de
curado.
La consolidación de la resina en el proceso de curado asegura que las secciones individuales o
capas de un componente fabricado en materiales compuestos, estén adheridos propiamente, y que
la matriz sea capaz de mantener la orientación de las fibras de refuerzo las cuales soportarán las
cargas aplicadas al componente [9, 11].
Algunas resinas comercialmente conocidas como pre-aceleradas al curado, necesitan el suministro
de un catalizador para empezar la reacción de curado a temperatura ambiente. Ciertas resinas no
pueden ser pre-aceleradas, y debido a sus características de fabricación requieren la adición de un
acelerador y un catalizador para iniciar el curado. Cada resina tiene diferentes características de
curado por lo que es importante el cumplimiento del ciclo de curado recomendado por el fabricante.
El curado de una resina termoestable empieza tan pronto como se agregue el catalizador apropiado,
pero la velocidad de curado dependerá de la reacción de la resina ocasionada por el catalizador. Sin
la presencia de un acelerador térmico (calor, radiación ultravioleta, etc.) la resina catalizada tendrá
una duración de horas o días para su consolidación [12]. Es común la aplicación de un acelerador
para aumentar la rapidez de la reacción de curado, aunque actualmente la mayoría de las resinas
son pre-aceleradas por los fabricantes y solo algunas necesitan la adición de un acelerador para
facilitar el curado.
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Existen 3 etapas [11] en la reacción de curado de una resina termoestable:
-
Etapa A. Los componentes de la resina (material base y endurecedor) son mezclados pero
la reacción química aún no empieza. Regularmente es a temperatura ambiente
caracterizándose por un tiempo de gel.
-
Etapa B. Después de la mezcla de los componentes, la reacción química ha empezado. El
material ha engrosado y tiene un aspecto pegajoso. La mezcla es vidriosa y aún está en
transición de curado. Requiere un aumento de temperatura externa para completar el
curado, caracterizándose por un tiempo de vitrificación.
-
Etapa C. La resina está completamente curada. Algunas resinas curan a temperatura
ambiente y otras necesitan un ciclo de curado con temperatura elevada para curar
totalmente. En esta etapa se alcanzan las propiedades mecánicas requeridas así como se
perfecciona la unión entre los constituyentes del material durante un tiempo de maduración.
El ciclo de curado con temperatura elevada, consiste de al menos 3 segmentos (ver Figura 2.3):
1. Rampa (Ramp up),
2. Retención (Hold or soak) y
3. Enfriamiento (Cool down).
Figura 2.3 Procesos de ciclos de curado usados en ciclos de 2 etapas y 3 etapas respectivamente [22].
Algunas conclusiones respecto al curado con temperatura elevada [22, 23] se listan a continuación:
1. El grado de curado y la fracción volumétrica de la fibra, afectan las propiedades mecánicas
del material compuesto final.
2. La distribución de presión afecta la compactación del laminado así como la formación de
huecos.
3. Los gradientes de temperatura pueden introducir esfuerzos residuales y deformaciones al
laminado.
4. La relación costo-efectividad del proceso, debe ser en el menor tiempo posible.
La viscosidad de la resina está en función de la temperatura. Si un ciclo tiene 1, 2 o 3 etapas, la
resina tendrá su comportamiento característico en cada etapa. Ver Figura 2.4a y Figura 2.4b.
La Figura 2.4c muestra que el incremento de T 1=115°C, solo permite que el curado empiece antes,
sin embargo el curado completo se obtiene en el mismo tiempo para T 1=90°C.
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a.
b.
Figura 2.4 a. Ciclo de curado con autoclave de dos
etapas; b. Efecto de la temperatura T, sobre el
exceso de temperatura y viscosidad para el ciclo de
2 etapas para un tiempo t=60 min; c. Efecto de la
temperatura T1 en la variación del grado de curado
para un ciclo de 2 etapas [22].
c.
2.3.1 Soluciones para inconvenientes presentados durante el proceso de
curado y control de variables
Durante el proceso de polimerización de un material compuesto, es común que se presenten
situaciones que no son riesgosas para el operador, pero si para el material en cuestión. Por lo tanto,
es necesario tener presentes algunas recomendaciones a seguir [22]. A continuación se listan las
mas comunes:
-
-
En caso de aplicarse un exceso de temperatura, este puede ser reducido con una etapa de
enfriamiento y recalentamiento.
Es necesario aplicar largos periodos de tiempo de curado cuando el componente fabricado
deba trabajar a temperaturas mayores de operación.
En caso de que haya un incremento de tiempo (t) en la aplicación de cierta temperatura T,
solo resultará en el incremento de la duración de la resina en estado viscoso, permitiendo
una mejor penetración de la resina en las fibras así como la eliminación del exceso de resina
del material.
El incremento de los tiempos sucesivos (t2, t3, tn) solo prolongará el proceso de consolidación.
Dado que los materiales compuestos no son estructuras homogéneas, cabe la posibilidad de grandes
variaciones en sus propiedades físicas. Estas variaciones [12] que pueden ser mínimas controlando
ciertos factores durante su fabricación se listan a continuación:
-
Contenido de resina. Las variaciones en el contenido de resina ocasionan variaciones en las
propiedades finales. La adecuada combinación con el refuerzo minimiza estas diferencias.
Tiempo de gel. Excederse en esta variable puede ocasionar evaporación del estireno en la
resina, resultando en un mal curado.
Temperatura ambiente: se debe mantener constante, idealmente en el rango de 17°C a
23°C, además de evitar las corrientes de aire para no ocasionar un curado deficiente.
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-
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Cantidad y mezcla de agentes de curado: la adición correcta y mezcla completa son puntos
esenciales para asegurar una buena consistencia del curado.
Concluyendo que el cuidado y control de las variables expuestas anteriormente, induce economía y
seguridad en la fabricación de un componente en material compuesto.
2.4 Equipos especializados para el curado de materiales
compuestos
Estos equipos especializados varían en su empleo dependiendo del tamaño de elementos,
modificación o reparación estructural requerida [11, 13, 23]. Mientras que las grandes dimensiones
de algunos equipos hacen imposible su traslado, existen otros de carácter portátil que contrarrestan
el carácter estacionario de los primeros; ya que el consumo de energía y tiempo de funcionamiento,
son factores que determinan la rentabilidad del servicio para las compañías fabricantes.
Debido a que estos equipos deben cubrir el procedimiento aprobado que demuestre su capacidad
de producir componentes con ajuste, forma y funcionalidad, la autoridad correspondiente detalla en
la AC 43-214 (Advisory Circular) [13], específicamente en la sección 8 que trata sobre “Hangares,
facilidades y equipamiento”, que las herramientas utilizadas para el fin señalado al inicio de este
apartado deben cubrir los siguientes puntos:
1. Incluir un perfil térmico de la herramienta para evaluar la distribución de temperatura
durante el curado y seleccionar la ubicación de los termocoples.
2. Mencionar herramienta, materia prima, artículos desechables (bolsas, celofán o agente
desmoldante, etc.) y ciclo de curado utilizado en la fabricación.
3. Incluir (antes de la liberación del molde) la inspección y valoración de la pieza terminada
para asegurar la cobertura de los requisitos de diseño, de lo contrario repararse o modificarse
mediante las técnicas de tratamiento del daño correspondientes.
Las colchonetas térmicas, los dispositivos controladores del ciclo de curado (heat bonder), lámparas
IR, los cañones de inyección de aire caliente y algunas configuraciones de hornos de convección
son ejemplos de equipos especializados portátiles [11], que tienen influencia relevante en las
reparaciones, los cuales utilizan cierto número de termocoples para monitorear la temperatura, en
conjunto con una bolsa de vacío, que ayuda a eliminar la humedad y compactar mediante presión.
El proceso de polimerización de los materiales compuestos es un punto crítico en la calidad de su
manufactura [11-14], por lo tanto, los dispositivos para llevar a cabo este proceso se diseñan para
cubrir los mas altos requerimientos.
Algunos equipos de curado para materiales compuestos se presentan en la Tabla 2, en donde se
describe a grandes rasgos su funcionamiento, remarcando que el uso de cada dispositivo varía en
función del procedimiento de reparación, modificación o fabricación de un componente [11, 13, 20,
23].
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Tabla 2. Naturaleza de fabricación de algunos dispositivos para el curado de materiales compuestos.
DISPOSITIVO
RESUMEN DE CARACTERISTICAS
Los dispositivos heat bonder son unidades de calentamiento y vacío
programables, los cuales suministran calor a partir de un ciclo de curado
específico.
Figura 2.5 Dispositivo heat
bonder [23].
Figura 2.6 Horno Walk-in
para materiales compuestos
[24].
Figura 2.7 Horno de
microondas para materiales
compuestos [25].
Figura 2.8 Cañón de
inyección de aire caliente
serie HCS2041 [26].
Figura 2.9 Sistema de
curado por IR serie
HCS2044. [26].
Figura 2.10 Autoclave
Horizontal TITAN [27].
Figura 2.11 Horno de
laboratorio portable para
espacios reducidos
RAD/RFD1-42 [28].
Los hornos utilizados en la industria, regularmente son equipos estacionarios
que varían en dimensiones de acuerdo al tamaño de fabricación requerida.
Con varias líneas de vacío y conexiones de termopares para monitorear la
temperatura (250°F-350°F) se puede lograr un control automático del
proceso. El calentamiento se obtiene mediante la combustión de gas (directa
o indirecta) o eléctricamente haciendo circular el aire caliente a gran
velocidad alrededor de la pieza de trabajo.
La tecnología de microondas reduce en cerca del 80% la energía consumida
en comparación con el curado con autoclave y cerca del 40% de reducción
en el ciclo de curado. La energía de calentamiento se dirige específicamente
hacia la parte a ser curada, maximizando la eficiencia del proceso. Se
manejan presiones del orden de 100 psi (6.89 bar). Cuando el curado se ha
completado y el horno se apaga, no hay etapa de enfriamiento del propio
horno, ya que el horno siempre está frio al contacto. Este tipo de tecnología
requiere el conocimiento y entendimiento de cómo funcionan las microondas
para hacer el proceso viable para el curado.
Se limitan a reparaciones pequeñas y al secado del área reparada. Por lo
regular calientan un área aproximada de hasta 30in x 30in (76.2cm x 76.2cm)
a 250 °F (121°C) con facilidad. Dependiendo de la aplicación y técnica
utilizada, es capaz de calentar un área mayor a mayores temperaturas.
Con las lámparas IR y los cañones de inyección de aire caliente se puede
obtener un rápido calentamiento de la superficie expuesta a la radiación o al
flujo de aire caliente respectivamente, en este tipo de equipos, debe
prestarse atención especial al control y monitoreo de la temperatura de
curado para evitar un sobrecalentamiento y daño del producto o de la
estructura envolvente para casos de reparación. En ocasiones el uso de las
colchonetas térmicas en superficies de alta curvatura no es viable, por lo que
este tipo de equipo es ideal para emplearse en esas situaciones.
Los autoclaves son hornos presurizados del orden de 689kPa (100psi) y
temperaturas de 260°C (500°F), manejan presiones del orden de los 586kPa
(85psi). El empleo de estos dispositivos está condicionado por el tamaño de
la pieza a fabricar. Similar a los hornos; estos dispositivos son controlados
automáticamente, disponibles para ciclos de curado de varias etapas,
numerosas líneas de vacío y conexiones para termopares. En estos
dispositivos llama la atención el empleo de nitrógeno, gas utilizado
principalmente para proporcionar presión y prevenir un incendio o una
explosión. Es de uso estrictamente estacionario.
La capacidad de recirculación del aire interno al igual que la uniformidad de
temperatura, demuestra una fiabilidad enorme en las aplicaciones más
exigentes de producción y de laboratorio, tales como curado, secado,
esterilizado, envejecimiento, pruebas ASTM y UL, y otras aplicaciones
críticas. Este tipo de horno entrega temperaturas mayores a 343°C (650°F)
con un volumen de 117L (4.2 ft3).
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Tabla 2. Naturaleza de fabricación de algunos dispositivos para el curado de MC (CONTINUACIÓN).
DISPOSITIVO
RESUMEN DE CARACTERISTICAS
Las colchonetas térmicas, fabricadas principalmente de materiales
resistentes a la temperatura como el caucho de silicón, son comunes
en reparaciones de aeronaves que impliquen una superficie irregular.
Se colocan manualmente y el calentamiento se transmite
Figura 2.12 Mantas calefactoras
conductivamente. Disponibles en diferentes tamaños y formas, se
[23].
limitan por una vida de trabajo corta.
Figura 2.13 Mesa de curado
serie HCS 7500 [26].
Figura 2.14 Horno de microondas
con sistema de vacío y secado
tipo armario [29].
Esta configuración se caracteriza por tener una bolsa de vacío
reutilizable y un sistema eléctrico en la bomba de vacío con un rango
de temperatura hasta 500°F (260°C) y 8 puertos de termocoples.
Además de que la presión puede medirse en inHg y KPa o mbar.
Este sistema, proporciona las funciones de calentamiento, secado,
vacío, similares a las de un horno, la temperatura de operación es
superior a 750 °C, la configuración armario contiene un sistema de
cajón-carretilla que concede al operador un mejor manejo de las
piezas, permitiendo la facilidad de levantarlas o introducirse según sea
el caso. Las opciones de calentamiento son: eléctricamente,
combustión de gas, energía IR, microondas, agua caliente, vapor y
aceite caliente. Ofrece accesorios y software para controlar, monitorear
y documentar el proceso.
2.5 La radiación electromagnética en el curado sin autoclave
Esta sección muestra un panorama de los diferentes métodos de calentamiento (Tabla 3) usando
radiación electromagnética para el curado de materiales compuestos.
Tabla 3. Fabricación de materiales compuestos sin autoclave (enfoque por categoría) [19].
Transferencia de energía
Curado cinético de resina
Automatizado
Calentamiento por inducción
Preformado
Quemadores de gas
Infusión e inyección (LCM)
Extrusión
Vibración
Temperatura ambiente
Pultrusión
Ultrasonido
Polimerización in-situ
Tecnologías que utilizan presión
Curado
por
haz
de Deposición de fibra automatizada
Radiación electromagnética
electrones (e-beam)
(ATP)
Calentamiento en horno
Bobinado filamentario
Curado mediante fluido caliente
Generalmente la radiación electromagnética se clasifica por longitud de onda en radioondas,
microondas, infrarrojo, región visible, ultravioleta, rayos-x y rayos gamma, agregando que el
comportamiento del espectro electromagnético, además de depender de su longitud de onda
también depende de la cantidad de energía por fotones que transmite.
Las secciones 2.5.1 a 2.5.5 describen las técnicas de transferencia de energía, que mediante el uso
del espectro electromagnético logran el curado de materiales compuestos.
2.5.1 Calentamiento por inducción
En este proceso se calienta solo la superficie del molde metálico
(Figura 2.15) a través de inducción electromagnética mediante el
paso de corrientes Eddy en el mismo molde. Un calentador por
inducción consiste en un electro-magneto, a través del cual se
hace pasar corriente alterna a una gran frecuencia, la cual
depende del tamaño del objeto, tipo de material, forma del
acoplamiento (entre la bobina de trabajo y el objeto a ser
calentado) y la profundidad de penetración deseada.
Figura 2.15 Concepto del
calentamiento por inducción [19].
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Aunque este método no es muy popular, es un método muy eficiente para calentar la superficie del
molde, mientras que el resto del molde permanece frio. Así como la principal ventaja de este proceso
es el rápido calentamiento (250K/min), surgen grandes desafíos para los materiales empleados en
el molde, por ejemplo evitar la deflexión de las superficies, resultado de la diferencia de temperaturas.
Una aplicación de este tipo de calentamiento, es en el proceso de fabricación estándar VARTM, en
donde el flujo de la resina es controlado mediante calentamiento para disminuir la viscosidad de la
resina en cierta zona y así mejorar la penetración de la misma a través del laminado.
2.5.2 Radiación IR
Con este tipo de calentamiento se obtienen ciclos de curado cortos, además de caracterizarse por
su facilidad de empleo en espacios reducidos en planta en comparación a los hornos de curado por
convección.
La
energía
(temperatura)
se
incrementa conforme la longitud de
onda disminuye. A diferencia de la
convección, la cual primero calienta el
aire para transmitir energía a la pieza
de trabajo, la incidencia de la radiación
IR sobre la superficie del compuesto
provoca que las capas internas del
laminado se calienten por conducción
desde las capas externas [30-32],
haciendo que el proceso de curado sea
más uniforme. La Figura 2.16 muestra
un ejemplo de un horno IR para
laminados.
Aunque el uso de energía IR en el
curado de laminados es limitado, su
característica
principal
es
el
calentamiento rápido y eficiente que se
logra, lo que hace versátil su empleo en
diferentes campos.
Figura 2.16 Horno infrarrojo de media onda para el curado de
laminados [19].
2.5.3 Microondas
El calentamiento por microondas es una tecnología utilizada principalmente en la industria
alimentaria, sistemas de comunicación, armamento, etc. Por otro lado, en la industria de los
materiales compuestos su evolución de aplicación ha sido lenta.
El calentamiento por microondas para materiales ocurre debido al mecanismo de perdida dieléctrica.
Cuando un campo eléctrico externo es aplicado a un material dieléctrico, pueden presentarse tres
tipos de polarización: (1) electrónica, (2) iónica o atómica y (3) por orientación o polarización dipolar.
La situación en polímetros dieléctricos se realiza a través de orientación dipolar por el campo
eléctrico.
Para el caso de los materiales compuestos, solo la resina puede ser calentada eficientemente debido
a la estructura molecular y las características dieléctricas de los materiales empleados en las fibras
(Tabla 4). Debido a que el intervalo para el uso de microondas es limitado, el proceso es aplicable
solo para algunos sistemas de resina.
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Tabla 4. Interacción del calentamiento por microondas con los materiales [19].
Material
Penetración
Absorbente
Parcial
Transparente
Total
Opaco
Nula
Compuesto
(matriz polimétrica: transparente; fibra: transparente o absorbente)
Parcial a
total
2.5.4 Curado por radio frecuencia (RFC)
Esta tecnología es un tipo de calentamiento dieléctrico, el cual causa una rotación molecular en
materiales que contienen moléculas polares, produciendo un momento eléctrico dipolar. Las
moléculas polares se alinearan en presencia de un campo electromagnético. Si el campo oscila, las
moléculas polares rotarán continuamente en un esfuerzo por mantener la alineación magnética.
La oscilación hace que las moléculas empujen, presionen y choquen con otras moléculas
incrementando su energía cinética ocasionando un aumento de temperatura en el material, por lo
que la rotación dipolar (orientación) es un mecanismo por el cual la energía en la forma de radiación
electromagnética se convierte en energía de calentamiento.
El rango del espectro electromagnético para esta tecnología se muestra en la Figura 2.17, la cual
entre los años 1920 y 1940 fue una interesante opción de calentamiento para la industria de ese
periodo (GE, Westinghouse, Bell y RCA), desarrollándose generadores de radio frecuencia y equipo
de calentamiento aunque posteriormente esos proyectos no tuvieron continuación
Figura 2.17 Rango del espectro electromagnético para radio frecuencia [19].
Tres elementos son necesarios para que un sistema de RFC funcione correctamente: (1) generador
de RF, (2) electrodo y (3) material sintetizador.
Aunque existen muchas ventajas para usar este tipo de tecnología en la manufactura de materiales
compuestos, existe muy poca información sobre el curado de polímeros usando esta técnica. Se
cree que la principal razón es el costo del sistema.
2.5.5 Radiación ultravioleta (UV)
Los procesos de fabricación de materiales compuestos como el moldeo manual, VARTM, el bobinado
filamentario y los procesos de pre-impregnado, han sido adaptados al curado mediante UV.
Existen dos tipos de fuente de radiación UV: lámparas de vapor de mercurio (mayormente utilizadas)
y lámparas de xenón. La principal característica que distingue el curado por haz de electrones (ebeam) y el curado mediante UV es la agregación de un fotoiniciador [32, 33] para este último,
iniciando la polimerización solo en el área irradiada con radiación UV.
Similar al curado por haz de electrones (electron-beam o e-beam), el proceso de polimerización
(Figura 2.18) forma las especies reactivas denominadas radicales libres para resinas de base acrilato
(monómeros y oligomeros) o cationes para resinas epóxicas y viniléster [32, 33].
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Figura 2.18 Representación esquemática del proceso de curado mediante UV.
Las propiedades del polímero obtenido [19], dependen del tipo y concentración del fotoiniciador y los
diluyentes (opcionales), la intensidad y duración de la irradiación, y la temperatura a la cual se lleva
el curado.
Se pueden identificar dos estrategias de curado utilizando la radiación UV [33]: (a) irradiación del
laminado después de la impregnación, o (b) irradiación durante la producción del componente (en el
bobinado filamentario).
2.5.6 Curado por haz de electrones (e-beam)
Regularmente combinado con la deposición de fibra automatizada (AFP), en este tipo de curado la
polimerización del compuesto se activa ionizando las cadenas del monómero, eliminando así la
necesidad de cualquier tipo de calentamiento adicional (Figura 2.19a). Este proceso es similar al
curado UV en cuanto a la formación de las especies reactivas.
La ionización o activación se inicia por el disparo de un haz de electrones concentrado, emitido a
través de un dispositivo (Figura 2.19b) sobre la resina pre-impregnada en las fibras.
a.
b.
Figura 2.19 a. Principio de curado y b. Acelerador de electrones utilizado en el curado por e-beam [19].
Aunque sus mayores ventajas como el bajo consumo de energía, la probabilidad de curar
instantáneamente a temperatura ambiente y la versatilidad para aplicarse en la fabricación continua
como la deposición de fibra automatizada (AFP), tiene como principal restricción el elevado riesgo
para el factor humano operador del sistema, derrumbando así la enorme ventaja económica.
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CAPITULO 2
2.6 Conveniencia de la radiación IR aplicada en la polimerización
de materiales compuestos
De los diferentes métodos convencionales de polimerización para materiales compuestos (radiación
ultravioleta, horno, haz de electrones e-beam y radiación infrarroja), el método de curado mediante
radiación infrarroja es un método innovador que ha mostrado gran eficacia en la reducción de tiempo
y costo de fabricación de componentes [19, 34, 35], agregando que con el empleo de este método
de curado, no se alteran las propiedades de la resina.
El estudio del curado de resinas termoestables principalmente sin horno ni autoclave (NONA [18]),
ha desarrollado un sistema denominado P-WAVETM2 [34], que se auxilia de un método de
tratamientos en resinas denominado PTIRTM3 (Figura 2.20), donde el primero emite radiación IR, la
cual penetra en la mayoría de los materiales poliméricos y permite la máxima absorción de radiación
en partes con PTIRTM, calentando 10 veces más rápido que los métodos convencionales.
a.
b.
Figura 2.20 a. Diagrama de trabajo del sistema P-WAVETM, b. Dispositivo del sistema P-WAVETM.
En los diagramas de la Figura 2.21 se puede observar la comparación de dos ciclos de curado, en
los cuales destaca la reducción de tiempo con el sistema P-WAVETM.
Figura 2.21 Graficas que muestran la comparación del tiempo de curado de la resina en cuestión [34].
Otro dispositivo desarrollado principalmente para el curado de materiales compuestos, denominado
“infratherm” [35] lo muestra la Figura 2.22, el cual es un sistema con la combinación de dos tipos de
curado: curado por radiación infrarroja (IR) y curado por radiación térmica.
a.
b.
Figura 2.22 a. Sistema “Infratherm”; b. Esquema de trabajo del sistema “Infratherm” [35].
2
3
Sistema para el curado de resina desarrollado por Kubota Research Associates Inc.
Método de tratamiento de resina desarrollado por Kubota Research Associates Inc.
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infrarroja
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CAPITULO 2
Kumar y colaboradores [35] realizaron un estudio en donde se utilizan los métodos de curado
disponibles en el sistema “infratherm”. Se polimerizaron dos tipos de laminados, en donde cada
laminado utilizado constaba de 13 capas de fibra de vidrio con dimensiones de 200mm x 200mm
para la comparación del esfuerzo último de tensión en cada laminado. Sus características se listan
en la Tabla 5.
Tabla 5. Laminados utilizados en [35].
Laminado 1
Matriz polimérica DGEBA (Diglycidyl ether of
bisphenol A) tipo LY556 (resina epoxy)+HY
951(agente de curado en estado líquido).
Endurecedor agregado a la resina a
temperatura ambiente, agitándose para obtener
una mezcla homogénea. Fibra de vidrio como
refuerzo con orientación 0°/90° (bidireccional)
con una mezcla estequiométrica de 11g de
HY951 por 100g de LY556.
Laminado 2
Matriz polimérica DGEBA (Diglycidyl ether of
bisphenol A) tipo LY556 (resina epoxy)+HT 972
(agente de curado en estado sólido).
Endurecedor calentado para agregarse a la
resina a temperatura ambiente, agitándose
para obtener una mezcla homogénea. Fibra de
vidrio como refuerzo con orientación 0°/90°
(bidireccional) con una mezcla estequiométrica
de 28g de HT972 por 100 g de LY556.
La Figura 2.23 muestra el comportamiento esfuerzo σ contra deformación ε, obtenido para ambos
laminados, fabricados mediante los dos métodos de curado (radiación IR y térmica), en donde, el
método de curado mediante radiación infrarroja, muestra mejor comportamiento en comparación al
otro método.
a.
b.
Figura 2.23 a. Comparación del esfuerzo ultimo de tensión contra deformación Laminado 1;
b. Comparación del esfuerzo ultimo de tensión contra deformación Laminado 2 [35].
Por otra parte los termogramas (Figura 2.24), muestran que la Tg (temperatura de transición vítrea)
en el curado mediante IR es mayor en comparación con el curado térmico, obteniéndose una
polimerización en menor tiempo. Los valores de Tg en diferentes lugares del laminado indican la
uniformidad del proceso de curado, reflejando que no hay espacios sin polimerizar.
b.
a.
Figura 2.24 a. Termograma del Laminado 1; b. Termograma del Laminado 2 [35].
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infrarroja
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CAPITULO 2
El consumo de energía en cada sistema de curado aplicado a cada laminado, lo muestra la Figura
2.25, en donde se observa que el consumo de energía se reduce en 33% en el caso del curado IR
para el sistema LY556+HY951 (Laminado 1) y en 41% para el caso del sistema LY556+HT972
(Laminado 2).
Figura 2.25 Comparación del consumo de energía del curado IR contra curado térmico [35].
En contraste con los métodos convencionales de curado, en donde se requiere el suministro de calor,
puede subrayarse que el uso de la radiación IR es una alternativa viable para la polimerización de
materiales compuestos en términos de eficiencia, ahorro de energía (hasta 50% [12]) y mejor
comportamiento de los constituyentes [19, 34, 35], ya que esta radiación se emplea exactamente en
donde se requiere (modificaciones, reparaciones estructurales o fabricación de componentes [11,
19, 26]) y por el tiempo deseado.
Se puede concluir que el curado de las resinas puede lograrse utilizando los métodos tradicionales
de curado y otros que no son considerados tradicionales y lo más importante, existen algunos como
el caso de la radiación infrarroja que no degradan las propiedades de la resina.
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CAPITULO 3
CAPITULO 3
LA RADIACIÓN INFRARROJA
3.1 Introducción
La radiación IR es energía radiante que pasa a través del espacio en forma de ondas
electromagnéticas (Figura 3.1). Similar a la luz, puede ser reflejada y enfocada. La energía IR no
depende del aire para su transmisión y es convertida en calor después de la absorción por el cuerpo
receptor o pieza de trabajo, de hecho el aire y los gases absorben muy poca energía IR [30]. Cuando
se dice luz, se piensa en la energía radiante que se puede ver; pero la luz que se detecta con los
ojos, es solo una pequeña fracción de todos los tipos de luz que se conocen hasta ahora.
Figura 3.1 Comparación de la longitud de onda, frecuencia y energía para el espectro electromagnético [36].
Cuando la energía IR es emitida sobre
un objeto, no toda la energía se absorbe
ya que puede ser transmitida o reflejada
y la energía reflejada indica perdidas de
calor (Figura 3.2). La ecuación 1 [30]
explica lo anterior, donde EIR es la
energía IR emitida igual a la suma de la
energía absorbida Ea por el objeto
expuesto a la radiación (pieza de
trabajo),
sumando
la
energía
transmitida Et a través del objeto
expuesto a la radiación (pieza de
trabajo) restando la energía reflejada Er
.
Figura 3.2 Diagrama de absorción de energía IR.
𝐸𝐼𝑅 = 𝐸𝑎 + 𝐸𝑡 − 𝐸𝑟 
Ecuación 1
La radiación IR es invisible a simple vista para el ser humano, al igual que los rayos gamma, rayosX, la luz ultravioleta, microondas y ondas de radio. Todos estos rayos y ondas están contenidos en
el mismo espectro electromagnético (Figura 3.1) diferenciándose solamente con su longitud de onda.
Citando un ejemplo; cuando un observador ve un objeto por efecto de la luz visible; sus ojos
distinguen las diferentes ondas de luz como diferentes colores para interpretar su entorno.
Realmente las ondas no se ven, solo se puede ver colores. Así que, aunque el observador no puede
ver la luz IR térmica que emana de un objeto caliente, si puede percibir su calor en caso de que el
objeto esté colocado lo suficientemente cerca de su piel.
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CAPITULO 3
3.2 Rayos infrarrojos
Estos rayos fueron descubiertos en 1800 por
William Herschel. Observando la descomposición
de la luz a través de un prisma de vidrio (Figura
3.3), W. Herschel notó que un termómetro situado
fuera del espectro visible de la luz del sol, muestra
mayor incremento de temperatura que otro situado
en la región roja [37].
Figura 3.3 Diagrama para la detección de la
radiación IR [37].
Aunque la longitud de onda de los rayos infrarrojos es mayor que la luz roja visible, la frecuencia es
más baja (de aquí que se llame infrarrojo). El espectro electromagnético puede ser expresado en
términos de energía, longitud de onda o frecuencia [38].
La Ecuación 2 [38] explica lo anterior, en donde C es la velocidad de propagación de la luz
(299727.738 km/s en aire y 299792.458 km/s en vacío), f es la frecuencia y λ es la longitud de onda.
𝜆=
𝐶
𝑓
Ecuación 2
La energía contenida en un fotón E se puede calcular mediante la ecuación 3 [38], en donde P es la
constante de Planck con un valor de 6.626(10-27) erg/s
𝐸 = 𝑓𝑃
Ecuación 3
3.3 Relación entre la longitud de onda y la temperatura
Todos los cuerpos con una temperatura superior
al cero absoluto (-273°C) emiten radiación IR en
forma de ondas, las cuales pasan a través del
espacio y son parcialmente absorbidas por
cuerpos cercanos [31]. La temperatura de un
objeto puede determinarse si la temperatura y
naturaleza de su superficie (emisividad) se
conocen.
Por ejemplo el aluminio pulido que tiene una
emisividad de 0.04 (pobre emisor) es altamente
reflectivo y difícil de calentar con energía IR, pero
si la superficie del aluminio es esmaltada, su
emisividad incrementa entre 0.85 y 0.91,
provocando que sea calentado fácilmente con
energía IR (Tabla 6).
La cantidad de energía radiante emitida desde
una fuente emisora es proporcional a la
temperatura de la superficie y la emisividad del
material. Esto lo describe la ley de StefanBoltzman en la Ecuación 4a [31] donde σSB es la
constante de Stefan-Boltzman que tiene un valor
de 5.67 (10-8) Wm-2K4 y T es la temperatura
absoluta del cuerpo negro (o radiador ideal).
𝑊 = 𝜎𝑆𝐵 𝑇 4
Tabla 6. Índices de emisividad aproximados de
algunos materiales [30].
METAL
Aluminio
Latón
Cobre
Oro
Acero
Acero inoxidable
Plomo
Níquel
Plata
Estaño
Zinc
Hierro galvanizado
Pulido
Rugoso
0.04
0.055
0.03
0.06-0.2
0.018-0.02
0.018-0.035
0.12-0.40
0.75
0.11
0.57
0.057-0.075
0.28
0.45-0.087
0.02-0.035
0.04-0.065
0.045-0.053
0.228
OTROS MATERIALES
Asbestos
Ladrillo
Carbón
Vidrio (liso)
Roble (cepillado)
Papel
Plásticos
Esmaltado de porcelana
Cuarzo (en bruto fundido)
Materiales refractarios
Caucho
Agua
PINTURAS, LACAS, BARNICES
Laca (Negro/blanco)
Esmalte (cualquier color)
Pinturas base aceite (cualquier color)
Pintura de aluminio
Oxidado
0.11-0.19
0.60
0.57
0.80-0.95
0.80-0.95
0.63
0.37-0.48
0.11
0.276
0.93-0.96
0.75-0.93
0.927-0.967
0.937
0.895
0.924-0.944
0.86-0.95
0.924
0.932
0.65-0.91
0.86-0.95
0.95-0.963
0.8-0.95
0.85-0.91
0.92-0.96
0.27-0.67
Ecuación 4a
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CAPITULO 3
Para objetos calientes distintos de los radiadores ideales, el flujo de calor Wh lo expresa la ecuación
4b [31], en donde ε es la emisividad del objeto (ε = 1 para el radiador ideal).
𝑊ℎ = ε𝜎𝑆𝐵 𝑇 4
Ecuación 4b
Para un cuerpo de área A, el flujo de calor por unidad de superficie WA se expresa en la forma de la
ecuación 4c[31], la cual muestra que la radiación total es directamente proporcional al área de
superficie de la superficie emisora, factor importante en el diseño de hornos.
𝑊𝐴 = εAσSB 𝑇 4
Ecuación 4c
Los objetos calientes emiten más luz en longitudes de onda cortas, y los objetos fríos emiten más
luz en longitud de ondas largas. A la cantidad de luz emitida en una longitud de onda particular, se
le llama intensidad. Cuando se grafica la intensidad de la luz proveniente de un objeto en cada
longitud de onda, se obtiene una curva suave llamada curva de Wien o curva de la distribución
espectral del cuerpo negro, como la que se presenta en la Figura 3.4.
Para cualquier temperatura, la curva del cuerpo negro muestra cuanta energía (intensidad) es
radiada en cada longitud de onda, así como la longitud de onda donde se ubica la cima de la
intensidad determina el color del objeto. La intensidad de la longitud de onda en la cima será más
corta (más azul) para objetos calientes, y la longitud de onda más larga (más roja) para objetos fríos.
Nótese que conforme
la
temperatura
aumenta, la cima de la
temperatura máxima
se va recorriendo hacia
la izquierda, esto se
conoce como la curva
de Wien y es un factor
importante
en
la
selección del equipo
para
calentamiento.
Sin embargo, la cima
de la curva para
objetos calientes será
más
larga (mayor
intensidad) que para
objetos más fríos.
Figura 3.4 Características de la radiación emitida por un cuerpo negro [37].
La cima o pico de la longitud de onda de la energía se puede determinar usando la ley de
desplazamiento de Wien (Ecuación 5). La longitud de onda donde se produce el pico de energía de
emisión de la fuente λp se calcula dividiendo la Constante de Wien CW con un valor de 5269μ°R
(2897.6μK) por la temperatura del cuerpo negro T.
𝐶𝑊
Ecuación 5
𝜆𝑝 =
𝑇
Así es como se predice la temperatura de una estrella o galaxia por su color, porque está
cercanamente relacionado a la longitud de onda en la cual su intensidad de luz llega al máximo. Por
ejemplo, la diferencia de intensidad entre la cima de la curva para un objeto a 30,000 K y la cima de
la curva para un objeto a 300 K (temperatura del cuerpo) es un factor de 10 billones. Esto significa
que una estrella a 30,000 K emite más energía con un factor de 10 billones que la temperatura del
cuerpo humano emite. Debido a la gran diferencia de intensidad, es difícil graficar ambas curvas sin
usar logaritmos. La Figura 3.4 indica en el eje vertical las diferencias de intensidad para cada
temperatura, modificándose por sí misma en cada cambio de temperatura.
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infrarroja
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CAPITULO 3
3.4 Regiones del infrarrojo y sus aplicaciones
Al igual que el espectro electromagnético la región del IR se divide en pequeñas regiones (Figura
3.5). Cada región de radiación infrarroja, tiene diferentes usos o aplicaciones, algunos se muestran
en la Tabla 7.
Tabla 7. Regiones y características del infrarrojo [37-40].
REGIÓN
NIR, IR-A
(cercana al infrarrojo)
SWIR, IR-B
(Longitud de onda infrarroja corta)
MWIR, IR-C
(Longitud de onda infrarroja media)
LWIR, IR-C
(Longitud de onda infrarroja larga)
Región infrarroja térmica
FIR (Infrarrojo lejano)
Región aprovechada por el sistema
inmunológico humano
APLICACIÓN
- Comunicación de fibra óptica,
- Dispositivos de visión nocturna,
- Controles remotos,
- Astronomía,
- Monitoreo remoto,
- Ingeniería de materiales,
- Medicina y
- Agricultura.
- Comunicación a larga distancia,
- Cámaras SWIR y
- Gafas de visión nocturna (ámbito militar)
- Tecnología para la guía de misiles,
- Espectroscopia infrarroja,
- Comunicación,
- Industria química,
- Astronomía.
- Localización de emisiones térmicas,
- Telescopios astronómicos,
- Comunicación por fibra óptica.
- Láseres,
- Astronomía,
- Saunas infrarrojas,
- Medicina.
LONGITUD DE ONDA
(μm)
0.75-1.4
1.4-3.0
3.0-8.0
8.0-15.0
15.0-1000.0
Figura 3.5 Bandas del infrarrojo en el espectro electromagnético (Unidades en μm) [40].
3.5 Fuentes de emisión de energía IR
Las fuentes de emisión comunes (lámparas de calor, lámparas de cuarzo, tubos de cuarzo,
resistencias eléctricas, elementos cerámicos y paneles cerámicos, de vidrio o metálicos), así como
sus características físicas únicas (rangos de temperaturas de operación y longitudes de onda con
picos de energía diferentes) se presentan en la Tabla 8.
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infrarroja
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CAPITULO 3
Tabla 8. Características comerciales de fuentes emisoras de energía IR [30].
Filamento de tungsteno
Lámpara
de cuarzo
T3
Fuente de emisión IR
Bombilla de
vidrio
Temperatura de la fuente
(°F)
3000-4000
Alambre de resistencia de níquel-cromo
Panel de área amplia
Frente
de
cuarzo
Tubo de
cuarzo
Envoltura
metálica
Cerámica
Cerámica
recubierta
3000-4000
>1600
>1500
>1600
200-1600
>1700
Rojo
opacobrillante
Rojo
oscuroopaco
Rojo oscurocereza
Rojo
oscurocereza
Brillo
Blanco intenso
Blanco
intenso
Rojo brillante
– naranja
opaco
Configuración típica
Lámpara G-30
Tubo de
3/8” de
diámetro
Tubo de 3/8”
o 1/2”
Tubo de
3/8” o 1/2”
Varias
formas
Panel plano
Panel
plano
Tipo de fuente
Puntual
Lineal
Lineal
Puntual
Área
pequeña
Área amplia
Área
amplia
1.16
1.16
2.55
2.68
3-4
2.25-7.9
2.5-6
Pico de longitud de onda
(μm)
Máxima densidad de
potencia (kW/ft2)
Watts por pulgada lineal
Eficiencia de conversión IR
Tiempo de respuesta
(calentamiento/enfriamiento)
Sensibilidad del color
Resistencia al choque
térmico
Resistencia mecánica
Modelo Chromalox
1
3.9
1.3-1.75
3.66
>3.6
3.6
5.76
N/A
86%
100
86%
34-45
40-62
45-55
45-56
N/A
45-50
N/A
45-55
Segundos
segundos
1-2 minutos
2-4 minutos
5-7 minutos
5-8 minutos
Alto
Alto
Medio
Medio
Medio
Bajo a
medio
N/A
45-55
6-10
minutos
Bajo a
medio
Pobre
Excelente
Excelente
Excelente
Bueno
Bueno
Bueno
Pobre
Buena
Buena
Excelente
Buena
QR
QRT
RAD,URAD
RCH
Buena
CPL, CPLI,
CPH
Buena
-
CPHI
Debe subrayarse que solo la energía absorbida es útil para el calentamiento del producto (Ecuación
1). Para aplicaciones sin fronteras (espacios ilimitados), las pérdidas por reflexión y re-radiación son
excesivas [30]. Una solución para el control de las pérdidas de energía IR, es contener el producto
o pieza de trabajo en un sitio (horno o túnel) con superficies altamente reflectivas para provocar que
la energía reflejada y re-radiada sea reflejada nuevamente a la pieza de trabajo para convertirse en
energía útil para el calentamiento.
3.5.1 Temperaturas de la fuente de emisión y distribución de la longitud de onda para
el proceso de calentamiento.
Las fuentes emisoras de energía IR (Tabla 8) cubren un amplio rango del espectro de longitudes de
onda (Ecuación 5) apareciendo las siguientes características:
1. La energía de salida incrementa la temperatura de la superficie expuesta a la radiación
conforme más energía está siendo irradiada.
2. Un alto porcentaje de la energía IR se concentra en el pico de las longitudes de onda (Tabla
8).
3. Los picos de la energía de salida se desplazan hacia la longitud de onda más corta (IR
cercano). Por ejemplo, para una fuente con una temperatura de operación de 1400°F
utilizando la ecuación 5 se tiene λp=5.49μm.
Para
procesos
de
calentamiento,
es
recomendable que la fuente emisora de IR tenga
un pico de longitud de onda de salida que
coincida con la banda de absorción del material
que está siendo calentado [30].
La Tabla 9 muestra información de la absorción
de algunos materiales plásticos y la temperatura
recomendada para la fuente, especialmente para
aplicaciones de termoformado.
Tabla 9. Características de absorción IR de
algunos materiales [30].
Plástico
LPDE
HDPE
PS
PVC
PMMA
PA-66
Celulosa
Acetato
Banda de
absorción (μm)
3.3-3.9
3.2-3.7
3.2-3.7
(6.4-7.4)
1.65-1.8
(2.2-2.5)
1.4-2.2
1.9-2.8
(3.4-5)
2.2-3.6
(5.2-6)
Fuente ideal de
temperatura (°F)
877-1170
950-1170
950-1170
245-355
2440-2700
1625-1910
1910-3265
1405-2285
585-1075
990-1910
440-545
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CAPITULO 4
CAPITULO 4
METODOLOGÍA DE DISEÑO
4.1 Introducción
El proceso de diseño debe centrarse en el usuario, recopilando sus necesidades para que el
diseñador incluya la voz del cliente en el producto a definir. Durante la etapa de diseño, el diseñador
debe definir claramente estos problemas y requerimientos para que el esfuerzo de diseño dirija a
una solución apropiada. Sin despreciar las restricciones económicas, seguridad, estética, ética,
impacto social y la rentabilidad del producto.
Figura 4.1 Elementos básicos del diseño de producto según la ingeniería concurrente [5]
Lo anterior obliga al diseñador a enfocarse en las especificaciones funcionales del sistema y no hacia
los elementos y componentes, considerando los elementos básicos de diseño del producto (Figura
4.1), sin olvidar la versatilidad para que nuevas tareas puedan agregarse a lo largo de la vida del
producto sin que haya pérdidas en un rediseño o modificación.
Para iniciar la solución del proyecto, se sugiere aplicar el Despliegue de Funciones de Calidad (QFD);
técnica que involucra una secuencia continua para clarificar el problema de diseño y ayuda al
diseñador a desarrollar relaciones secuenciales desde los requerimientos del cliente, características
de ingeniería y procesos de manufactura para la generación del producto final.
En general la técnica del QFD traduce las necesidades del cliente en acciones y diseños para
entregar un producto de calidad. Durante las fases del QFD se usa la llamada casa de calidad (Figura
4.2) como parámetro a manipular, vectores específicos y matrices que pueden beneficiar al producto
en las siguientes cuatro formas:
1. Reducción del tiempo del desarrollo del producto,
2. Reducción del desperdicio durante el inicio de la producción,
3. Mejoramiento de la calidad del producto, y
4. Incremento de la satisfacción del cliente.
Sin embargo, el desarrollo de un nuevo producto requiere grandes cantidades de retroalimentación
e investigación de mercado para identificar requerimientos críticos del cliente así como
características de diseño [41].
4.2 Despliegue de las Funciones de Calidad QFD
La filosofía del QFD fue iniciada por Yoji Akao y Shigeru Mizuno, desarrollándose en los astilleros
KOBE en Japón en los años 70, contribuyó a encumbrar la construcción naval japonesa en los
primeros lugares mundiales. El QFD apunta a diseñar productos que aseguren la satisfacción del
cliente y el valor “la primera vez, cada vez” [6].
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CAPITULO 4
El desarrollo de la información [5] de la casa de la calidad (Figura 4.2.1) empieza con QUIEN (Etapa
1) es o son los clientes y QUE (Etapa 2) es lo que quieren que realice el producto.
Posteriormente se determina para quien es importante el que, QUIEN vs QUE (Etapa 3). Luego se
identifica como se resuelve (actualmente) el problema o situación similar comparándose con lo que
el cliente demanda AHORA vs QUE (Etapa 4) para encontrar nuevas oportunidades de mejoramiento
para la solución actual. Una de las etapas más difíciles dentro del desarrollo de esta información, es
la determinación de COMO (Etapa 5) se va a medir la capacidad del producto para satisfacer los
requerimientos del cliente (especificaciones de ingeniería).
Para la correlación de las especificaciones de ingeniería con los requerimientos del cliente se genera
comparando QUE vs COMO (Etapa 6). La información de las metas de diseño mesurable CUANTO
(Etapa 7) se desarrolla en la base del diagrama. Finalmente la interrelación entre las especificaciones
de ingeniería se anota en el tejado del diagrama COMO vs COMO.
Figura 4.2.1 Diagrama de la casa de calidad [42].
4.2.1 Identificación del cliente
Este proyecto parte de la necesidad de fabricación de artículos en materiales compuestos que tiene
la ESIME Ticoman.
En el marco de los procesos de curado para materiales compuestos, existe uno, que se logra
mediante la emisión de luz infrarroja. Aspecto que se desea cubrir en el laboratorio de materiales
compuestos mediante el diseño de un dispositivo que permita emplear dicha técnica.
Una vez identificado el cliente, se puede definir el tipo de cliente al que afectará el producto.
1. Cliente externo: Iniciativa privada, unidades académicas
internacionales.
2. Cliente interno: ESIME Ticoman, comunidad académica interna.
locales,
nacionales
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CAPITULO 4
4.2.2 Determinación de los requerimientos y expectativas de los clientes
En este apartado se realizaron entrevistas a académicos de la ESIME Ticoman involucrados en la
línea de los materiales compuestos (Tabla 10a) para conocer las expectativas del cliente (Tabla 10b)
y utilizarlos como base en la planificación de las características del producto.
Tabla 10a. Personas entrevistadas para conocer requerimientos.
ACADÉMICOS ENTREVISTADOS
NÚMERO
Ingenieros
3
Maestros en Ciencias
4
Doctores en Ciencias
2
Total
9
Tabla 10b. Requerimientos agrupados de las entrevistas aplicadas.
REQUERIMIENTOS AGRUPADOS
1
Que permita un rango de temperaturas para curado
37
Definir materiales para aplicar el proceso de curado
2
Temperatura regulable
38
Que cumpla con los procesos de curado seleccionados
3
Intensidad de calor regulable
39
Salvaguardar vida del operador con equipo especial (gafas)
4
Que tenga un control de temperatura
40
Que sea transportable
5
Que la temperatura se pueda graduar
41
Modular
6
Que se puedan programar rampas de curado
42
Transportable
7
Tener control de temperatura
43
Desarmable
8
Que permita diferentes rangos de temperatura
44
Que sea un sistema compacto
9
45
47
Que sea fácil de transportar
Capacidad de variar la distancia entre la fuente y la pieza
de trabajo
Que permita variar la altura de los focos
48
Que permita una variación en cuanto a la altura
49
Que los brazos porta focos sean movibles
50
Que sea fácil de utilizar por el operador
51
Que se opere fácilmente
18
Que se puedan medir los rangos de temperatura
Capacidad de colocar termocoples para monitoreo de
temperatura
Indicadores de temperatura, intensidad o potencia
Espaciamiento adecuado para introducir las placas de
material compuesto
Espacio para placas de material compuesto de
dimensiones de 50x180 cm
Modulable para placas y moldes cóncavos
Que satisfaga los volúmenes de las partes que se deban
tratar
Que pueda curar piezas de alrededor de 2m x 1m
Que permita la fabricación de elementos de L=1m por
a=0.5m
Que pueda configurarse para volumen cerrado o abierto
54
Que se tengan planos conceptuales
19
Que mantenga un medio cerrado
55
Que se tenga un manual de operación
20
Que permita la circulación homogénea
56
Que cuente con un manual de mantenimiento
21
Que permita una distribución uniforme de calor
57
Que sea automatizado
22
Que tenga buena distribución de temperatura
58
Indicar digitalmente la temperatura
23
Que la temperatura sea homogénea
59
Usar termopares
24
Que sea aislante
60
25
Que la temperatura sea homogénea dentro del equipo
61
10
11
12
13
14
15
16
17
46
52
Fácil mantenimiento
53
Que requiera muy bajo mantenimiento
27
Procesos de manufactura vayan acorde con la
disponibilidad tecnológica
Materiales económicos para la manufactura del equipo
63
Capacidad de instalar un puerto de vacío
Que contenga una superficie rígida para el proceso de
vacío
Que tenga una salida para la manguera del equipo de bolsa
de vacío
Que funcione con el voltaje disponible en el laboratorio
28
Hecho de materiales nacionales
64
Que funcione para un voltaje estándar de 127 volts
29
Que la configuración sea de fácil adquisición
65
Que funcione por medio de radiación infrarroja
30
Materiales de fácil adquisición
66
Configuración variable desde 1 hasta 6 lámparas mínimo
31
67
Que permita una buena circulación de los gases calientes
68
Aspersor de agua con motor
33
Repuestos fáciles de conseguir
Que los materiales para la manufactura del equipo sean
fáciles de conseguir
Que sea seguro
69
Luz infrarroja debe ser nominal o disponer de un acelerador
34
Que cuente con dispositivos de seguridad
70
Comparar base de datos con la heatcon
35
Que la distribución del cableado este protegida del calor
Maximizar el empleo de elementos normalizados o
comerciales
71
Cubrir norma weatherbility
72
Que convine con el color de mis ojos
26
32
36
62
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
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CAPITULO 4
La Tabla 10b lista algunos requerimientos repetidos en cuanto al objetivo que se desea, por lo que
sintetizándolos de acuerdo a su enfoque, resulta una lista en términos que afectan al diseño (Tabla
11). En este paso es conveniente determinar si cada requerimiento es mesurable en términos de
ingeniería, ya que en etapas posteriores (sección 4.2.5) deberán traducirse.
Tabla 11. Agrupación de requerimientos (O: obligatorio, D: deseable).
Requerimientos
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Controlar temperatura
Espacio de trabajo para piezas de 2mX1m
Emplear elementos normalizados
Variar la distancia de radiación
Monitorear temperatura
Instalar puertos de vacío
Distribución uniforme de calor
Aislante
Dispositivos de seguridad
Voltaje disponible en el laboratorio
Transportable
Modular
Desarmable
Manual de operación
Manual de mantenimiento
Configuración de hasta 6 lámparas
Sistema automatizado
Compacto
Hecho de materiales nacionales
Repuestos de fácil adquisición
Operar fácilmente
Fácil y bajo mantenimiento
Considerar norma weatherbility
Medir tiempo de funcionamiento
Mesurable
SI
NO
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Traducción
Refinar
Meta de diseño
Refinar
Refinar
Refinar
Refinar
Refinar
Refinar
Refinar
Refinar
Refinar
Refinar
Refinar
Meta de diseño
Meta de diseño
Meta de diseño
Refinar
Refinar
Refinar
Refinar
Refinar
Refinar
Refinar
Refinar
4.2.3 Determinación de la importancia relativa de los requerimientos y
expectativas de los clientes
Con base en una evaluación hecha en conjunto con las personas involucradas en el proyecto
(clientes internos), se identificaron los requerimientos obligatorios y los requerimientos deseables.
La separación de los mismos se muestra en las Tablas 12 y 13 respectivamente. Es importante
señalar que los requerimientos obligatorios tienen el mismo grado de prioridad para su cumplimiento
total, ya que si no se cumplen, el diseño no es satisfactorio.
Tabla 12. Requerimientos obligatorios.
REQUERIMIENTOS OBLIGATORIOS (RO)
RO1
RO2
RO3
RO4
RO5
RO6
RO7
RO8
RO9
RO10
RO11
RO12
RO13
RO14
RO15
Controlar temperatura
Espacio de trabajo para piezas de 2m x 1m
Emplear elementos normalizados
Variar la distancia de radiación
Monitorear temperatura
Instalar puertos de vacío
Distribución uniforme de calor
Aislante
Dispositivos de seguridad
Voltaje disponible en el laboratorio
Transportable
Modular
Desarmable
Manual de operación
Manual de mantenimiento
Tabla 13. Requerimientos deseables.
REQUERIMIENTOS DESEABLES (RD)
RD1
RD2
RD3
RD4
RD5
RD6
RD7
RD8
RD9
Configuración de hasta 6 lámparas
Sistema automatizado
Compacto
Hecho de materiales nacionales
Repuestos de fácil adquisición
Operar fácilmente
Fácil y bajo mantenimiento
Considerar norma weatherbility
Medir tiempo de funcionamiento
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CAPITULO 4
El siguiente punto a desarrollar es la ponderación de los requerimientos deseables, para la cual se
recomienda la aplicación de la “comparación por pares”; procedimiento que consiste en comparar
cada uno de los requerimientos con el resto. Como primera instancia en esta evaluación se
recomienda decidir cuál de los dos requerimientos a comparar es más importante.
Las primeras tres comparaciones se muestran en la Tabla 14, en donde RD1 es más importante que
RD2, asignándose un signo (+), señalando que RD2 es menos importante con un signo (-). Después
el requerimiento RD2 con los requerimientos restantes (RD3, RD4,…, RDn) y así sucesivamente
hasta que todos los requerimientos resulten comparados. La diagonal principal de la matriz,
regularmente es acotada con (0), ya que no se puede comparar un requerimiento con el mismo.
(Nótese que conforme se van comparando cada uno de los requerimientos con el resto, la Tabla 14
resulta una matriz asimétrica).
Tabla 14. Ejemplo de la comparación por pares.
RD1
RD2
RD3
0
Más importante (+)
Más importante (+)
Menos importante (-)
0
Menos importante (-)
Menos importante (-)
Mas importante (+)
0
…
…
…
RD1
RD2
RD3
RDn
RDn
…
…
…
…
Para este caso; la Tabla 15 muestra en sus renglones nueve requerimientos deseables identificados
con las siglas RD (requerimiento deseable), el requerimiento RD1 se comparó con cada uno de los
otros ocho requerimientos colocados en las columnas.
Después de las comparaciones, se registra la suma de los signos (+) de cada requerimiento. Cada
requerimiento tiene un valor relativo de importancia calculándose dividiendo el total de signos (+) del
requerimiento entre el número total de comparaciones.
La ecuación 8 expone lo anterior; en donde Ir es la importancia relativa o factor de ponderación de
cada requerimiento y C es el número de comparaciones. Este valor se puede expresar en porcentaje
multiplicando el resultado por 100.
𝐼𝑟 =
∑(+)
∗ 100
𝐶
Ecuación 8
La cantidad total de comparaciones C se calcula mediante la ecuación 9, en donde N es el número
de requerimientos deseables y C la cantidad de posibles comparaciones.
𝐶=
𝑁(𝑁 − 1)
2
Ecuación 9
Tabla 15. Matriz de ponderación de requerimientos deseables.
RD1 RD2 RD3 RD4 RD5 RD6 RD7 RD8 RD9
∑(+)
Ir
RD1
0
+
+
+
-
+
+
+
+
7
18.92
RD2
-
0
-
-
-
-
-
+
+
2
5.405
RD3
-
+
0
-
-
+
+
-
+
4
10.81
RD4
-
+
+
0
-
+
-
+
+
6
16.22
RD5
+
+
+
+
0
-
-
+
+
6
16.22
RD6
-
+
-
-
+
0
+
+
+
5
13.51
RD7
-
+
-
+
+
-
0
+
-
4
10.81
RD8
-
-
+
-
-
-
-
0
-
1
2.703
RD9
-
-
-
-
-
-
+
+
0
2
5.405
37
100
Total
Tabla 16. Orden de Importancia
relativa en los requerimientos
deseables.
RD1
RD4
RD5
RD6
RD3
RD7
RD2
RD9
RD8
∑(+)
Ir
7
6
6
5
4
4
2
2
1
18.92
16.22
16.22
13.51
10.81
10.81
5.405
5.405
2.703
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infrarroja
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CAPITULO 4
Los valores de la importancia relativa Ir (Tabla 16), proporcionan las bases para el diseño; ya que
éste debe enfocarse en los requerimientos deseables que tienen mayor grado de importancia.
4.2.4 Estudio comparativo a productos de la competencia
Esta etapa conocida como “benchmarking” tiene el objetivo de identificar productos similares que
resuelven el mismo problema y por tanto entender mejor el problema de diseño. Además muestra
las siguientes finalidades:
-
Identificar productos similares que ya existen en el mercado para,
Considerar la realización de modificaciones para mejorar los productos existentes.
En cuanto a los elementos de comparación necesarios para llevar a cabo la evaluación, se pueden
considerar dos aspectos: los requerimientos expresados por los clientes pueden ser mensurables o
subjetivos. Los requerimientos mensurables son fácilmente comparables, en cambio los
requerimientos subjetivos deben evaluarse con ayuda de los mismos clientes.
Tabla 17. Escala propuesta para la evaluación en el benchmarking.
Puntuación
CRITERIO DE EVALUACION
1
El diseño no cumple con el requerimiento totalmente
2
El diseño cumple con el requerimiento ligeramente
3
El diseño cumple medianamente el requerimiento
4
El diseño cumple casi por completo el requerimiento
5
El diseño cumple con el requerimiento totalmente
NO APLICA
#
SE IGNORA EL DATO
Usando la escala de evaluación mostrada en la Tabla 17, se puede determinar “que tan bien” los
competidores (algunos productos del capítulo 2) resumidos en la Tabla 18, cubren los requerimientos
del cliente (sección 4.2.2).
Aunque no se obtiene una calificación definida se muestra un índice de como el producto de la
competencia es percibido por el cliente [5].
Si todos los productos obtienen una calificación baja en algún requerimiento, claramente se muestra
una oportunidad de mejoramiento, especialmente si la importancia relativa del requerimiento (IR) es
grande. En caso de que algún producto que se está evaluando cubre la mayoría de los
requerimientos, el producto debe estudiarse para emplear ideas a partir de este. La Tabla 19 muestra
la evaluación realizada, recordando que la calificación se asignó a partir de que tan bien los
competidores cubren los requerimientos del cliente.
SÍMBOLO








Tabla 18. Productos de la competencia.
PRODUCTO
Horno Walk-in para materiales compuestos [24].
Horno de microondas para materiales compuestos [25].
Cañón de inyección de aire caliente serie HCS2041 [26].
Sistema de curado por IR serie HCS2044. [26].
Mesa de curado serie HCS 7500 [26].
Autoclave Horizontal TITAN [27].
Horno de laboratorio portable para espacios reducidos RAD/RFD1-42 [28].
Horno de microondas con sistema de vacío y secado tipo armario [29].
En el presente trabajo, la evaluación del benchmarking no se hace para los requerimientos
obligatorios, ya que su cumplimiento es completamente indispensable y la verdadera ponderación
se aplica a los requerimientos deseables.
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infrarroja
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CAPITULO 4
Requerimientos
Deseables
Tabla 19. Evaluación comparativa a productos de la competencia.
PUNTUACIÓN
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
6
7
8
9



#











Los requerimientos RD4 y RD8 muestran oportunidades de mejoramiento; para el caso de RD4 en
la sección 4.2.3 obtuvo la Importancia relativa Ir con valor de 16.22 (segundo lugar en la ponderación)
y el RD8 obtuvo la Importancia relativa Ir con valor de 2.703 (octavo lugar en la ponderación). Ver
Tabla 16. Por otro lado, la mayoría de los productos evaluados cubren completamente (en algunos
casos) RD2, RD3 y RD9, reflejando que son buenos productos para estudiarse y emplear ideas a
partir de ellos.
4.2.5 Traducción de los requerimientos y expectativas de los clientes en
términos mensurables de ingeniería.
El objetivo primordial en esta etapa es el desarrollo de una serie de especificaciones de ingeniería o
términos mensurables de ingeniería a partir de los requerimientos del cliente. Estas especificaciones
son la re-expresión o traducción del problema de diseño en términos de parámetros que puedan
medirse para obtener valores objetivos [5].
Tabla 20. Traducción de requerimientos.
Requerimientos
En algunos casos, los requerimientos del
cliente están planteados en términos técnicos
perfectamente mensurables (no necesitan
traducción) y pasan a ser directamente metas
de diseño; pero en otros casos no son lo
bastante precisos por lo que deben traducirse
para obtener especificaciones o parámetros
críticos de diseño. Lo anterior se puede ver en
la Tabla 20.
1
2
3
4
…
…
Rn
MENSURABLE
SI
NO
x
x
x
x
…
…
…
…
…
…
TRADUCCIÓN
Meta de diseño
Analizar para refinar
Analizar para refinar
Analizar para refinar
…
…
…
Para el caso de RO1 de la Tabla 12, se cita “Controlar temperatura”, como tal no se puede cuantificar
a menos de que se exprese en otros términos; por ejemplo: el número de indicadores de temperatura,
el número de interruptores para el funcionamiento, etc. Nótese que el término “número” involucra
unidades específicas de elementos necesarios para el RO1 “Controlar temperatura” (ver Figura
4.2.2).
En ocasiones son necesarios más niveles de traducción porque en el primer nivel de traducción,
aunque se obtienen requerimientos más específicos que el inicial, no se obtienen términos
mensurables. La Tabla 21, muestra la traducción de los requerimientos de las Tablas 12 y 13
respectivamente. Esta etapa consume mucho tiempo y trabajo de análisis pero ayuda a ahorrar
tiempo en las etapas posteriores como el diseño conceptual.
Primer nivel de traducción
Número de elementos indicadores de temperatura
Número de dispositivos interruptores de funcionamiento
Extremidades humanas requeridas para operar
Figura 4.2.2 Traducción de RO1 en términos de ingeniería.
RO1
Controlar Temperatura
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
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Requerimientos
RO1
RO4
RO5
RO6
RO7
RO8
RO9
RO10
RO11
RO12
RO13
RD2
RD3
RD4
RD5
RD6
RD7
RD8
RD9
CAPITULO 4
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
Tabla 21. Requerimientos traducidos (RT).
Traducción en términos de ingeniería
Elementos indicadores de temperatura
Dispositivos interruptores de funcionamiento
Extremidades humanas requeridas para operar
Rango de deslizamiento
Dispositivos para medir temperatura
Elementos indicadores de temperatura
Entradas de flujo
Salidas de flujo
Fuentes de emisión
Distancia de separación entre fuentes de emisión
Protección perimetral para cerrar accesos
Material de fabricación de poca emisividad
Dispositivos de seguridad eléctricos
Dispositivos de paro de emergencia
Valor de voltaje de consumo
Conectores eléctricos disponibles
Peso total del dispositivo
Esfuerzo físico para deslizar
Recursos humanos para cargar el dispositivo
Módulos
Elementos de sujeción
Herramientas para desarmar/armar
Recursos humanos para desarmar/armar
Sistemas a utilizar
Sistemas a automatizar
Componentes
Proveedores de materia prima
Proveedores de refacciones
Elementos humanos requeridos para operar
Desgaste mental para entender el funcionamiento
Iconos para señalización del funcionamiento
Elementos humanos para dar servicio
Factores presentes en la norma descrita
Rango de tiempo
Unidad de medida
Número
Número
Número
Milímetros
Número
Número
Número
Número
Número/módulo
Milímetros
Milímetros
Índice de emisividad
Número
Número
Volts
Número
Kilogramos
Newtons
Número
Número
Número
Número
Número
Número
Número
Mínimo
Número
Número
Número
Mínimo
Número
Número
Número
Segundos
Un punto importante en esta etapa es que cada esfuerzo debe hacerse para encontrar diferentes
formas de medir los requerimientos del cliente. Si no hay parámetros mensurables para los
requerimientos del cliente, entonces los requerimientos del cliente no se han entendido bien [5].
La construcción de la matriz de correlación se hace a partir de la evaluación en cada celda de
correlación entre los requerimientos del cliente y los requerimientos traducidos. A cada celda se le
asigna un grado de correlación que representa el impacto de una característica de diseño sobre su
correspondiente requerimiento [43], utilizando la escala numérica de evaluación 1-3-9 [5, 42, 43].
Regularmente se utilizan símbolos, en donde 1 se convierte en  indicando una correlación débil, 3
se convierte en  indicando una correlación media y 9 se convierte en  indicando una correlación
fuerte (Tabla 22). Lo anterior es necesario para calcular la prioridad absoluta, valor orienta el orden
de prioridad en la generación de las metas de diseño.
La prioridad absoluta Pij se calcula con la ecuación 10 [44], en donde IriR es la importancia relativa
correspondiente al requerimiento RD y CiR es el grado de correlación asignado dependiendo del
requerimiento traducido sobre el correspondiente requerimiento R.
𝑃𝑖𝑗 = ∑𝐼𝑟𝑖𝑅 ∗ 𝐶𝑖𝑅
Ecuación 10
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infrarroja
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CAPITULO 4
Tabla 22. Casa de calidad.
La escala de colores remarca el orden de prioridad para la generación de las metas de diseño.
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CAPITULO 4
4.2.6 Establecimiento de las metas de diseño
El sexto y último paso de la metodología QFD consiste en la definición de las metas de diseño. La
definición de las características técnicas del producto se lleva a cabo considerando los siguientes
puntos:
-
Requerimientos del cliente.
Características de los productos de la competencia.
El valor agregado que se desea imprimir al nuevo producto.
La fijación de las metas de diseño se realiza con base en el estudio comparativo, de tal manera que
los valores que se elijan para cada uno de los requerimientos, coloquen al producto en un nivel
adecuado con respecto a los existentes en el mercado [5].
Los mejores objetivos tienen valores específicos, otros pueden ajustarse en un rango, y un tercer
tipo es un valor tan grande o tan pequeño como sea posible pero considerando la evaluación en el
benchmarking.
Como se mencionó anteriormente, algunos requerimientos del cliente están planteados en términos
perfectamente mensurables y no requieren traducción. La Tabla 23 muestra cinco requerimientos
que automáticamente son metas de diseño, ya que son características mensurables que llevan
asociadas magnitudes y unidades de medición.
Tabla 23. Requerimientos del cliente que se consideraron metas de diseño desde la etapa 2.
REQUERIMIENTO
RO2
RO3
RO14
RO15
RD1
METAS DE DISEÑO
Diseñar un dispositivo que tenga un espacio de trabajo con dimensiones para
piezas de 2mx1m
Maximizar el empleo de elementos normalizados
Tener 1 manual de operación
Tener 1 manual de mantenimiento
Configurar el funcionamiento utilizando 6 bombillas como mínimo en todo el
recinto
La Tabla 24 muestra las metas de diseño obtenidas a partir de la expresión de cada requerimiento
en términos mensurables, siguiendo el correspondiente orden de prioridad calculado con la ecuación
10.
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
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Prioridad
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
RT
RO3
RT21
RT9
RT32
RT26
RT27
RT1
RT25
RT12
RT20
RT15
RD1
RT24
RT18
RT28
RT16
RT13
RT14
RT2
RT29
RT19
RT5
RT6
RO2
RT22
RT23
RT3
RT10
RT17
RT30
RT31
RO14
RT11
RT33
RO15
RT4
RT34
RT7
RT8
CAPITULO 4
Tabla 24. Metas de diseño
Meta de diseño
Maximizar el empleo de elementos normalizados
Utilizar menos de 100 sujetadores
Emplear 3 fuentes de emisión para cada módulo
Emplear 1 persona para dar servicio a cada módulo
Minimizar el número de componentes para la fabricación del dispositivo
Considerar máximo 5 diferentes proveedores de materiales locales
Emplear 1 dispositivo para indicar y seleccionar cierta temperatura requerida por módulo
Considerar poder automatizar en el futuro, los 2 sistemas utilizados
Emplear un material resistente con pobre emisión térmica
Fabricar con 3 módulos
Emplear 127 Volts de corriente alterna para el funcionamiento del circuito eléctrico
Emplear mínimo seis lámparas en todo el recinto
Emplear 1 sistema eléctrico y 1 mecánico para el funcionamiento de un módulo
Requerir el mínimo esfuerzo físico para desplazar 1 solo módulo
Considerar máximo 5 diferentes proveedores de materiales locales
Hacer funcionar el circuito eléctrico con solo 1 toma de corriente general
Utilizar 1 dispositivo de seguridad por circuito
Emplear 1 paro de emergencia por circuito
Emplear 1 interruptor para el circuito de las fuentes de emisión por módulo
Requerir sólo 1 operador para hacer funcionar el dispositivo
Requerir sólo 1 operador para deslizar 1 solo módulo
Emplear 3 dispositivos para medir temperatura en la superficie del material
Emplear 3 indicadores de temperatura para cada dispositivo de medición
Respetar un espacio de emisión de energía IR de 1m x 0.8m por módulo
Emplear máximo 5 herramientas para desarmar todo el dispositivo
Emplear solo 1 persona para desarmar el dispositivo
Requerir solo una mano para poner en marcha el dispositivo
Facilidad de distribución de las fuentes de emisión empleadas
No exceder una masa de 80 kg por módulo
Emplear iconos gráficos para el funcionamiento del dispositivo
Señalar mediante simbología cada función del dispositivo
Poder elaborar en el futuro 1 manual de operación del dispositivo
Utilizar en el perímetro de cada cierre, un tipo de protección hermética
Considerar emplear en el futuro 1 factor importante de la norma weatherbility
Poder elaborar en el futuro 1 manual de mantenimiento para el dispositivo
Deslizar de 0 a 500mm mínimo
Programar el tiempo de funcionamiento
Capacidad para adaptar mínimo 2 entradas de flujo
Capacidad para adaptar mínimo 2 salidas de flujo
En muchas ocasiones, se puede determinar que el producto puede tener características que aunque
no fueron expresadas como requerimientos por el cliente, podrían aumentar el valor agregado del
producto.
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CAPITULO 4
4.3 Diseño conceptual
El QFD define las características que debe tener el producto, expresadas como una serie de metas
de diseño, para que a partir de este punto el proceso de diseño se enfoque en el logro de ellas.
La sección 4.3 corresponde al desarrollo de las ideas fundamentales del producto. Como primera
instancia, es conveniente realizar un análisis funcional (Tabla 25), identificando el “que” y
posteriormente proponiendo alternativas del “como”.
Tabla 25. Técnicas de descomposición funcional.
a. Diagrama de
Ishikawa
(Diagrama de
pescado o
diagrama de causa
y efecto) [45]
b. Análisis funcional
descendente o Árbol de
funciones (diagrama
jerárquico descendente
de funciones) [46]
c. Caja negra (diagrama de
entradas (material, energía
e información) y salidas)
[47]
d. Taxonomía funcional
Otto, Wood, Stone etc.
(clasificación
sistemática) [45]
4.3.1 Descomposición funcional - Función (QUE) vs Forma (COMO)
La descomposición funcional es una técnica de análisis que tiene como objetivo dividir un problema
complejo en problemas más simples que puedan ser abordados de una manera enfocada. En
general “función” significa lo que el producto debe hacer; pero su forma o estructura se refiere a la
manera en “como” lo hará el producto [5].
Una función (QUE) es lo que el sistema necesita hacer ya que para eso existe. Por lo tanto, se deben
identificar todas las funciones necesarias que desarrolla el producto, desde las más generales hasta
las más particulares con las cuales se puede lograr satisfacer las expectativas del cliente.
La forma (COMO) indica la manera de llevar a cabo las funciones del producto, consistiendo en la
generación de una serie de alternativas de solución (conceptos) con base en el modelo funcional
para posteriormente la evaluación de esas alternativas para llegar a una propuesta de solución.
La técnica de análisis utilizada en este proyecto fue el análisis funcional descendente (Tabla 25b).
Esta técnica divide una función principal en sub-funciones auxiliándose de un diagrama de
descomposición funcional (árbol de funciones) que muestra una organización jerárquica de todas las
sub-funciones que comprende la función principal [48].
En el diagrama funcional de este proyecto (Figura 4.3.1), la función general es la función global y a
partir de ella se tienen en segundo o tercer nivel las funciones complementarias respectivamente. La
construcción del diagrama funcional de este proyecto obedeció la siguiente metodología:
1.
2.
3.
4.
5.
Determinación de las funciones necesarias derivadas de los requerimientos del cliente,
Jerarquización de las funciones (generación de sub-funciones),
Determinación de la relación existente entre las funciones y sub-funciones,
Refinación de sub-funciones siguiendo un análisis funcional descendente.
Cada función debe tener un único nombre que indica que es lo que hace así como debe
expresarse en la forma verbo-sustantivo ya que es una acción sobre algo [49].
6. El efecto combinado de dos o más sub-funciones genera la función principal.
7. Cuando todas las sub-funciones son cubiertas, la función principal está cubierta.
8. El diagrama de descomposición funcional puede tener muchos niveles de funciones para la
refinación de la función secundaria o terciaria según sea el caso.
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
- 34 -
Instituto Politécnico Nacional
Ingeniería Aeronáutica
CAPITULO 4
En ocasiones, los clientes presentan algunas necesidades que no son atendidas por lo que hace un
producto, por lo que se enfocan más hacia como el producto se crea en forma. Por ejemplo; en caso
de citarse el requerimiento “que el dispositivo sea ligero”; este requerimiento no puede ser
representado por una función, ya que el dispositivo no puede hacer nada para contribuir a la ligereza
del mismo exigido por el cliente.
En esta etapa es conveniente auxiliarse del benchmarking porque debe entenderse “como” los
dispositivos desarrollan la misma función “que”; así que no debe ignorarse la etapa 4 del QFD ya
que cientos de horas de ingeniería han sido invertidas para el desarrollo de los productos existentes.
La Figura 4.3.1 muestra la descomposición funcional de este proyecto.
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
- 35 -
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Ingeniería Aeronáutica
CAPITULO 4
Polimerizar materiales compuestos
mediante emisión infrarroja
2. Controlar energía calorífica interna
1. Modular
1.1
Adaptar
fácilmente
el
dispositivo
en
cualquier
sitio
1.1.1
Subir/bajar
fácilmente
1.1.2
Nivelar
fácilmente
2.1
Indicar
temperatura
sobre la
superficie
de trabajo
1.2
Conectar
fácilmente a
otro dispositivo
igual
1.2.1
Unir
mecánicamente
2.2.1
Aumentar
disminuir
temperatura
2.2
Seleccionar
temperatura
requerida
2.3.1
Mantener
estáticas
las fuentes
de emisión
2.3.2
Ajustar
distancia
de la
fuente de
emisión
2.3
Emitir
energía
calorífica
internamente
2.3.3
Calibrar
intensidad
de
energía
emitida
2.4
Economizar
consumo
eléctrico
2.4.1
Suspender
emisión de
energía
3. Generar vacío
2.5
Conservar
energía
calorífica
contenida
2.5.1
Aislar
volumen
interno
del
ambiente
exterior
2.6
Controlar
tiempo de
funcionamiento
2.5.2
Aumentar
temperatura
2.6.1
Programar
tiempo de
funcionamiento
2.3.1.2
Asegurar
fuentes de
emisión
2.3.2.1
Deslizar
fácilmente
2.3.2.2
Asegurar
distancia
deslizada
2.3.2.3
Señalar
distancia
desplazada
2.5.1.1
Cerrar
accesos al
dispositivo
3.1.1
Introducir/
extraer aire
generado
2.6.2 Mostrar
tiempo de
funcionamiento
1.2.2
Conectar
eléctricamente
2.3.1.1
Conectar
fuentes de
emisión
eléctricamente
3.1
Permitir
flujo de
aire
generado
2.5.1.2
Sellar
uniones
empalmadas
2.5.1.3
Envolver
pieza de
trabajo
2.5.2.1
Energizar
circuito
Figura 4.3.1. Árbol de funciones que muestra una sucesión coherente de las funciones en un sistema mediante diagramas procediendo desde lo general hasta lo particular.
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
- 36 -
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Ingeniería Aeronáutica
CAPITULO 4
4.3.2 Generación de conceptos
Una vez establecidas y entendidas únicamente las funciones que realiza el sistema con su
correspondiente descomposición (sección anterior); ahora este apartado se enfoca en la forma.
La generación de conceptos identifica las posibles soluciones a cada función, aunque ningún
enfoque asegura que se han encontrado todas las soluciones [44].
La
descomposición
funcional descendente, es
un buen enfoque para el
desarrollo de conceptos ya
que aborda individualmente
cada
función.
Existen
muchos métodos para la
generación de conceptos
(Figura 4.3.2) y conviene
mencionar que ninguno es
mejor que el otro ya que en
ocasiones se auxilia de una
combinación entre ellos.
Los conceptos pueden
representarse
como
descripciones verbales o
textuales, bocetos, modelos
de
papel
o
arcilla,
diagramas de bloques, u
otra forma que indique
como la función puede
lograrse.
Figura 4.3.2 Clasificación de los métodos para la generación de
conceptos [45].
El método empleado para generar los conceptos fue la “lluvia de ideas” o “Brainstorming” a partir de
las sub-funciones mostradas en el diagrama funcional (Figura 4.3.1). Este método obedece las
siguientes reglas [5]:
1.
2.
3.
4.
5.
Guardar todas las ideas generadas.
Generar tantas ideas como sea posible.
Pensar sin límites.
No evaluar ideas, solo generarlas.
Pensar en cantidad no en calidad
El método “Brainstorming” funciona de la siguiente manera:
Buscando soluciones creativas para un problema en particular, se arrojan ideas así como vienen a
la mente incluso si no aplican directamente ya que al mismo tiempo sirven para generar otras ideas.
Una vez apuntadas las ideas generadas, se deben discutir de una manera positiva ya que las
posturas negativas no estimulan la creatividad.
Es recomendable que después de la generación de conceptos; estos sean refinados (cuando sea
posible) para llegar a principios básicos de funcionamiento y mostrar otra forma de lograr la misma
función o encontrar ideas de diseño que han sido previamente desarrolladas [5].
Para los conceptos generados en este proyecto, de acuerdo a las sub-funciones del árbol de
funciones (Figura 4.3.1), se propusieron ideas existentes de diversos componentes en diferentes
aplicaciones.
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
- 37 -
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Ingeniería Aeronáutica
CAPITULO 4
La búsqueda de patentes, publicaciones especializadas, catálogos de productos relacionados y la
consulta con expertos, fueron algunas actividades llevadas a cabo con el fin de reunir información,
extraer imágenes y representar las soluciones posibles a cada función de la Figura 4.3.1.
4.3.3 Evaluación de conceptos
Esta etapa tiene el objetivo de elegir el concepto que tiene el mayor potencial para convertirse en un
producto definido ya que no es práctico detallar cada concepto generado. La evaluación es llevada
a cabo auxiliándose de alguna técnica existente (Figura 4.3.3). La mejor manera de hacerlo es
usando la técnica de matriz de decisión o Método Pugh, la cual:
-
-
-
Es una forma de comparar
conceptos a partir de un puntaje
numérico.
La puntuación generada es por la
comparación de los requerimientos
del cliente.
Tiene gran efectividad al comparar
conceptos que no están refinados.
En esencia el método Pugh consiste en
calificar cada concepto con relación a otro
en su capacidad para cumplir con los
requerimientos del cliente.
Figura 4.3.3. Técnicas para la evaluación de conceptos.
En esta técnica se desarrollan cinco etapas:
1. Determinación del criterio de evaluación (Requerimientos deseables, Etapa 2 del QFD).
2. Cálculo del factor de ponderal wij para cada criterio (Importancia relativa Ir, Etapa 3 del QFD).
3. Evaluación de los conceptos, aij, para cada criterio (Ver Tabla 26).
Tabla 26. Criterios de evaluación en la matriz de decisión.
Calificación
Criterio
1
No cumple el criterio
3
En parte cumple el criterio
5
Completamente cumple el criterio
4. Calculo del puntaje total individual Sij (Ecuación 11 [44]) en donde ωiR es el factor ponderal
correspondiente al requerimiento R y αiR es la calificación asignada al concepto
correspondiente por el cumplimiento del requerimiento R. Ver la forma de la Tabla 27.
𝑆𝑖𝑗 = ∑𝜔𝑖𝑅 ∗ 𝛼𝑖𝑅
Ecuación 11
5. Se selecciona la solución con el mayor puntaje.
Tabla 27. Forma de la matriz de decisión para la evaluación de los conceptos generados [44].
Factor ponderal (Ir)
Requerimientos
Concepto 1
Concepto 2
…
Concepto n
ω1
α1,1
α 1,2
…
α1,n
Criterio 1
ω2
α2,1
α 2,2
…
α2,n
Criterio 2
…
…
…
…
…
…
ωm
αm,1
α m,2
…
αm,n
Criterio m
S1=∑ωiRαi,1
S2=∑ωiαi,2
…
Sn=∑ωiαi,n
Puntuación
A continuación se aborda la generación de conceptos y evaluación conceptual para la función
primaria 1. El concepto ganador se distingue de la escala de colores con el color rojo.
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
- 38 -
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Ingeniería Aeronáutica
CAPITULO 4
De la función primaria 1 indicada en la Figura 4.3.1 como “Modular”, se desprende la función 1.1.1
que cita: “Subir/bajar fácilmente”. Las soluciones a esta función y la evaluación correspondiente se
muestran en las Tablas 28a y 28b respectivamente.
Tabla 28b. Evaluación conceptual función 1.1.1.
CONCEPTOS
Ir
1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06
1
18.91
1
1
1
1
1
1
2
5.4
1
1
1
3
1
1
3
10.81
5
1
3
1
1
1
4
16.21
5
5
5
5
3
3
5
16.21
5
3
5
5
3
5
6
13.51
5
5
5
3
3
3
7
10.81
5
5
5
5
3
5
8
2.7
1
1
1
1
1
1
9
5.4
1
1
1
1
1
1
267.48
Puntaje Total
Individual
213.44
1.06
Cadenas
[1F6]
310.7
1.05
Correas
[1F4]
348.54
1.03
Orejas
[1F5]
294.5
1.04
Pernos
guía [1F2]
1.02
Ganchos
[1F3]
370.16
1.01
Tuercas
ojillo [1F1]
REQUERIMIENTOS
DESEABLES
Tabla 28a. Conceptos para la función
1.1.1.
Desglosando la función primaria 1 se tiene la función 1.1.2 que afirma: “Nivelar fácilmente”. Las
soluciones a esta función y la evaluación correspondiente se muestran en las Tablas 29a y 29b
respectivamente.
Tabla 29a. Conceptos para la función 1.1.2.
256.68
370.16
343.14
240.46
Puntaje Total
Individual
267.46
1.11 Viga en
C [3]
1.12
Amortiguadores
[2F5]
299.9
1.10
Niveladores
anti-vibratorios
[2F4]
1.09 Banco
base tipo
andamio [2F3]
REQUERIMIENTOS
DESEABLES
1.07 Birlos
[2F1]
1.08
Plataforma
de tijera
[2F2]
Tabla 29b. Evaluación conceptual función 1.1.2.
CONCEPTOS
Ir
1.07 1.08 1.09 1.10 1.11 1.12
1 18.91
1
1
1
1
1
1
2
5.4
1
5
1
1
1
1
3 10.81
3
1
1
5
5
3
4 16.21
5
5
5
5
5
3
5 16.21
5
3
3
5
5
3
6 13.51
3
3
1
3
5
3
7 10.81
3
3
5
5
5
5
8
2.7
1
1
1
1
1
1
9
5.4
1
1
1
1
1
1
Así mismo, de la función primaria 1 se origina la función 1.2.1 que presenta: “Unir mecánicamente”.
La Tabla 30a propone diferentes soluciones y la Tabla 30b muestra la evaluación correspondiente.
Tabla 30a. Conceptos para la función 1.2.1.
1.13 Birlos
[2F1]
1.14
Abrazadera
de fijación
[3F1]
1.15
Brida
[3F2]
1.16
Correas
[1F2]
1.17
Prensa
[3F3]
1.18
Abrazader
as U [3F4]
1.19
Clamps
rápidos
[3F3]
1.20
Pernos
guía [1F2]
1.21 Tuercas remachables [3F5]
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
- 39 -
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Ingeniería Aeronáutica
CAPITULO 4
REQUERIMIENTOS
DESEABLES
Tabla 30b. Evaluación conceptual para la función 1.2.1.
CONCEPTOS
Ir
1.13
1.14
1.15
1.16
1.17
1.18
1.19
1.2
1.21
1
18.91
1
1
1
1
1
1
3
3
1
2
5.4
1
1
1
1
1
1
1
1
1
3
10.81
3
3
5
1
3
3
3
1
3
4
16.21
5
3
5
3
3
5
3
5
3
5
16.21
5
3
5
3
3
5
3
5
3
6
13.51
3
3
5
3
5
5
5
3
3
7
10.81
3
3
5
3
5
5
5
5
3
8
2.7
1
1
1
1
1
1
1
1
3
9
5.4
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Puntaje Total Individual 299.9 235.06 370.16 213.44 283.7 348.54 321.52 337.72 240.46
Continuando con la función 1, tiene lugar la función 1.2.2 que menciona: “Conectar eléctricamente”.
La Tabla 31a propone soluciones y la Tabla 31b muestra la evaluación correspondiente.
Tabla 31a. Conceptos para la función 1.2.2.
1.26 Clemas [4F2]
407.98
407.98
370.14
1.27 Regletas de
conexión [4F3]
386.36
Puntaje Total
Individual
424.18
1.25 Toma múltiple
[4F1]
402.56
1.24 Toma
polarizada [4F1]
1.23 Terminales [4F1]
REQUERIMIENTOS
DESEABLES
1.22 Extension
eléctrica [4F1]
Tabla 31b. Evaluación conceptual para la función 1.2.2.
CONCEPTOS
Ir
1.22 1.23 1.24 1.25 1.26 1.27
1 18.91
5
5
3
5
5
5
2
5.4
1
1
1
1
1
1
3 10.81
3
3
3
3
5
5
4 16.21
5
5
5
5
3
3
5 16.21
5
5
5
3
5
5
6 13.51
5
5
5
5
5
5
7 10.81
3
5
5
3
5
5
8
2.7
1
1
1
1
1
1
9
5.4
1
1
1
1
1
1
La generación de conceptos y evaluación conceptual para la función primaria 2, se plantea a partir
de este punto. Al igual que en la sección anterior, el concepto ganador se distingue de la escala de
colores con el color rojo.
En la Figura 4.3.1, la función primaria 2 registra: “Controlar energía calorífica interna”, de la cual
surge la función 2.1 que expresa: “Indicar temperatura sobre la superficie de la pieza de trabajo”. La
Tabla 32a propone soluciones y la Tabla 32b muestra la evaluación correspondiente.
2.01
Termómetro
electrónico [5F1]
2.02 Termocople
electrónico [5F3]
2.03 Pirómetro
electrónico [5F2]
2.04 termometro
infrarrojo [5F4]
Tabla 32b. Evaluación conceptual para la función 2.1.
CONCEPTOS
Ir
2.01
2.02
2.03
2.04
1
18.91
5
5
5
5
2
5.4
3
3
3
5
3
10.81
3
5
3
5
4
16.21
3
3
3
3
5
16.21
3
3
3
3
6
13.51
3
5
5
3
7
10.81
3
1
3
3
8
2.7
3
1
1
3
9
5.4
1
1
1
3
Puntaje Total Individual 326.9 348.52 348.52 370.12
REQUERIMIENTOS
DESEABLES
Tabla 32a. Conceptos para la función 2.1.
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
- 40 -
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Ingeniería Aeronáutica
CAPITULO 4
Por otro lado, descomponiendo la función primaria 2, se tiene la función 2.2.1 que anuncia:
“Aumentar/disminuir temperatura”. La Tabla 33a propone tres soluciones y la Tabla 33b muestra la
evaluación correspondiente.
2.05
Termostato
electrónico
[6F1]
2.06
Potenciómetro
de precisión
[6F2]
2.07
Controlador de
temperatura
[6F3]
REQUERIMIENTOS
DESEABLES
Tabla 33a. Conceptos para la función 2.2.1.
Tabla 33b. Evaluación conceptual para la función 2.2.1.
CONCEPTOS
Ir
2.05
2.06
2.07
1
18.91
3
3
3
2
5.4
3
5
1
3
10.81
5
5
5
4
16.21
3
3
3
5
16.21
3
3
5
6
13.51
5
5
5
7
10.81
3
3
3
8
2.7
3
3
3
9
5.4
1
1
1
Puntaje Total Individual 337.72 348.52 359.34
Exponiendo la función primaria 2, se deduce la función 2.3.1.1 que señala: “Conectar fuentes de
emisión eléctricamente”. Las soluciones y la evaluación se muestran en las Tablas 34a y 34b
respectivamente.
343.12
283.68
Puntaje Total
Individual
2.12 Sistema enchufado [7F3]
413.36
2.10 Socket
sencillo
[7F2]
413.36
2.11 Base
movible para
reflector [7F2]
2.09 Socket de
pared [7F2]
440.38
2.08 Riel
electrificado
[7F1]
Tabla 34b. Evaluación conceptual para la función 2.3.1.1.
CONCEPTOS
Ir
2.08 2.09 2.10 2.11 2.12
1 18.91
5
5
5
3
3
2 5.4
5
3
3
3
1
3 10.81
5
1
1
3
1
4 16.21
5
5
5
3
5
5 16.21
3
5
5
3
5
6 13.51
5
5
5
3
3
7 10.81
5
5
5
3
5
8 2.7
3
1
1
1
3
9 5.4
1
1
1
1
1
REQUERIMIENTOS
DESEABLES
Tabla 34a. Conceptos para la función 2.3.1.1.
La Tabla 35a propone diferentes soluciones para la función 2.3.1.2 que trata: “Asegurar fuentes de
emisión” y la Tabla 35b muestra la evaluación correspondiente.
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
- 41 -
386.36
348.52
Puntaje Total
Individual
2.18 Grilletes
[8F2]
343.12
2.17 Brazo
porta focos
(el autor [2])
343.12
2.16 Sistema
enchufado
[7F3]
2.15
Ménsula
[6F8]
283.68
2.14 Base
movible para
reflector [7F2]
391.74
2.13 Tipo
pluma [8F1]
Tabla 35b. Evaluación conceptual para la función 2.3.1.2.
CONCEPTOS
Ir
2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18
1 18.91
5
3
3
3
5
3
2
5.4
3
3
1
1
1
1
3 10.81
3
3
3
1
3
3
4 16.21
5
3
5
5
5
5
5 16.21
5
3
5
5
3
5
6 13.51
3
3
3
3
3
5
7 10.81
3
3
3
5
3
5
8
2.7
3
1
3
3
3
1
9
5.4
1
1
1
1
1
1
REQUERIMIENTOS
DESEABLES
Tabla 35a. Conceptos para la función 2.3.1.2.
Instituto Politécnico Nacional
Ingeniería Aeronáutica
CAPITULO 4
Así mismo, de la función primaria 2, se desprende la función 2.3.2.1 que expone: “Deslizar
fácilmente”, Las soluciones y la evaluación se muestran en las Tablas 36a y 36b respectivamente.
Puntaje Total
Individual
332.3
2.24 Carros
corredizos
[9F6]
353.92
2.23
Cremallera
[9F5]
380.94
2.22 Barra
graduada
adaptable
[9F4]
429.56
2.21 Poleas
[9F3]
397.16
2.20 Columna
tipo fresadora
[9F2]
418.76
2.19
Esparrago
colgante [9F1]
Tabla 36b. Evaluación conceptual para la función
2.3.2.1.
CONCEPTOS
Ir
2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24
1 18.91
5
5
5
3
3
5
2
5.4
3
1
5
3
5
3
3 10.81
1
3
1
3
3
1
4 16.21
5
5
5
5
5
5
5 16.21
5
3
5
5
3
3
6 13.51
5
5
5
5
3
3
7 10.81
5
5
5
3
5
3
8
2.7
3
3
3
3
3
1
9
5.4
1
1
1
1
1
1
REQUERIMIENTOS
DESEABLES
Tabla 36a. Conceptos para la función 2.3.2.1.
Continuando con la función primaria 2, la Tabla 37a propone diferentes soluciones para la función
2.3.2.2 que lleva como denominación: “Asegurar distancia deslizada”. La Tabla 37b muestra la
evaluación correspondiente.
445.8
343.1
359.3
2.30 Angulos
perforados
[10F3]
375.5
2.29 Clamps
rápidos [3F3]
391.7
2.28
Abrazaderas
U [3F4]
2.27 Ganchos
[1F3]
359.3
2.26 Brazo
precalibrado
[10F2]
2.25
Prisioneros
[10F1]
Tabla 37b. Evaluación conceptual para la función 2.3.2.2.
CONCEPTOS
Ir
2.25 2.26 2.27 2.28 2.29 2.30
1 18.91
3
3
5
3
3
5
2
5.4
1
1
1
1
1
1
3 10.81
3
3
1
3
5
5
4 16.21
5
5
5
5
3
5
5 16.21
5
5
5
5
3
5
6 13.51
3
5
3
3
5
5
7 10.81
5
5
5
5
5
5
8
2.7
1
3
1
1
1
1
9
5.4
1
1
1
1
1
1
Puntaje Total
Individual
REQUERIMIENTOS
DESEABLES
Tabla 37a. Conceptos generados para la función
2.3.2.2.
Desarrollando la función primaria 2, se desprende de la función 2.3.2.3 identificada por: “Señalar
distancia desplazada”. La Tabla 38a propone dos soluciones y la Tabla 38b muestra la evaluación
correspondiente.
2.31 Escala de
recorrido precalibrada
(el autor [2])
2.32 Regla industrial
[10F4]
Tabla 38b. Evaluación conceptual para la función 2.3.2.3.
CONCEPTOS
Ir
2.31
2.32
1
18.91
5
5
2
5.4
3
1
3
10.81
3
5
4
16.21
5
5
5
16.21
5
3
6
13.51
5
5
7
10.81
5
5
8
2.7
1
1
9
5.4
1
1
Puntaje Total Individual 434.98 413.38
REQUERIMIENTOS
DESEABLES
Tabla 38a. Conceptos generados para la
función 2.3.2.3.
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
- 42 -
Instituto Politécnico Nacional
Ingeniería Aeronáutica
CAPITULO 4
La Tabla 39a propone diferentes soluciones para la función 2.3.3, que lleva por nombre: “Calibrar
intensidad de energía emitida”, función que se desata de la función primaria 2. La Tabla 39b muestra
la evaluación correspondiente.
326.92
Puntaje Total
Individual
321.52
2.37 Potenciómetro de
Precisión [11F4]
364.74
2.36 Selector
de posiciones
[11F4]
2.35 Panel de
interruptores
[11F3]
224.24
2.34 Filtros
ópticos
[11F2]
386.36
2.33
Potenciómetro
comercial
[11F1]
Tabla 39b. Evaluación conceptual para la función 2.3.3.
CONCEPTOS
Ir
2.33 2.34 2.35 2.36 2.37
1 18.91
5
5
3
3
5
2
5.4
1
1
1
1
1
3 10.81
5
1
3
3
3
4 16.21
3
1
5
3
3
5 16.21
5
1
5
3
1
6 13.51
3
3
5
5
5
7 10.81
5
3
3
5
5
8
2.7
1
1
1
1
1
9
5.4
1
1
1
1
1
REQUERIMIENTOS
DESEABLES
Tabla 39a. Conceptos para la función 2.3.3.
Dentro de la función primaria 2 se contiene la función 2.4.1, que refiere: “Suspender emisión de
energía”. Las soluciones y la evaluación se muestran en las Tablas 40a y 40b respectivamente.
2.38
Interruptores
individuales
[11F3]
2.39
Sensor de
temperatura
[12F1]
2.40
Interruptor
automático
[12F2]
REQUERIMIENTOS
DESEABLES
Tabla 40a. Conceptos para la función 2.4.1.
Tabla 40b. Evaluación conceptual para la función 2.4.1.
CONCEPTOS
Ir
2.38
2.39
2.40
1
18.91
3
5
5
2
5.4
1
5
3
3
10.81
3
5
5
4
16.21
5
3
3
5
16.21
5
3
3
6
13.51
5
5
5
7
10.81
5
3
3
8
2.7
1
5
3
9
5.4
1
5
1
Puntaje Total Individual 386.36 413.34 375.54
Permaneciendo en la función primaria 2, se presenta la función 2.5.1.1 que cita: “Cerrar accesos al
dispositivo”. La Tabla 41a propone diferentes soluciones y la Tabla 41b muestra la evaluación
correspondiente.
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
- 43 -
289.08
Puntaje Total
Individual
337.72
2.45 Persiana deslizable [12F7]
359.34
2.43 Puertas
abatibles
[12F5]
278.28
2.44 Puertas
corredizas [12F6]
2.42 Compuerta
reguladora
[12F4]
278.28
2.41 Compuerta de
guillotina [12F3]
Tabla 41b. Evaluación conceptual para la función
2.5.1.1.
CONCEPTOS
Ir
2.41 2.42 2.43 2.44 2.45
1
18.91
1
1
1
1
1
2
5.4
3
3
3
5
5
3
10.81
3
3
3
3
3
4
16.21
5
5
5
5
5
5
16.21
3
3
5
3
3
6
13.51
3
3
5
5
3
7
10.81
3
3
5
5
3
8
2.7
1
1
1
1
1
9
5.4
1
1
1
1
1
REQUERIMIENTOS
DESEABLES
Tabla 41a. Conceptos generados para la función 2.5.1.1.
Instituto Politécnico Nacional
Ingeniería Aeronáutica
CAPITULO 4
La Tabla 42a propone diferentes soluciones para la función 2.5.1.2 que señala: “Sellar uniones
empalmadas” y la Tabla 42b muestra la evaluación correspondiente.
Tabla 42b. Evaluación conceptual para la función
2.5.1.2.
CONCEPTOS
Ir
2.46 2.47 2.48 2.49 2.50
1
18.91
1
1
1
1
1
2
5.4
1
1
1
1
1
3
10.81
5
3
3
3
5
4
16.21
5
5
3
3
5
5
16.21
3
3
3
3
3
6
13.51
5
5
5
5
3
7
10.81
5
3
5
1
3
8
2.7
3
3
1
3
3
9
5.4
1
1
1
1
1
Puntaje Total
Individual
294.5
2.50 Sistema de ranura [13F5]
245.86
2.49 Empaques
de asbesto [13F4]
283.7
2.47 Ligas
[13F2]
299.9
2.48 Forro
refractario
[13F3]
2.46 Empaques
de plástico [13F1]
343.14
REQUERIMIENTOS
DESEABLES
Tabla 42a. Conceptos para la función 2.5.1.2.
Por otro lado, las soluciones y la evaluación para la función 2.5.1.3 denominada: “Envolver pieza de
trabajo”, se muestran en las Tablas 43a y 43b respectivamente.
2.51 Carenado
de máquinas
herramientas
[12F7]
2.52
Dispositivo
Cilíndrico [40]
2.53 Dispositivo Cuadrado [36]
Tabla 43b. Evaluación conceptual para la función 2.5.1.3.
CONCEPTOS
Ir
2.51 2.52 2.53
1
18.91
5
5
5
2
5.4
1
1
1
3
10.81
5
5
5
4
16.21
5
5
5
5
16.21
5
5
5
6
13.51
5
5
5
7
10.81
5
5
5
8
2.7
5
5
5
9
5.4
1
1
1
Puntaje Total Individual 456.6 456.6 456.6
REQUERIMIENTOS
DESEABLES
Tabla 43a. Conceptos para la función 2.5.1.3.
Continuando con la función primaria 2, se señala la función 2.5.2.1, la cual notifica: “Energizar
circuito”. Las soluciones y la evaluación se muestran en las Tablas 44a y 44b respectivamente.
2.54 Sensor
de
Temperatura
[12F1]
2.55
Controlador
de
temperatura
[6F3]
2.56
Potenciómetro
comercial
[11F1]
REQUERIMIENTOS
DESEABLES
Tabla 44a. Conceptos para la función 2.5.2.1.
Tabla 44b. Evaluación conceptual para la función 2.5.2.1.
CONCEPTOS
Ir
2.54
2.55
2.56
1
18.91
5
5
3
2
5.4
5
5
1
3
10.81
5
5
5
4
16.21
3
3
3
5
16.21
3
3
5
6
13.51
3
5
5
7
10.81
3
3
3
8
2.7
3
3
3
9
5.4
5
3
1
Puntaje Total Individual
380.92 397.14 359.34
Explicando la función primaria 2, tiene lugar la función 2.6.1 que cita: “Programar tiempo de
funcionamiento”. La Tabla 45a propone tres soluciones y la Tabla 45b muestra la evaluación de sus
conceptos correspondientes.
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
- 44 -
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Ingeniería Aeronáutica
CAPITULO 4
Así mismo, las soluciones y la evaluación para la función 2.6.2 que indica: “Mostrar tiempo de
funcionamiento” se muestran en las Tablas 45c y 45b respectivamente.
386.34
Puntaje Total
Individual
2.61 Display [14F5]
316.1
2.60 Pantalla
LCD [14F4]
391.74
Tabla 45c. Conceptos para la función 2.6.2.
429.56
2.58 Timer
electrónico
[14F2]
2.59
Contador
electronico
[14F3]
407.94
2.57
Cronómetro
digital
[14F1]
Tabla 45b. Evaluación conceptual para las funciones 2.6.1 y
2.6.2.
CONCEPTOS
Ir
2.57 2.58 2.59 2.60 2.61
1
18.91
5
5
3
3
5
2
5.4
5
5
5
5
5
3
10.81
3
5
5
5
5
4
16.21
3
3
3
3
3
5
16.21
3
3
3
3
5
6
13.51
5
5
5
3
3
7
10.81
5
5
5
3
3
8
2.7
3
3
3
1
1
9
5.4
5
5
5
1
1
REQUERIMIENTOS
DESEABLES
Tabla 45a. Conceptos para la función 2.6.1.
Finalmente, este apartado aborda la generación de conceptos y evaluación conceptual para la
función primaria 3 indicada en la Figura 4.3.1 como: “Generar vacío”. Siguiendo el formato de las
secciones anteriores, el concepto ganador se distingue de la escala de colores con el color rojo.
Para la función primaria 3, la Tabla 46a propone diferentes soluciones para la función 3.1.1 que
sostiene: “Introducir/extraer aire generado”. La Tabla 46b muestra la evaluación correspondiente.
Tabla 46a. Conceptos para la
función 3.1.1.
3.07 Mangueras [15F7]
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
- 45 -
294.5
3.07
1
1
3
3
3
5
5
5
1
343.14
Puntaje Total
Individual
224.26
3.06
Adaptador/
alivio [15F6]
375.56
3.05 Barrenos
[15F5]
348.54
3.04 Panel de
conexiones
[15F4]
343.14
3.03 Coples
[15F3]
Tabla 46b. Evaluación conceptual para la función 3.1.1.
CONCEPTOS
Ir
3.01 3.02 3.03 3.04 3.05 3.06
1
18.91
1
1
1
1
1
1
2
5.4
1
1
1
1
1
1
3
10.81
3
5
5
5
3
5
4
16.21
5
5
5
5
1
5
5
16.21
5
3
5
5
1
3
6
13.51
5
5
3
5
5
5
7
10.81
5
5
5
5
5
5
8
2.7
3
3
3
3
3
3
9
5.4
1
1
1
1
1
1
353.94
3.02 Niples
rápidos [15F2]
REQUERIMIENTOS
DESEABLES
3.01 Niples
roscados [15F1]
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CAPITULO 4
Resumiendo la evaluación conceptual se obtiene la Tabla 47, la cual refiere de manera ordenada los
conceptos representados en las Figuras 4.3.4 y 4.3.5. Por ejemplo, en la Figura 4.3.1 se tiene la
función 1.1 denominada: “Adaptar fácilmente el dispositivo en cualquier sitio”, de la cual se
desprenden dos funciones: 1.1.1 Subir/bajar fácilmente y 1.1.2 Nivelar fácilmente, funciones que
tienen conceptos ganadores identificados por: “Tuercas de ojillo” y “Viga en C” respectivamente,
representados e identificados mediante un número en la Figura 4.3.4.
En la Tabla 47 se hace una distinción mediante letras para el tipo de concepto a desarrollar en la
etapa de diseño de detalle, la nomenclatura se explica a continuación:
-
E: conceptos correspondientes a la estructura del recinto y
CE: conceptos correspondientes al circuito electrónico,
Tabla 47. Conceptos seleccionados durante la evaluación conceptual.
Función
Descripción
Concepto ganador
No.
1.1.1
Subir/bajar fácilmente
Tuercas de ojillo
1
1.1.2
Nivelar fácilmente
Viga en C
2
1.2.1
Unir mecánicamente
Tipo brida
3
1.2.2
Conectar eléctricamente
Terminales
4
Indicar temperatura sobre la
2.1
superficie de la pieza de
Termómetro infrarrojo
5
trabajo
Seleccionar temperatura
Controlador de
2.2
6
requerida
temperatura
Conectar fuentes de emisión
2.3.1.1
Riel electrificado
7
eléctricamente
2.3.1.2
Asegurar fuentes de emisión
Tipo pluma
8
2.3.2.1
Deslizar fácilmente
Poleas
9
Salvaguardar distancia de
2.3.2.2
Ángulos perforados
10
deslizamiento
Escala de recorrido pre2.3.2.3
Señalar distancia desplazada
11
calibrada
Calibrar intensidad de energía
2.3.3
Potenciómetro comercial
12
emitida
2.4.1
Suspender emisión de energía
Sensor de temperatura
13
2.5.1.1
Cerrar accesos al dispositivo
Puertas abatibles
14
2.5.1.2
Sellar uniones empalmadas
Empaques de plástico
15
2.5.1.3
Envolver pieza de trabajo
Carenado de maquinas
16
Controlador de
2.5.2.1
Energizar circuito
17
temperatura
Programar tiempo de
2.6.1
Timer electrónico
18
funcionamiento
Mostrar tiempo de
2.6.2
Display
19
funcionamiento
Introducir/extraer aire
3.1.1
Panel de conexiones
20
generado
Tipo
E
E
E
CE
CE
CE
CE
CE
CE
CE
CE
CE
CE
E
E
E
CE
CE
CE
E
Los conceptos ganadores de las funciones correspondientes son ubicados en el croquis del concepto
global (Figura 4.3.4), posicionados en el sitio donde se cubre la función correspondiente.
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
- 46 -
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Ingeniería Aeronáutica
CAPITULO 4
Figura 4.3.4 Representación del concepto global para un solo módulo.
La Figura 4.3.4 muestra el concepto global de un solo módulo, por lo que se deben fabricar tres
módulos como lo muestra la Figura 4.3.5 para obtener el recinto para el curado de materiales
compuestos mediante emisión infrarroja.
Figura 4.3.5 Representación general del concepto global del recinto
(Nótese que son tres módulos).
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
- 47 -
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Ingeniería Aeronáutica
CAPITULO 4
4.4 Diseño de detalle
En esta etapa, se define el modelo de manufactura del producto con base en los conceptos
seleccionados en la etapa anterior, así como los materiales, la forma, las dimensiones, tolerancias,
rugosidades, tratamientos térmicos, recubrimientos superficiales, etc. [5], de tal manera que los
documentos que lo desarrollan sean suficientes para llevarlo a la práctica, ya sea bajo la dirección
del mismo proyectista o por un equipo de ingeniería distinto [50].
El diseño de subsistemas y componentes que integran al producto, están en mayor o menor grado
definidos en la fase de diseño conceptual, pero pueden variar considerablemente en la de detalle
debido a distintas alternativas de fabricación, conocimientos sobre materiales, nuevas tecnologías,
formas, etc. [5].
Algunos aspectos generales [5, 50] a destacar en el diseño de detalle son:
-
Se debe llevar a cabo refiriéndose al diseño conceptual obtenido en la fase previa.
La interacción entre los diferentes subsistemas o componentes que intervienen en el diseño
debe considerarse junto con las restricciones que cada uno de ellos impone, considerando
cuáles de ellos son más importantes en el diseño global.
El propio acto de definir un componente dentro de un sistema impone restricciones en el
mismo.
Generalmente, la reducción en la variedad de componentes conduce a una reducción de
tiempos y a un menor costo del producto.
Es conveniente diseñar pensando en la manufactura y ensamble del producto.
4.4.1 Definición de materiales
Para desarrollar esta parte, y teniendo en cuenta a los conceptos ganadores de la Tabla 47 de la
fase del diseño conceptual, la Tabla 48 muestra algunos materiales disponibles en el mercado local,
lo cual se debe aprovechar al máximo para facilitar la ejecución del proyecto.
Tabla 48. Ejemplo de algunos materiales presentes en el mercado local.
ACEROS
ELECTRICOS
OTROS
PERFILES ESTRUCTURALES
PLACA
TUBERIA
BOMBILLAS
CABLE
FUSIBLES
CONTROLADORES
PLASTICOS
TELAS
PINTURA
LAMINA
BARRAS
CREMALLERAS
INTERRUPTORES
PORTA-LAMPARAS
TERMOMETROS
SENSORES
AISLANTES
BIZAGRAS
ABRASIVOS
TORNILLERIA
CONEXIONES
TERMINALES
TOMAS DE CORRIENTE
ADHESIVOS
CERAMICAS
Las secciones 4.4.2 a 4.4.7 representan el desarrollo de los conceptos acotados con la letra “E” en
la Tabla 47, referentes a la estructura del recinto, la cual debe soportar todos los componentes que
una vez instalados permitan el funcionamiento correcto del dispositivo. Para fines analíticos, los
conceptos no se abordan en orden cronológico.
4.4.2 Propuesta de material de fabricación
Para el concepto seleccionado 3 de la Tabla 47 que indica una conexión “tipo brida”, que cubre la
función de “unir mecánicamente” el dispositivo a otro igual, se propone emplear un material metálico
denominado en el mercado local [51] como “perfil L de lados iguales”, cuya sección transversal tiene
forma de ángulo recto. Este material con su peculiar forma de sección transversal favorece su empleo
como estructura principal del recinto. Las dimensiones normalizadas a tomar en cuenta durante el
diseño de detalle se muestran en la Figura 4.4.1.
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
- 48 -
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CAPITULO 4
Tramo de perfil angular Acero ASTM-A-36
e=3/16” (4.76mm), X=Y=2" (50.8mm)
L1
L2
m
mm
m
mm
6.1
6100
12
12200
Peso
Punto de
cedencia
36Ksi
min
Kg
(L=6.1m)
22.143
Resistencia
a la tensión
5880
Ksi
Figura 4.4.1. Dimensiones comerciales del perfil L de lados iguales [51].
Para el concepto ganador 14 de la Tabla 47, que indica “puertas abatibles” el cual cubre la función
de cerrar los accesos al dispositivo para aislar el volumen interno del ambiente exterior, se propone
emplear un material denominado solera [51], el cual puede emplearse para la estructura principal de
las puertas. Algunas dimensiones normalizadas [51] que se ajustan a los requerimientos se muestran
en la Figura 4.4.2.
Tramo de solera
e=1/8 (3.175mm)" b= 2.5"(63.5mm)
L
Peso
m
mm
Kg
6.1
6100
9.65
Acero
Punto de
cedencia
Resistencia a
la tensión
ASTMA-36
36 Ksi
min
58-80
Ksi
Figura 4.4.2 Longitud y sección transversal de la solera comercial [51].
Por otro lado para la función 2.5.1.3 que cita “Envolver pieza de trabajo y el correspondiente concepto
ganador de la Tabla 47 que sugiere “carenado de máquinas” y además cubre la función de “conservar
energía calorífica contenida”, se propone emplear un material metálico denominado en el mercado
local [51] como “lamina de acero”. Este material, además de cubrir la función mencionada, puede
emplearse como estructura secundaria del recinto y como cubierta para el marco de las puertas
Algunas dimensiones normalizadas [51] que se ajustan a los requerimientos se muestran en la Figura
4.4.3.
Hoja de lámina ASTM A-653 (e=0.3 mm)
ft
1 3
A
mm
912
ft
10
L
mm
3040
PESO
Kg
7.44
2 3
912
12
3648
8.91
DUREZA
Rockwell escala B
Figura 4.4.3 Dimensiones de la hoja de lámina comercial [51].
Para exponer lo anterior, se debe desarrollar el concepto ganador 16 de la Tabla 47 indicado como
“Carenado de máquinas”. Se puede observar en el croquis del concepto global (Figura 4.3.4) que la
geometría requerida, necesita el doblado en ciertas trayectorias del material sugerido (lámina) para
que generen la geometría deseada. Esto se expone posteriormente.
4.4.3 Doblado de lámina
Cuando se requiere el doblado de algún material, es necesario calcular el excedente de material
necesario. Las ecuaciones 12-15 [52], así como el diagrama de la Figura 4.4.4 son de gran ayuda.
𝛼
𝑘 = 𝑡𝑎𝑛 ( )
2
𝐵𝐴 = 𝛼(0.01743𝑟 + 0.0078𝑡)
𝐵𝑇 = 𝐾(𝑡 + 𝑟)
𝐷 = 2𝐵𝑇 − 𝐵𝐴
Ecuación 12
Ecuación 13
Ecuación 14
Ecuación 15
Las variables expuestas en las Ecuaciones 12-15 se explican a la derecha de la Figura 4.4.4.
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CAPITULO 4
t es el espesor de la lámina,
r es el radio de doblado (siempre
internamente),
α es el ángulo de doblado deseado en
grados,
K factor angular,
BA es la tolerancia de doblez o altura del eje
neutral,
BT es la distancia desde el punto OML a la
línea tangente de doblado y
D es la cantidad de material extra requerido
para el doblado.
Figura 4.4.4. Diagrama grafico para calcular excedente de
material necesario en el doblado de lámina [52].
Los datos requeridos para realizar el cálculo de doblado para un solo módulo se muestran en la
Tabla 49a y los resultados para el excedente de material requerido en la Tabla 49b.
Tabla 49a. Datos de la lámina.
Espesor (mm)
0.3
T
Radio (mm)
13
R
α1
90
Ángulo (°)
α2
45
Para el excedente de material en cada
doblez, ángulos de 90° y 45°, se tienen las
longitudes
de
6mm
y
1mm
respectivamente. La Figura 4.4.5 muestra
la geometría resultante para α1 y α2.
Tabla 49b. Resultados del cálculo de doblado.
Variable
Resultados
α
α1 =90° α2 =45°
K
1
0.414
BA
0.811
0.405
BT
0.523
0.216
D (plg)
0.236
0.028
D (mm)
5.996
0.716
a.
b.
Figura 4.4.5 a. Excedente de material para α1; b.
Excedente de material para α2.
La Tabla 50a muestra el valor de las longitudes necesarias para un solo módulo del recinto completo,
tomando en cuenta la simetría de la geometría y las longitudes necesarias (Figura 4.4.6) para cubrir
la meta de diseño concerniente al espacio de trabajo deseado (Tabla 23).
a.
b.
Figura 4.4.6 a. Longitudes de la geometría; b. Simetría de geometría y elementos.
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- 50 -
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CAPITULO 4
Tabla 50a. Material necesario para el doblado de material.
Elemento
Longitud (mm)
A=G
87
B=F
982
C=E
60
D
940
Lα1=Lα6
6
Lα2=Lα3=Lα4=Lα5
1
Total
3214
Se concluye que la hoja de lámina que se ajusta mejor a las necesidades de dimensionado, es la
opción 2 de la Figura 4.4.3, utilizando el material al máximo teniendo el mínimo desperdicio.
Tomando en cuenta la longitud total de 3214mm, y proponiéndose un ancho para cada módulo de
840mm, se calcula el peso del material requerido mediante los datos comerciales [51] de la Figura
4.4.3. La Tabla 50b muestra las variables necesarias para el cálculo de este apartado.
Tabla 50b. Calculo del peso de la lámina requerida.
A(mm) L(mm)
Área de referencia (mm2)
Peso Kg
912
3648
3326976
8.91
3214
840
2699760
X1
Por regla de tres se tiene X1=7.23Kg
Se debe recordar que una de las metas de diseño (Tabla 23) sugiere un recinto con 3 módulos.
Nótese que la en la Figura 4.4.6 se muestra una geometría abierta de la parte inferior, por lo que es
necesario tomar en cuenta una geometría para el cierre requerido (Figura 4.4.7).
Figura 4.4.7 Bastidor de cierre para la base.
El cálculo del peso para el elemento de la Figura 4.4.7, lo muestra la Tabla 50c.
Tabla 50c. Calculo del peso del material requerido para el bastidor.
A(mm) L(mm)
Área de referencia (mm2)
Peso Kg
912
3648
3326976
8.91
1024
840
860160
X2
Por regla de tres se tiene X2=2.30Kg. Se debe tener en cuenta que son 3 módulos.
Para el peso total del material para fabricación de un “carenado de máquinas” basta con hacer la
suma de los pesos correspondientes calculados anteriormente (X1 y X2). Por lo que el peso para la
fabricación con lámina de un módulo es 9.53kg.
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CAPITULO 4
4.4.4 Corte del perfil angular para marco
La Figura 4.4.8 muestra el objetivo de este apartado que es obtener una estructura que albergue el
perímetro mostrado en la Figura 4.4.6 y que cubra con el concepto 3 indicado en la Tabla 47 como
“tipo brida” correspondiente a la función 1.2.1 que refiere: “Unir mecánicamente”.
Para calcular el material de corte para cada elemento del marco, se propone usar el diagrama de la
Figura 4.4.8b.
c.
b.
a.
Figura 4.4.8 a. Elementos del marco; b. Diagrama auxiliar para longitudes necesarias (Acotación en mm);
c. Triangulo rectángulo.
Las ecuaciones 16 y 17 [53], son de gran ayuda en esta etapa, ya que en la Figura 4.4.8a se observa
la generación de un triángulo rectángulo como el de la Figura 4.4.8c. El cálculo correspondiente se
muestra en la Tabla 51a.
𝑦
𝑥
𝑎2 = 𝑏 2 + 𝑐 2
Ecuación 16
𝑡𝑎𝑛 𝜃 =
Ecuación 17
Tabla 51a. Cálculo de longitud extra en cada elemento del marco.
Variable
Resultado
x (mm)
50.8
ϴ°
22.5
y (mm)
21.042049
Por lo tanto el segmento bc (Figura 4.4.8b), se debe sumar a cada elemento necesario donde exista
una trayectoria similar. La Tabla 51b muestra la situación para los segmentos ao, od y ad.
Tabla 51b. Longitud en el chaflán del marco.
Segmento Longitud (mm)
ao
50
od
50
ad
70.71
La Tabla 52a muestra las longitudes de corte necesarias para los elementos de la Figura 4.4.8a.
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CAPITULO 4
Tabla 52a. Longitudes L finales para el corte de cada elemento de la Figura 4.4.8a.
Elemento L (mm) L real (mm) L de corte (mm)
A
1000.6
1021.6
1022
B
1000.6
1021.6
1022
C
950.6
992.68
993
D
71
113.08
113
D
71
113.08
113
E
1153
1153
1153
Total
3022.8
3149.1
4416
Considerando que se necesita una longitud de 4416mm, se puede calcular el peso del material
requerido (Tabla 52b) para un solo marco mediante los datos comerciales [51] en la Figura 4.4.1.
Por regla de tres se tiene X3=16.03kg. Ver Apéndice A para considerar tolerancias.
Tabla 52b. Peso del perfil angular para un solo marco.
L (mm)
Peso Kg
6100
22.143
4416
X3
Nótese que X3 es el peso de solo un marco, pero cada módulo debe tener dos marcos, por la
situación de conexión lateral. Entonces el peso real de los dos marcos es 32.06kg.
4.4.5 Corte de solera para puertas
La Figura 4.4.9 muestra el objetivo de este apartado que es obtener una estructura que cubra el
concepto ganador 14 indicado en la Tabla 47 como “puertas abatibles”. Tomando en cuenta lo
anterior, no es necesario un diagrama como el de la Figura 4.4.8b; puesto que ya se cuenta con la
trayectoria y longitud a seguir (Figura 4.4.8a).
Tomando en cuenta las dimensiones comerciales [51]; para empalmar el elemento E de la Figura
4.4.8a; se propone un ancho de 12.7mm (½in), este es mayor que el ancho del ángulo, lo cual es un
buen espacio para soldar la solera con la lámina y permitir adherir el empaque plástico (concepto
15) al margen del componente. La longitud sugerida anteriormente se puede utilizar igualmente para
la sujeción mediante remaches de la solera y la lámina. La Tabla 53a muestra la suma total de las
longitudes necesarias para el marco de solera. Consultar apéndice A.
Figura 4.4.9 Elementos del marco de solera.
Tabla 53a. Longitudes para el corte de cada elemento del marco de solera.
Elemento Longitud de corte (mm)
A=B
1009
C
993
D
113
E
1153
Total
4390
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CAPITULO 4
Si la longitud necesaria es de 4390mm, se puede calcular el peso del material requerido para un solo
marco (Tabla 53b) mediante los datos comerciales [51] en la Figura 4.4.2; por regla de tres se tiene
X4=6.94.
Tabla 53b. Peso de la solera.
L (mm)
6100
4390
Peso Kg
9.65
X4
Nótese que es el peso de solo un marco; pero en realidad son necesarias dos puertas, resultando
un peso de 13.88kg. Consultar apéndice A para considerar tolerancias.
Para cubrir el área del marco, se sugiere utilizar lámina como la que se propone para el cuerpo del
carenado. En este caso solo se toma el área correspondiente de la geometría del marco (Figura
4.4.9a). Debido a que las dimensiones comerciales resultan pequeñas para el área requerida, se
recomienda el corte de dos geometrías como la mostrada en la Figura 4.4.9b con el fin de cubrir la
geometría de una puerta.
Figura 4.4.10 Geometría de la lámina para el marco de solera.
El cálculo del peso del material para cubrir el área del marco de la Figura 4.4.9a, lo muestra la Tabla
53c. Por regla de tres se tiene X5=3.55Kg.
A(mm)
912
1153
Tabla 53c. Calculo del peso del material.
L(mm)
Área de referencia (mm2)
Peso Kg
3648
3326976
8.91
1152
1328256
X5
Debe recordarse que son 2 puertas, resultando un peso de 7.11kg. La Tabla 53d resume el cálculo
del peso total de cada módulo del recinto
Tabla 53d. Peso del material para un módulo del recinto.
Cantidad
Componente
Peso
1
Lamina del carenado
7.23
1
Lamina del bastidor
2.30
2
Marco Angular
32.06
2
Solera para puerta
13.88
2
Lamina para puerta
7.11
Total
62.58
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CAPITULO 4
Suponiendo que el peso total del recinto sea el triple de lo indicado en la Tabla 53d (tres módulos),
el peso del recinto completo es 187.74Kg, por lo que para la selección del concepto 1, indicado en
la Tabla 47 como: “tuercas de ojillo”, se debe seleccionar un artículo con una capacidad de carga
superior al peso del recinto completo. El artículo comercial sugerido lo muestra la Figura 4.4.11a,
pero teniendo en cuenta el trabajo de mecanizado extra para la instalación de este, se sugiere
remplazarlo por un artículo denominado “bandola mosquetón” (Figura 4.4.11b)”, el cual se puede
montar y desmontar aprovechando los barrenos de conexión entre módulos; eliminando, la
necesidad de un maquinado extra. Empleando el criterio de selección mencionado para las tuercas
de ojillo y teniendo en cuenta la nomenclatura de la Figura 4.4.11b, la bandola que se ajusta mejor
a las necesidades de este proyecto debe tener un grosor D≤1/4in y una capacidad de carga k≥100kg,
ya que se sugiere una bandola en cada extremo del recinto.
a.
b.
Figura 4.4.11 a. Tuerca de ojillo [54]. b. Bandola mosquetón [54].
Por otro lado, el concepto ganador 2 indicado en la Tabla 47 como “Viga
en C”, debe colocarse en la parte inferior de cada marco angular, donde
además de cubrir la función 1.1.2 de nivelar el recinto, debe permitir al
operador maniobrar fácilmente cuando se requiera atornillar inferiormente
un módulo a otro, sin interferir en la conexión atornillada. Se sugiere
colocar dos piezas por marco angular. De acuerdo a la nomenclatura
mostrada en la Figura 4.4.12, las dimensiones comerciales [51] que se
ajustan mejor a las necesidades mencionadas anteriormente son: peralte
C=152.4mm (6in), ancho del patín B=48.768mm (1.92in), espesor del alma
e=5.08mm (0.200in). Consultar apéndice A.
Para el concepto 20 de la Tabla 47 indicado como “panel de
conexiones (Figura 4.4.13)”, un aspecto importante es la posición
del mismo, ya que se debe eliminar la generación de cualquier tipo
de sombra por parte de los accesorios de extracción de aire
correspondientes al controlador del ciclo de curado (heat bonder),
sobre el material a polimerizar, por lo que se sugiere colocarlos en
los extremos inferiores frontales del carenado y fabricar dos piezas
con el material sobrante empleado en las puertas.
Figura 4.4.12 Canal U [51].
Figura 4.4.13 Panel de
conexiones.
Para la apertura y cierre del concepto indicado como “puertas abatibles”, es necesario desarrollar
cinco componentes (Figura 4.4.14), los cuales evitarán el uso de algún accesorio que conlleve más
trabajo en su colocación como son bisagras y jalones para puertas.
Los componentes mostrados en la Figura 4.4.14, facilitan la adaptación en caso de requerirse la
utilización de un solo módulo. Se sugiere fabricar estos componentes del mismo material de
fabricación del marco angular y la puerta de solera, lo anterior para aprovechar el material sobrante
del corte de los tramos comerciales empleados. Consultar apéndice A.
a
b
c
d
e
Figura 4.4.14 a. Bisagra ab; b. Bisagra cd; c. Tejuelo fijo izquierdo; d. Tejuelo fijo derecho; e. Jalón para
puerta.
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CAPITULO 4
Los componentes a, b y e de la Figura 4.4.14 deben soldarse al marco de solera (Figura 4.4.9)
mientras que los componentes c y d de la misma figura, deben soldarse al componente mostrado en
la Figura 4.4.8a. Ver apéndice de fabricación para su correcta colocación.
Por otro lado se sugiere utilizar un accesorio como el de la Figura 4.4.15, que colocado en la parte
inferior de la puerta abatible recibirá el peso de la misma (10.5Kg), facilitando el giro en un solo punto.
Figura 4.4.15 Diagrama del rodamiento axial de bolas de simple efecto [55].
En general, la selección de un cierto tipo de rodamiento [55] es en función de las condiciones de
trabajo, disposición en la instalación, facilidad de montaje en máquina, espacio disponible, coste,
disponibilidad, así como la duración de la grasa, el ruido, las vibraciones, el desgaste y otros factores.
Por lo tanto, dado que las condiciones de trabajo no son críticas y teniendo en cuenta la nomenclatura
de la Figura 4.4.15, el diámetro interno d requerido es 6.35mm(1/4in) con una altura 6.35mm(1/4in) ≤ T
≤ 9.525mm(3/8in), el diámetro exterior D≤25.4mm(1in) ya que no es una medida crítica.
Otro punto importante a cubrir es el cierre de la puerta. Se propone emplear un cierre magnético, el
cual impedirá la apertura indeseada de la puerta y evitará emplear algún accesorio comercial que
conlleve más trabajo en su colocación (pasadores, resbalones, etc.).
Figura 4.4.16 Magneto.
Teniendo en cuenta la nomenclatura de la Figura 4.4.16 las medidas propuestas son: diámetro
D=20mm, y un espesor e=1.5mm sugiriendo una fuerza de atracción de 2Kg, lo cual conlleva a colocar
seis magnetos distribuidos en el cierre perimetral de la puerta, componente que pesa 10.5Kg.
Es importante señalar que un extremo del magneto debe estar adherido al componente, respetando
el espesor de la junta polimérica de 1.587mm (1/16in) colocada al margen de cierre del mismo.
Como primer punto para complementar el concepto 3 indicado como tipo brida en la Tabla 47, se
sugiere emplear remaches POP, los cuales servirán para sujetar el marco angular al carenado de
máquinas; y como segundo punto, se sugiere emplear pernos de sujeción; accesorios que permitirán
conectar y desconectar fácilmente un módulo con otro, facilitando el ensamble y desensamble del
recinto. La selección del remache y perno ideales se define posteriormente.
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CAPITULO 4
4.4.6 Sujetadores estructurales
Los métodos de unión [56] pueden ser permanentes, por ejemplo: unión mediante remaches,
soldadura y adhesivos, o semipermanentes o desmontables (Tabla 54) como: pernos de unión o de
fijación, prisioneros, espárragos, chavetas y pasadores.
Tabla 54. Ejemplos de métodos de unión estructurales.
ELEMENTO DE FIJACIÓN
VENTAJAS
Buen apriete
Alta rigidez y bajo peso
Bajo costo
Buena
resistencia
estática y a la fatiga en
uniones de cortadura
a.
Remaches [22]
Alta resistencia a la
tracción
Alta resistencia al corte
Costo moderado
Desmontables
b.
Pernos de unión [22]
En esta sección el primer punto a tratar es la selección adecuada del remache POP; sujetador
empleado para la unión permanente de dos o más elementos. Para el largo y el diámetro del
sujetador existen muchas medidas comerciales [57]. Los factores para la selección adecuada se
definen posteriormente.
Los pernos, pasadores y remaches crean esfuerzos en los elementos que conectan, a lo largo de la
superficie de apoyo o superficie de contacto. En la práctica se usa la ecuación 18 [58] para calcular
un valor promedio nominal del esfuerzo, en donde σb es el esfuerzo de apoyo que se obtiene
dividiendo la carga P por el área A del rectángulo que representa la proyección del remache en la
sección de las placas de unión (td, siendo t el espesor de la placa y d el diámetro del remache).
𝜎𝑏 =
𝑃
𝐴
Ecuación 18
Proponiendo un remache de aluminio abierto con rotura de vástago [59] (consultar Tabla 7B) con
diámetro d=3.175mm (1/8in); los valores para la ecuación 18 son: P=613.909N (138.01lb)
correspondiente al peso del dispositivo y A= (4.7625+0.3)(3.175)=16.0734mm2 (0.02491388in2).
Sustituyendo se tiene: σb=970.12MPa (5539.48psi).
Se propone sujetar con 10 remaches por arista, resultando 40 por extremo de unión del módulo
(consultar apéndice A), y dividiendo la carga P por el número de remaches, se tiene una carga por
remache Prem=613.909N/40=15.34N.
Obedeciendo lo anterior y de acuerdo con la Tabla 7B [59], el valor de la resistencia al corte Srem=800N
y la resistencia a la tensión Trem=1200N. Comparando la carga de cada remache contra la resistencia
al corte se tiene Prem ≤ S. Por lo tanto el diseño es seguro. Por lo tanto, pensando en reducir el número
de remaches a 5 por arista, se tiene Prem=613.909N/20=30.6954N, cumpliendo el criterio de
comparación Prem ≤ Srem.
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CAPITULO 4
Para el cálculo de la longitud mínima de los remaches, la Tabla 55 muestra los espesores que se
van a empalmar y la ecuación 19 [60] determina la selección del largo del remache Lr, en donde e es
el espesor a remachar y r es el diámetro del remache.
𝐿𝑟 = 𝑒 + 𝑟
Ecuación 19
Tabla 55. Espesor de los diferentes materiales empleados en el recinto.
Espesor e (in)
Espesor e (mm)
Lamina
0.012
0.3
Perfil solera
1/8
3.175
Perfil angular
3/16
4.775
Para este caso se propone un remache tipo “pop” cabeza alomada, ya que proporciona suficiente
superficie de soporte para la fijación de los elementos. Con base en el diámetro del remache r
sugerido, la Tabla 56 resume los diferentes materiales utilizados para el remachado solicitado.
Tabla 56. Sumatoria de elementos a remachar.
Una lamina
Dos laminas
REMACHADO
Suma
Lr (mm)
Suma
Lamina
(0.3+0.3)+3.175
3.775
(0.3+0.3+0.3)+3.175
Perfil solera (0.3+3.175)+3.175
6.25
(0.3+0.3+3.175)+3.175
Perfil angular
(0.3+4.775)+3.175
8.25
(0.3+0.3+4.775)+3.175
Lr (mm)
4.075
6.55
8.55
Comparando la columna para el remachado con una lámina y con dos; el valor del largo del remache
Lr está entre 6.35 mm (¼in) y 9.525 mm (3/8in). Por lo tanto, con base en las medidas comerciales
[57] se puede concluir que se deben utilizar remaches tipo “pop” de aluminio con las características
mostradas en la Tabla 57.
Tabla 57. Características principales de los remaches a utilizar.
Medida (mm)
Característica
Medida (in)
3.175
1/8
r
Lr
9.525
3/8
Estándar
Cabeza alomada
Por otro lado, la manera ordinaria de especificar las dimensiones de un remache es por “tamaño
comercial”. Por ejemplo para el número 45 mostrado en la Figura 4.4.17, el primer dígito se refiere
al diámetro del remache en x/32 de pulgada, mientras que el segundo dígito se refiere a la altura del
agarre máximo en y/16 de pulgada [61]. Por lo tanto el tamaño del remache con designación 45
mostrado en la Figura 4.4.17 es: 1/8in para el diámetro y 5/16in de máximo agarre.
Figura 4.4.17 Nomenclatura de los remaches [61].
Tomando en cuenta lo citado anteriormente, el remache a utilizar debe tener la designación comercial
46. La selección del remache correcto toma en cuenta los factores expuestos en las Tabla 58a y
58b. La Tabla 59 detalla información acerca de la instalación de un remache.
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CAPITULO 4
Tabla 58a. Factores para la selección del remache correcto [60].
JUSTIFICACIÓN
ILUSTRACIÓN
FACTOR
Resistencia a
la fijación
Deben considerarse propiedades como
la tracción y cizallamiento del material
del que está fabricado el remache.
Es preciso conocer la medida total de los
diferentes espesores a remachar, para
determinar correctamente el largo del
remache.
Se recomienda una distancia de dos
veces el diámetro del remache (D) o
mayor desde el centro del remache al
borde de las piezas a fijar para evitar la
fractura de los mismos.
Como principio general de elección de
un remache, deben tomarse en cuenta
las mismas propiedades físicas y
técnicas en los componentes que se van
a unir, porque una diferencia significativa
puede ser la causa de uniones
incorrectas por fatiga del material o
corrosión galvánica.
Tomar en cuenta los siguientes
inconvenientes:
a) Una perforación muy ajustada dificulta
la inserción del remache,
b) Una perforación muy holgada, puede
ocasionar problemas como la trefilación
total y/o parcial del vástago del remache.
Tipo o estilo
de cabeza.
El estilo de cabeza debe seleccionarse
de acuerdo al tipo de aplicación del
remache.
Cabeza
alomada
Diámetro de
la
perforación.
TABLA 58b
Proporciona suficiente superficie de
soporte para fijar todo tipo de materiales,
excepto materiales suaves y/o
quebradizos.
Cabeza
ancha
Naturaleza
de los
materiales
Proporciona el doble de superficie de
apoyo que los remaches de cabeza
alomada, permitiendo remachar un
material suave o quebradizo a un material
rígido evitando su deformación.
Cabeza
avellanada
120°
Espesor a
remachar
Se utiliza cuando se requiere un acabado
plano, es decir, que no sobresalga la
cabeza del plano de las piezas a
remachar, proporcionando un mayor
espesor de remachado.
Tabla 58b. Referencia para evitar elecciones de remaches erróneas [60], a la derecha se muestra el
significado de cada letra.
Letra
Material de contacto
Material
remache
Monel
Acero
inoxidable
Cobre
Acero
Aluminio y
aleaciones
Zinc
Consideración
La corrosión del metal considerado NO se
acelera por el contacto con el metal.
La corrosión del metal considerado puede
B
acelerarse ligeramente por el contacto con el
metal.
La corrosión del metal considerado puede
C
acelerarse notablemente por el contacto con el
metal.
Cuando la humedad está presente, la
combinación y el contacto entre los metales no es
D
aconsejable, incluso en condiciones poco
severas.
Para los símbolos B o C, la aceleración de la corrosión
probablemente
cambiará
con
las
condiciones
medioambientales o las del metal.
A
Monel
Acero
inoxidable
Cobre
Acero
Aluminio y
aleaciones
Zinc
-
A
A
A
A
A
A
-
A
A
A
A
BoC
BoC
-
A
A
A
C
C
C
-
B
A
C
BoC
D
BoC
-
A
C
C
C
C
C
-
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CAPITULO 4
Tabla 59. Pasos para la instalación del remache
PASO
PROCEDIMIENTO
1
Perforar las piezas a unir con un diámetro de 0.1mm mayor al
de la cabeza del remache.
2
Introducir la cabeza del remache en la perforación realizada
previamente.
3
Introducir el vástago en la boquilla de la remachadora.
4
Accionar la remachadora para que las mordazas jalen el
vástago hasta que el mismo se quiebre.
5
Una vez separados vástago y cabeza, se tiene una fijación
limpia, rápida y duradera.
IMAGEN
Como segundo punto a tratar es la selección adecuada del sujetador denominado perno; el cual es
empleado para la unión semipermanente de dos o más elementos. Se sugiere este tipo de sujetador
para facilitar el armado y desarmado de dispositivo. El desarrollo para la selección adecuada del
perno se muestra posteriormente.
En la selección del tipo de rosca [62] del perno, deben tomarse en cuenta los siguientes aspectos:
a) La concentración de carga y por ende los esfuerzos es menor en la rosca de paso grueso
que en la rosca de paso fino.
b) La rosca de paso grueso posee mayor resistencia y puede aplicársele un de par torsión
mayor, asegurando con ello un ensamblaje más resistente y económico.
c) El acoplamiento es mejor en la rosca de paso grueso, porque sus filetes son más profundos
y poseen mayor superficie de contacto que en el caso de la rosca de paso fino.
d) La rosca de paso grueso es menos delicada y por consiguiente un elemento fabricado con
dicha rosca requiere un menor cuidado en su manejo.
Unas vez seleccionado el tipo de rosca, métrica (MF, MC) o unificada (UNF, UNC o UNEF), se asume
un grado (SAE o ASTM) o calidad (ISO o DIN) para el perno y la tuerca. Si la tuerca y perno son del
mismo material, se debe estudiar solo el perno ya que es el más crítico del conjunto.
En ciertas aplicaciones (culatas de motores de combustión interna o máquinas de alta velocidad) es
necesario controlar el apriete de los pernos [56], por lo que teniendo en cuenta que para el ensamble
del recinto, es más práctico el uso de las herramientas convencionales (llaves españolas, estriadas
o combinadas, etc.) y bajo esta condición, donde el operario no controla el par de torsión y genera
un par de apriete desconocido (que está en un rango amplio), la selección del perno correcto se
abordará a partir de la condición de que la fuerza de apriete es desconocida.
Para la selección del perno correcto, es recomendable identificar empíricamente un perno con
diámetro adecuado d. Las ecuaciones 20 y 21 [56] (que son utilizadas para una condición en donde
la fuerza de apriete es desconocida) muestran el cálculo de las variables necesarias, en donde At es
el área de tracción, Fe es la fuerza externa correspondiente a cada perno y Sy es el esfuerzo mínimo
de fluencia a la tracción del material, (Ver Tabla 2B del apéndice de tablas) La constante dimensional
1 in–1 se agrega con el fin de hacer la ecuación dimensionalmente correcta.
2
3
6𝐹𝑒
𝐴𝑡 = ( −1 )
(𝑖𝑛 )𝑆𝑦
𝐹𝑒
𝐴𝑡 =
0.4 𝑆𝑦
para d < ¾ in
para d ≥ ¾ in
Ecuación 20
Ecuación 21
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CAPITULO 4
La fuerza externa Fe se calcula mediante la ecuación 22 [56], en donde FeT es la fuerza externa total
y nb el número de pernos.
𝐹𝑒𝑇
𝐹𝑒 =
Ecuación 22
𝑛𝑏
De la Tabla 53d se conoce el peso de un módulo del recinto el cual se tomará como fuerza externa
total (FeT) y sugiriéndose 19 pernos distribuidos alrededor del área a empalmar, la Tabla 60a muestra
el resumen y cálculo con los datos correspondientes descritos hasta este punto.
Tabla 60a. Datos para la selección del perno.
Tipo de rosca
UNC
Grado SAE
8
19
Numero de pernos (nb)
613.9
Peso del recinto (N)
138.103
Peso del recinto FeT (lb)
7.2638
Fe (lb)
0.00482
Atcalculada (in2)
Obedeciendo la condición de que Atseleccionada ≥ Atcalculada [62], y corroborando los datos de la Tabla 1B,
existe una dimensión para rosca UNC tamaño 3, pero para efectos de fácil adquisición del sujetador,
se tomarán los datos correspondientes para el tamaño de rosca 6.35mm (¼in), los cuales son
mostrados la Tabla 60b. Nótese que el tamaño AT = 11.11mm (7/16in) del perno seleccionado se ajusta
adecuadamente en el ancho del ala del perfil angular comercial [51] mostrado en la Figura 4.4.1.
Tabla 60b. Datos del perno seleccionado (Ver Tabla 1B).
d(in)
dr(in)
Atseleccionada (in2) AT (in2)
0.2500
0.1850
0.0318
7/16
La ecuación 23 muestra el cálculo de la longitud mínima del vástago LT del perno para que exista
apriete, en donde Es es el espesor a sujetar, H es la altura de la tuerca (regularmente H=0.8d [63]) y
C el espesor de las arandelas (se sugiere una arandela por superficie de apriete).
𝐿 𝑇 = 𝐸𝑠 + 𝐻 + 𝐶
Ecuación 23
Los datos necesarios para la ecuación 23 son Es=4.7625+1.5875+4.7625=11.11mm (7/16in); para
H=0.8(6.35mm)=5.08mm (0.2in) y para C=2(1.5875)=3.175mm (1/8in), ver Tabla 6B. Por lo tanto
LT=19.365mm (0.7624in) y agregando dos hilos de rosca [62] hr=2/20=0.1in. Se tiene:
LT=0.8624in ≈ 7/8in.
Concluyendo que el LT ideal es de 25.4mm (1in).
El siguiente punto a tratar es el cálculo de la fuerza de apriete. Algunas recomendaciones
dependiendo el tipo de conexión y carga se muestran en las ecuaciones 24 a 28 [56], en donde Sp
es la resistencia límite del material del perno y Si es el esfuerzo inicial, es decir, el esfuerzo normal
en el perno al terminar el apriete, el cual está dado por la ecuación 28 en donde Fi es la fuerza de
apriete y At el área de tracción en el perno.
Si
Si
Si
Si
= 0.75Sp
= 0.90Sp
≥ 0.75Sp
= 0.90Sp
para conexiones reutilizables
para conexiones permanentes
para cargas en el perno dinámicas
para cargas en el perno estáticas
𝐹𝑖
𝑆𝑖 =
𝐴𝑡
Ecuación 24
Ecuación 25
Ecuación 26
Ecuación 27
Ecuación 28
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CAPITULO 4
Teniendo en cuenta que las cargas sobre la junta son estáticas y que la conexión es reutilizable, se
utiliza la ecuación 24 para calcular el menor valor de esfuerzo de apriete Si, De la Tabla 2B los datos
necesarios son: Sp =120ksi. Por lo tanto Si=90ksi y de la ecuación 28, la fuerza de apriete es
Fi=2862ksi. La Figura 4.4.18 ayuda a visualizar el estado de fuerzas calculadas hasta este punto.
b.
a.
Figura 4.4.18 a. Estado de fuerzas en un perno. Vista lateral; b. Estado de fuerzas en un perno. Vista frontal.
Para las partes a unir, existen dos procedimientos para calcular la constante elástica kc. Es
recomendable hacer los dos cálculos, seleccionando el menor valor de kc, que es el que garantiza
que se está tomando el área efectiva de compresión Ac. Las ecuaciones 29a y 29b [56], muestran lo
citado anteriormente, en donde Ac es el área efectiva de compresión del perno, Ec es el módulo de
elasticidad del material en cuestión y Lci es la longitud de unión del material.
Si Ac es pequeña:
1
1
1
1
=
+
+ ⋯+
𝑘𝑐 𝑘𝑐1 𝑘𝑐2
𝑘𝑐𝑛
𝐴𝑐 𝐸𝑐𝑖
𝑘𝑐𝑖 =
𝐿𝑐𝑖
Ecuación 29a
Ecuación 29b
Para la segunda opción (si Ac es grande), se tiene la ecuación 30b para la constante elástica del
conjunto de elementos a unir sin considerar la empaquetadura kcmi en donde d es el diámetro del
perno, a y b son coeficientes empíricos para diversos materiales (consultar Tabla 3B), y Lm es la
longitud de las partes a unir sin considerar (o restándole) el espesor del empaquetamiento Lemp, si la
hay.
Si Ac es grande
1
𝑘𝑐
=𝑘
1
𝑐𝑚1
+𝑘
1
𝑐𝑚2
+ ⋯+ 𝑘
𝑘𝑐𝑚𝑖 = 𝑑𝐸𝑐𝑖 𝑎ℯ
𝑏(
1
𝑐𝑚𝑛
+𝑘
1
Ecuación 30a
𝑒𝑚𝑝
𝑑
)
𝐿𝑚𝑖
Ecuación 30b
Ecuación 30c
Lmi =L-Lemp
𝑘𝑒𝑚𝑝 =
𝐴𝑒𝑚𝑝 𝐸𝑒𝑚𝑝
𝐿𝑒𝑚𝑝
Ecuación 30d
Posteriormente se tiene la constante elástica de la empaquetadura kemp sin confinar, dada por la
ecuación 30d, en donde Aemp es el área real de la empaquetadura por perno, Eemp es el módulo de
elasticidad de la empaquetadura y Lemp es el espesor de la empaquetadura.
El área de compresión Ac para cada perno se calcula mediante la ecuación 31 [56], en donde Asc es
el área de superficie de contacto entre materiales a unir (consultar Tabla 54), nb es el número de
pernos y Ab(d) es el área del perno en función del diámetro del mismo.
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𝐴𝑐 =
CAPITULO 4
𝐴𝑠𝑐
− 𝐴𝑏(𝑑)
𝑛𝑏
Ecuación 31
La Tabla 61 muestra el área de contacto. La Figura 4.4.8a es de gran ayuda en esta etapa, no debe
olvidarse que existe un triángulo como el mostrado en la Figura 4.4.8b en algunas puntas de los
elementos de la Figura 4.4.8a.
Elementos
A
B
C
D
E
Área
Tabla 61. Superficies de contacto.
Área del elemento Área real de contacto
51917.6
51384.2
51917.6
51384.2
47396.4
46329.6
5740.4
9347.2
515620
515620
Asc (mm2)
674065.2
Asc (in2)
1044.8
Los datos para sustituir en la ecuación 31 son: nb=19, d= 6.35mm (1/4in) y Asc=674065.2mm2
(1044.80315in2). Por lo tanto se tiene Ac=35477.066mm2 (54.9405in2)
Calculando los dos procedimientos para encontrar el menor valor de kc se tiene lo siguiente:
Si Ac es pequeña
En primer lugar se calcula la kc para el perfil angular. Los datos que se sustituyen en la ecuación 29b
son los del material en cuestión, Ac=35477.066mm2 (54.9405in2), Eáng=248.211MPa (36000psi) y
Láng=4.7625mm (0.1875in).
kcáng= 1.8473 (E6)N/mm (1.0549(E7)lb/in)
En segundo lugar se calcula la kc para el empaque. En donde Ac=35477.066mm2 (54.9405in2),
Eemp=1.3789Mpa (200psi). Ver Tabla 5B y Lemp=1.5875mm (1/16in) (seleccionado según el criterio de la
Figura 4.4.21).
kcemp= 3.0294(E4)N/mm (1.7298(E5)lb/in)
Sustituyendo en la ecuación 29a se tiene:
kc= 2.9(E4)N/mm (1.6749(E5)lb/in)
Si Ac es grande
En primer lugar se calcula con la ecuación 30b la kcm para el perfil angular, los datos correspondientes
son: a=0.7872, b=0.6287 (ver tabla 3B), d=6.35mm (1/4in), Ecáng=248.21MPa (36000psi) y Lmáng= 9.525mm
(3/8in).
kcmáng= 1886.72N/mm (10773.45lb/in)
Sustituyendo en la ecuación 30a para encontrar el valor de la constante kcm (kcemp conserva el valor
del cálculo anterior), por lo tanto
kcm= 9.15(E2)N/mm (5224.05lb/in)
Se selecciona el menor valor de kc, en este caso kcm. El valor mínimo de la constante elástica kc,
garantiza que se esté tomando el área efectiva de compresión Ac.
La constante elástica del perno kb puede calcularse mediante la ecuación 32 [56], en donde Ab es el
área de sección transversal del perno en este caso At (perno totalmente roscado), Eb es el módulo de
elasticidad del material del perno (ver Tabla 4B) y L es la longitud a unir.
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CAPITULO 4
𝑘𝑏 =
𝐴𝑏 𝐸𝑏
𝐿
Ecuación 32
Los datos para la ecuación 32 son Eb=206842.64 MPa (30(E6) psi), Ab=20.52mm2 (0.0318in2) y
L=11.11mm (7/16in), con una longitud para la empaquetadura de 1.587mm (1/16in), se obtiene:
kb= 3.82(E5N/mm) (2.18(106)lb/in)
Posteriormente se debe verificar que no haya separación de partes mediante la ecuación 33 [56], en
donde Nsep es un factor de seguridad con respecto a la separación de partes, Fe es fuerza externa
total, Fi es la fuerza de apriete, kc es la constante elástica de menor valor y kb es la constante elástica
del perno.
𝑘𝑐
𝐹𝑖 ≥ 𝑁𝑠𝑒𝑝 𝐹𝑒 (
)
𝑘𝑐 + 𝑘𝑏
Ecuación 33
De la ecuación 33 se tiene:
𝐹𝑖 𝑘𝑐 + 𝑘𝑏
(
)
𝐹𝑒
𝑘𝑐
𝑁𝑠𝑒𝑝 =
Por lo tanto, sustituyendo valores se tiene: Nsep=1.65 (E5)
Este factor de seguridad es muy grande. La gran precarga sobre los pernos hace muy poco probable
que se tengan problemas de separación de junta.
Por último, para pernos de unión sometidos a tracción estática solamente (con una fuerza máxima
Fbt), debe verificarse que el factor de seguridad NF sea lo suficientemente grande (mayor al
permisible) calculándose con la ecuación 34 [56].
𝑘𝑐 + 𝑘𝑏
𝑁𝐹 = (𝑆𝑝 𝐴𝑡 − 𝐹𝑖 ) (
)
𝑘𝑏 𝐹𝑒
Ecuación 34
Cuando el perno soporta una combinación de cortante estático (producido por cortante directo o
torsión) y tracción estática puede aplicarse la ecuación 35 [56], en donde NF es el factor de seguridad
calculado considerando sólo el efecto de tracción y Ns es el factor de seguridad calculado con la
ecuación 36 [56] en donde Sys es la resistencia a la torsión del material igual al factor 0.577
multiplicado por el máximo esfuerzo cortante Sy considerando sólo el esfuerzo cortante Ss calculado
con la ecuación 37 [56] en donde T y V son el par de torsión y la fuerza cortante respectivamente,
que soporta el perno a analizar.
𝑁=[
1
1
2 + 2]
𝑁𝐹 𝑁𝑠
𝑁𝑠 =
𝑆𝑠 =
−0.5
Ecuación 35
𝑆𝑦𝑠
𝑆𝑠
Ecuación 36
16𝑇
𝑉
+
𝜋𝑑𝑟3 𝜋 𝑑𝑟2
4
Ecuación 37
Para la ecuacion ecuación 34 se tiene NF=2.47 (E2)
La fuerza cortante (ecuación 38) resultante V se obtiene al sumar vectorialmente las fuerzas FeT
presentes a las que están sujetos los pernos, y dividir por el número de pernos nb.
𝑉 = √(
𝐹𝑒𝑇 2
𝐹𝑒𝑇 2
𝑛𝑏
𝑛𝑏
) +(
)
Ecuación 38
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CAPITULO 4
Sustituyendo valores se tiene V=45.69N (10.27lb)
Usando la ecuación 37; la ecuación 36 puede reescribirse como sigue:
𝑁𝑠 =
𝑆𝑦𝑠 0.577𝜋𝑆𝑦 𝑑𝑟2
=
𝑆𝑠
4𝑉
Sustituyendo valores para Ns se tiene Ns=1.96E2
Remplazando los factores de seguridad en la ecuación 34, se obtiene un factor N=1.54 (E2)
El factor de seguridad es muy grande, entonces, el diseño es seguro. Sin embargo, puede pensarse
en reducir el diámetro del perno o el grado del material o el número de pernos para reducir costos,
la Tabla 62 muestra lo citado anteriormente.
Tabla 62. Cálculo de sujetadores reduciendo parámetros de diseño.
Tipo de rosca
UNC
Constantes elásticas
Factores de seguridad
Nsep
Grado SAE
5
Área pequeña
9.79(E4)
2
Numero de pernos (nb)
Ac (in )
NF
16
65.25
7.85(E1)
7
Peso del recinto (N)
kcang
V(lb)
613.9
1.24(E )
12.19
Peso del recinto FeT (lb)
kcemp
Ns
138.01
2.06(E5)
1.17(E2)
Fe (lb)
1/kc
N
8.63
5.01(E-6)
6.52(E1)
2
5
Atcalculada (in )
kc
0.005411763
1.99(E )
Datos de interés para el perno
Área grande
d (in)
a
0.25
0.7872
dr (in)
b
0.185
0.6287
Atseleccionada (in2)
kcmang
0.0318
10773.45
AT (in)
kcemp
0.4375
206447.35
1/kc
Fuerza de apriete
0.000190485
Si (ksi)
kc
63.75
5249.74
Fi (lb)
2027.25
En caso de que en el dispositivo se considere un peso de 4000kg mas del que se muestra en la
Tabla 62, el factor de seguridad es N=1.004, reflejando que en caso de cargarse el dispositivo con
4000kg extra, el diseño continúa siendo seguro.
Finalmente, la manera más común de especificar el tamaño de un perno [62] lo muestra la Figura
4.4.19, en donde Tp es el tipo de perno, G es el grado o calidad, T es el diámetro nominal, P es el
paso de hilos, Tr es el tipo de rosca, A es el ajuste y LT es la longitud del vástago. Para el sistema
métrico se agrega la letra M entre G y T.
Tp G T P Tr A LT
Figura 4.4.19 Nomenclatura de pernos.
Por lo tanto, con base en los cálculos anteriores y sugiriendo un tipo de sujetador denominado perno
de cabeza cilíndrica con vaciado hexagonal (comúnmente llamados pernos Allen), el perno a emplear
debe tener la nomenclatura siguiente: Perno Allen 1/4in 20 UNC 1in. Algunos datos técnicos para este
tipo de pernos se muestran en la Tabla 8B.
Comúnmente [54, 64, 65] en los pernos de cabeza hexagonal, el grado o calidad está sobre la misma,
pero en los pernos Allen no existe marca de identificación ya que solo son fabricados en un tipo:
DIN912 (sistema imperial) o calidad 12.9 (sistema métrico) la cual está sobre el espacio que queda
entre el diámetro de la cabeza y el vaciado hexagonal para la llave Allen.
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CAPITULO 4
Por otro lado, dado que la tension en el perno (y por lo tanto la compresión sobre la junta) se genera
mediante el priete de las tuercas en la rosca del perno, las roscas desempeñan un papel importante
en la operación de sujeción, y es necesario tener cuidado para mantener su integridad. Los
principales factores que determinan la resistencia al barrido se listan a continuación:
-
El tamaño del perno
La longitud del recorrido de las roscas
La resistencia de los materiales con los que están hechos el perno y la tuerca
Las roscas se dañan mas rapidamente cuando el material del perno y de la tuerca tienen la misma
resistencia. Para una seguridad optima, debe utilizarse una tuerca que tenga un límite elastico mayor
que la resistencia limite del perno [66]. De esta forma, el perno se romperá antes de que se dañen
las roscas de la tuerca. Es mas fácil detectar una rotura o barrido de rosca en un perno que una
rosca dañada en una tuerca.
Se recomienda el empleo de arandelas simples y lisas con los pernos, ya que además de ayudar a
distribuir la carga de una manera más uniforme, permiten un ajuste del par de apriete más
consistente de la tuerca a lo largo de la rosca. Dentro de las ventajas [66] que se obtienen con el uso
de arandelas están las siguientes:
-
Reducen los problemas de fatiga repartiendo la carga aplicada por el perno sobre la unión
Hacen que las fuerzas de conexión entre los componentes de la unión sean más uniformes,
lo que mejorará el rendimineto de la junta
Evitan los daños en las superficies de la unión
Reducen el nivel de incrustación entre los componentes, reduciendo así la relajación tras el
apriete.
A continuación se desarrolla la selección ideal para el concepto ganador 15 de la Tabla 47 que indica
“empaques de plástico”, accesorio que se sugiere emplear en el perímetro de unión entre cada
módulo y el perímetro de cierre de las puertas abatibles.
Una junta de sellado es un material compresible, o una combinación de materiales, que cuando son
sujetados entre dos miembros estacionarios impiden la fuga del medio a través de esos miembros.
Algunas características [67] que debe cubrir el material de la junta de sellado son:
-
Capacidad de sellar las superficies de acoplamiento,
Resistencia al medio que está siendo sellado,
Capacidad de resistir la aplicación de temperaturas y las presiones del medio que está
siendo sellado,
Resistencia a las temperaturas y las presiones de la aplicación.
Normalmente la selección de un sello implica la determinación de la presión que puede tolerar el
mismo para luego adoptar el sello que ofrecen los fabricantes a partir de Tablas. La Figura 4.4.20a
muestra un empaque, correspondiente a la configuración de una brida, similar a la que se propone
utilizar en este proyecto como lo muestra la Figura 4.4.20b.
b.
a.
Figura 4.4.20 a. Configuración de sellos para bridas [68], b. Configuración propuesta para este proyecto.
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CAPITULO 4
La fuerza FG que soporta el sello solo por la acción de la carga de los pernos está dada por la
ecuación 38 [68], en donde AG es el área del empaque y pG es la presión que puede soportar.
𝐹𝐺 = 𝐴𝐺 𝑝𝐺
Ecuación 38
La fuerza FG que comprime a la junta de sellado, ocasiona que esta fluya dentro de las
imperfecciones macroscópicas y microscópicas existentes en las superficies de contacto. Los
defectos macroscópicos son imperfecciones tales como las distorsiones de las bridas, la falta de
paralelismo, el rayado o estriado, las hondonadas o depresiones, mientras que las imperfecciones
superficiales tales como los rayones menores y las estrías menores son consideradas como
imperfecciones microscópicas [67].
Para la selección del espesor debe asegurarse de que la junta sea lo más fina posible pero que tenga
el suficiente espesor para compensar la irregularidad de las superficies a contactar, su paralelismo,
acabado superficial, rigidez, etc., así como la resistencia a la compresión del material de la junta [66],
ya que cuanto más fina sea la junta, mayor será la carga de los pernos que dicha junta pueda
soportar, y menor será la pérdida de esfuerzo de los perno debida a la relajación.
Tomando el dato pg=1.38N/mm2 (200psi) de la tabla 5B, el área de contacto de la empaquetadura
AG=Ac=22888384.4mm2 (35477.06in2) y sustituyendo en la ecuación 38. Se tiene:
FG=31561959.5N (7095413.34lb)
Para fines de este proyecto, de antemano se sabe que no existen presiones internas, ni fluidos a
contener en el dispositivo, por lo cual tomando en cuenta el criterio de selección mostrado en la
Figura 4.4.21 y la información técnica de la Tabla 5B, se propone emplear una junta fabricada de
elastómeros sin fibra con una resistencia por encima de dureza shore 75, ya que no existe un servicio
critico a cubrir.
Figura 4.4.21 Criterio de diseño para la selección de juntas de sellado [68]
De la amplia variedad de materiales de juntas [66, 67] algunos se listan a continuación:
1. Materiales elastoméricos: Caucho butilo (IIR), Caucho natural (NR), Estireno butadieno.
(SBR), Etileno propileno (EPDM), Fluoroelástomero, Neopreno (Cloropreno,CR), Nitrilo
(NBR), Polietileno clorosulforado, Silicona.
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CAPITULO 4
2. Materiales de fibras: Amianto, Aramida, Celulosa, Fibra de carbono, Fibra mineral artificial
(MMMF), Vidrio.
3. Otros materiales: Grafito flexible, Mica (vermiculita), PTFE.
4. Equivalentes europeos de los materiales de acero inoxidable.
5. Materiales metálicos.
4.4.7 CIRCUITO ELÉCTRICO-ELECTRÓNICO
Los conceptos ganadores 4, 5, 6, 7, 12, 13, 17, 18 y 19 de la Tabla 47, servirán para el circuito
eléctrico, con el cual se debe controlar la emisión de la energía IR. La Figura 4.4.22 muestra el
circuito eléctrico mediante los conceptos citados anteriormente.
Figura 4.4.22 Circuito eléctrico-electrónico del dispositivo
Los conceptos 8, 9, 10 y 11 involucrados con el circuito eléctrico se definen posteriormente.
En la Tabla 47, el concepto ganador 8 describe una configuración “tipo pluma” (Figura 4.4.23), la
cual asegura las fuentes de emisión. Se sugiere fabricar una “pluma” por modulo. Para que la
solución se desarrolle propiamente con base en esta idea, se deben desarrollar tres componentes,
los cuales se muestran en la Figura 4.4.24.
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CAPITULO 4
Figura 4.4.23 Pluma para asegurar las fuentes de emisión.
Con base en la descripción gráfica de la Figura 4.4.23, la “pluma” se debe empotrar en un extremo,
mientras que el otro, permaneciendo libre, debe asegurar que tres fuentes de emisión IR (meta de
diseño Tabla 24) suban y bajen verticalmente exactamente al centro del módulo.
Como primer punto, se debe desarrollar el brazo de la pluma, para el cual se propone un material
denominado comercialmente [7F3] “Perfil unicanal U-20 calibre 14”. Su sección transversal se
muestra en la Figura 4.4.24a con dimensiones sugeridas de Z=41mm (1.625in). Este componente,
además de mantener la distancia entre el empotre y el extremo libre (525mm), puede resguardar
internamente el cableado para el circuito eléctrico.
a
b
c
Figura 4.4.24 a Brazo pluma; b. Brazo porta-focos; c. Angulo conector.
Como segundo punto, se tiene el brazo porta-focos, para el cual se propone un material denominado
comercialmente [7F3] “Perfil unicanal U-40 calibre 14” su sección transversal se muestra en la Figura
4.4.24b con dimensiones sugeridas de A=22mm (7/8in) y B=41mm (1.625in) con una longitud de
l=500mm la cual permite sujetar el concepto siete de la Tabla 47 indicado como riel electrificado con
una longitud comercial [69] de 600mm.
Como tercer punto, se tiene el ángulo conector (Figura 4.4.24c), para el cual se sugiere fabricarlo del
mismo material que el marco angular con el fin de aprovechar el material sobrante de los tramos
utilizados. Este último, permite conectar el brazo de la pluma y el brazo porta-focos, además de
empotrar un extremo del brazo de la pluma (Figura 4.4.23) al carenado de máquinas (concepto 16
de la Tabla 47).
Para la sujeción del ángulo conector con el brazo porta-focos, así como la sujeción del ángulo
conector con el carenado, se sugiere emplear remaches POP. La longitud del remache se calcula
con la ecuación 19 y los resultados se muestran en la Tabla 63.
Tabla 63. Sumatoria de elementos a remachar.
Lamina
Perfil unicanal Perfil angular
r
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
Empotre
0.3
0
4.76
3.175
Extremo libre
0
1.8
4.76
3.175
Lr (mm)
8.235
9.735
Nótese que para el extremo libre, la longitud del remache Lr es mayor que la longitud seleccionada
anteriormente por 0.21mm, por lo que la designación comercial requerida para el extremo libre debe
ser 47, mientras que para el empotre sigue siendo 46.
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CAPITULO 4
Una vez sujetados los ángulos conectores con el brazo porta-focos, al igual que los ángulos
conectores al carenado, se sugiere conectar estos al brazo pluma mediante tornillos, esto lo muestra
la Figura 4.4.25. En este caso, no se requiere apriete, ya que es necesario un poco de holgura para
asegurar la posición vertical de las fuentes emisoras. Su longitud se calcula con la ecuación 23 y el
resultado lo muestra la Tabla 64.
Espesores
Tabla 64. Longitud del perno para la pluma.
Perfil angular
Perfil unicanal
Holgura
H (mm) C (mm)
(mm)
(mm)
(mm)
2(4.76)
41
1
0.8(6.35) 2(3.175)
Lt (mm)
62.95
Con base en la longitud calculada, la longitud comercial que mejor se ajusta es Lt=63.5mm (2.5in) y
sugiriendo emplear pernos Allen en la conexión, su nomenclatura de acuerdo a la Figura 4.4.19 debe
ser: Perno Allen 1/4in 20 UNC 2.5in. La posición del perno se puede notar en la Figura 4.4.25.
Los conceptos ganadores 9, 10 y 11, tienen gran relación con el concepto desarrollado
anteriormente, ya que mientras el concepto 8 cubre la función de asegurar las fuentes de emisión,
el concepto 9 indicado como “poleas” (Figura 4.4.26a) permite que mediante un cable acerado
sujetado a un nudo (para cable con diámetro d=6.35mm (1/4in)) instalado en el extremo libre de la
pluma, se manipule la distancia de emisión con un desplazamiento suave mediante un jalón frontal
(Figura 4.4.26c). Lo anterior se describe en la Figura 4.4.25.
Figura 4.4.25. Vista frontal de la pluma.
Con el concepto ganador 10 indicado en la Tabla 47 como “Ángulos perforados” se debe
salvaguardar la distancia desplazada (0 a 500mm, meta de diseño, Tabla 24) mediante una escala
pre-calibrada (concepto ganador 11), donde se sugieren rangos de 100mm de separación entre cada
“ángulo perforado”. Estos últimos, son parecidos a los ángulos conectores, difiriendo de una ranura
empleada para asegurar el deslizamiento deseado tal como lo muestra la Figura 4.4.26d.
b
a
c
d
Figura 4.4.26 a. Rodaja de hule [54]; b. Nudo [54]; c. Maneral frontal; d. Ajustador de altura.
Proponiendo un bulbo incandescente para uso medicinal con descripción comercial [70]
“TERATHERM 250 125 E27 ROJO”, y teniendo en cuenta sus dimensiones comerciales (Figura
4.4.27b) diámetro d=125mm, longitud l=165mm y sugiriendo una masa m=1Kg con todos los
accesorios necesarios del bulbo a emplear (Figura 4.4.27a); se puede calcular el peso total
involucrado en el extremo libre de la pluma para sugerir el cable de acero y la rodaja de hule que
permitirán el deslizamiento de las fuentes emisoras de IR. La Tabla 65 resume lo anterior.
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CAPITULO 4
a
b
Figura 4.4.27 a. Bulbo comercial con accesorios [69]; b. Bulbo comercial OSRAM [70].
Tabla 65. Pesos presentes en el extremo libre de la pluma.
Componente
Masa aproximada
Cantidad
Masa real (kg)
Bulbo
1kg
3
3
Brazo pluma
283kg/100m [7F3]
1
1.415
Brazo porta focos
201kg/100m [7F3]
1
1.005
Ángulos conectores
22.143kg/6.1m [51]
4
0.726
Total
6.146
Con base en lo anterior, se propone un cable de acero galvanizado tipo 7X7 con diámetro d=1.587mm
(1/16in) con un límite de carga k=217.7kg [54], tal como se muestra en la Figura 4.4.28a. Mientras
que para las “poleas”, se sugiere emplear un producto comercial denominado rodaja de hule de placa
fija. Teniendo en cuenta la nomenclatura de la Figura 4.4.26a se sugiere un diámetro D=38.1mm
(1.5in) y una altura H≤50.8mm (2in) con una capacidad de carga k=20kg, y posteriormente maquinarlo
para que albergue el cable de acero citado anteriormente.
Es necesario contar con otros accesorios, los cuales se desarrollan a continuación. Se propone
emplear un gancho metálico tipo S, el cual permite conectar fácilmente el cable de acero con el nudo
sujetado en la parte superior del brazo pluma.
Teniendo en cuenta la nomenclatura de la Figura 4.4.28b, se sugiere un espesor de alambre
A=4.76mm (3/16in), ancho B=24mm, longitud L=45mm y un límite de carga k≥13.6kg. Se sugiere que
el cable de acero tenga en el extremo a conectar con la pluma, un guardacabo (Figura 4.4.28c) que
debe tener al igual que el clip asegurador (Figura 4.4.28d), dimensiones comerciales [54] para el
cable en cuestión.
e
d
a
b
c
Figura 4.4.28 a. Cable de acero [1F6]; b. Gancho tipo S [54]; c. Guardacabos galvanizado [54]; d. Clip
asegurador para cable de acero [54]; e. Tornillo opresor Allen [54].
Para el extremo del cable en donde se debe manipular la distancia de desplazamiento, se sugiere
asegurar el cable de acero al maneral frontal (Figura 4.4.26c) con un opresor Allen, el cual teniendo
en cuenta las nomenclatura de la Figura 4.4.28e y las medidas comerciales [54] se propone un
diámetro d=4.76mm (3/16in) y una longitud L=4.76mm (3/16in). Consultar el apéndice A.
Una vez colocadas las rodajas de hule (poleas), la longitud del cable acerado se puede calcular
midiendo la trayectoria al contacto tangencial entre cada rodaja, que es donde va a estar colocado
el cable acerado Teniendo una longitud de cable lc=1251mm (Consultar apéndice A).
En la Figura 4.4.29 se puede observar la trayectoria del cable. Por lo tanto, dejando un excedente
de 50mm, la longitud final del cable lc es1300mm.
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CAPITULO 4
Figura 4.4.29 Diagrama de elevación de la pluma.
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CONCLUSIONES
CONCLUSIONES
Bajo los objetivos propuestos, se obtuvieron los siguientes resultados:
-
Se cumplió el objetivo general de diseñar un dispositivo que permita el curado de materiales
compuestos mediante la emisión de radiación infrarroja.
-
Se identificaron diferentes procedimientos de fabricación de materiales compuestos sin
adentrarse en la teoría de los mismos, dando pie a las diferentes variables presentes en la
reacción de curado que controlan los equipos especializados durante el ciclo de
polimerización.
-
Se identificaron las diferentes técnicas de curado que emplean el espectro electromagnético
como medio de calentamiento, enfocándose en la conveniencia de la radiación infrarroja
para lograr la polimerización de los materiales compuestos.
-
Se identificaron algunos atributos con que cuentan los equipos especializados para el curado
de materiales compuestos, los cuales fueron de gran ayuda en la etapa del benchmarking
en el Despliegue de las Funciones de Calidad.
-
Se obtuvieron satisfactoriamente los dibujos de definición del producto, mediante el empleo
de la metodología QFD en el proceso de diseño.
Los beneficios obtenidos al emplear el Despliegue de las Funciones de Calidad son demasiado
extensos. De acuerdo con muchos autores, los más importantes giran alrededor de si el consumidor
quedó o no satisfecho. Sin embargo, se puede mencionar que el valor agregado que tiene la
aplicación del QFD es mayor calidad, menor costo, disminución en el tiempo de fabricación y una
ventaja sustancial dentro del mercado.
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RECOMENDACIONES
RECOMENDACIONES
1.- Este proyecto aborda el Despliegue de las Funciones de Calidad desde una perspectiva que no
desarrolla los ocho puntos que recomienda la teoría expuesta [5] en la sección 4.2, por lo tanto, en
caso de tomar como base este proyecto para desarrollar otros productos, se recomienda aplicar
otras vertientes de la metodología de QFD. .
2.- Es claro que existen otros métodos de diseño conceptual, especialmente aquellos que
contemplan la etapa de generación de conceptos. En trabajos futuros se recomienda aplicar otros
métodos de generación de conceptos y evaluación conceptual.
3.- Llevar a cabo la fabricación del dispositivo, con el fin de abrir nuevas oportunidades de
aprendizaje e investigación a futuras generaciones en la ESIME Ticoman, principalmente sobre
materiales compuestos, los cuales son empleados con mayor frecuencia en la industria aeroespacial.
4.- Una vez fabricado el dispositivo, se propone desarrollar servicios a los clientes externos e internos
al instituto.
5.- Teniendo en cuenta que las piezas a polimerizar no son muy pesadas (menores a 50Kg), se
recomienda hacer el análisis estructural de los marcos angulares con el fin de conocer su límite de
carga; y poder utilizar moldes metálicos robustos.
6.- Una vez cubierto el punto anterior, se recomienda hacer el análisis de flexión del componente
denominado “Bastidor”, con el fin de emplear un calibre mayor que resista pesos superiores.
7.- Con el fin de mejorar el diseño que se presenta en esta tesis, se recomienda emplear aluminio
comercial, ya que el peso del dispositivo empleando acero comercial ASTM A-36 es demasiado alto.
Sin embargo, el trabajo actual propone el uso de perfiles estructurales comerciales de acero A-36,
no se sabe si los perfiles seleccionados se encuentran fabricados en aluminio o sus aleaciones, por
lo tanto, es posible que la modificación del material haga necesario validar la estructura.
8.- Aprovechar la extensión territorial de la ESIME Ticoman con el fin de emplear un circuito
sustentable con el medio ambiente.
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APÉNDICES
APENDICE A.
PLANOS DE FABRICACIÓN
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Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
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APÉNDICES
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
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APÉNDICES
Diseño de un dispositivo para el curado de materiales compuestos mediante emisión
infrarroja
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infrarroja
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APÉNDICES
APENDICE B.
TABLAS
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APÉNDICES
TABLA 1B. DIMENSIONES DE ROSCAS UNIFICADAS (UNS) Y FINAS (UNF) [56]
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APÉNDICES
TABLA 2B. ESPECIFICACIONES PARA PERNOS SAE [64]
TABLA 3B. PARAMETROS PARA EL CALCULO DE LA OCNSTANTE ELASTICA DE LAS
PARTES A UNIR [56]
TABLA 4B. PROPIEDADES FISICAS AROXIMADAS DE ALGUNOS MATERIALES [56]
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APÉNDICES
TABLA 5B. MATERIALES DE JUNTAS Y SUPERFICIES DE CONTACTO [67]
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APÉNDICES
TABLA 6B. ARANDELAS SAE [71]
TABLA 7B. DESCIPCIÓN TECNICA DE REMACHES COMERCIALES [59]
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APÉNDICES
TABLA 8B. GUIA TECNICA PARA PERNOS SOCKET [65]
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APÉNDICES
APENDICE C.
DIAGRAMAS
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APENDICES
Diagrama 1. Fases en la metodología del diseño mecánico
4
4
Victor Manuel Delgado Romero, Diseño conceptual y de detalle de un dispositivo para ensayos de impacto y precarga a tensión unidireccional en materiales
compuestos. Tesis para la obtención del título de Ingeniero en Aeronáutica, IPN-ESIME Unidad Ticoman, 2010
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REFERENCIAS
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Derechos
reservados
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