Estudio de Factibilidad de Fabricación de Consumibles de

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA
ESTUDIO DE FACTIBILIDAD DE FABRICACIÓN DE CONSUMIBLES DE
DESMALEZADORA
Por:
Miguel Antonio Varela Guzmán
Sartenejas, Diciembre de 2012
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA
ESTUDIO DE FACTIBILIDAD DE FABRICACIÓN DE CONSUMIBLES DE
DESMALEZDORA
Por:
Miguel Antonio Varela Guzmán
Realizado con la Asesoría de:
Tutor Académico: Profesor Omar Zurita
PROYECTO DE GRADO
Presentado ante la Ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de
Ingeniero Mecánico
Sartenejas, Diciembre de 2012
iii
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA
ESTUDIO DE FACTIBILIDAD DE FABRICACIÓN DE CONSUMIBLES DE
DESMALEZDORA
PROYECTO DE GRADO
Presentado por:
Miguel Antonio Varela Guzmán
RESUMEN
Hay gran cantidad de accesorios y repuestos agrícolas que fácilmente se pudiesen fabricar
en Venezuela, pero actualmente se importan de otros países como Colombia, Taiwán y China,
entre otros. El siguiente proyecto realiza un estudio de factibilidad de fabricación de dos
consumibles de desmalezadora de grama, la cuchilla y el nylon (elemento de corte flexible). Para
llevar a cabo la investigación, se tomaron muestras de consumibles que ya existen en el mercado,
para utilizarlos como referencia. Se contactaron proveedores de la materia prima necesaria para la
fabricación de los consumibles mencionados y se fabricaron varios prototipos que posteriormente
fueron sometidos a distintas pruebas. Se seleccionó una materia prima de un proveedor de la
India, para la fabricación de la cuchilla de desmalezadora, que pasó las pruebas de impacto de la
Norma ANSI B175.3, la cual será cortada mediante un proceso de troquelado para obtener la
forma de la cuchilla. El elemento de corte flexible está elaborado con nylon 6. Esta materia prima
será suministrada por una empresa colombiana, la cual añadiéndole agentes de nucleación, y
mediante un proceso de extrusión, orientando las fibras a la salida del dado mediante fuerzas de
tracción se obtiene las propiedades mecánicas deseadas. Los costos de fabricación generados en
ambos procesos permiten que se elabore un producto económicamente competitivo en el mercado
nacional.
iv
INDICE GENERAL
CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN
1.1. Antecedentes
1.2. Planteamiento del Problema
1.3. Objetivo General
1.4. Objetivos Específicos
1.5. Alcance
CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO
2.1. Desmalezadoras de Grama
2.1.1. Componentes
2.1.2. Consumibles de Desmalezadora
2.2. Aceros
2.2.1. Clasificación
2.2.2. Microconstituyentes del Acero
2.2.3. Tratamientos Térmicos
2.2.4. Endurecimiento Superficial de los Aceros
2.3. Polímeros
2.3.1. Naturaleza y Propiedades
2.3.2. Poliamidas
2.3.3. Aditivos
2.3.4. Cristalización
2.3.5. Proceso de Extrusión
2.3.6. Extrusión de Poliamidas
CAPÍTULO 3: MARCO METODOLÓGICO
3.1. Cuchilla Metálica
3.1.1. Evaluación de Cuchilla Comercial
3.1.2. Selección del Material (prototipo) y el Proceso de Fabricación
3.1.3. Análisis Económico
v
3.2. Elemento de Corte Flexible
3.2.1. Fabricación y Evaluación del Elemento Prototipo
3.2.2. Evaluación del Elemento Comercial
3.2.3. Análisis Económico
CAPÍTULO 4: RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
4.1. Cuchilla metálica
4.1.1. Evaluación de Cuchilla Comercial
4.1.2. Selección del Material (prototipo) y el Proceso de Fabricación
4.1.3. Análisis Económico
4.1.3.1. Anil Special Steel Industries Limited
4.1.3.2. Ferrasa
4.2. Elemento de Corte Flexible
4.2.1. Fabricación y Evaluación del Elemento Prototipo
4.2.2. Evaluación del Elemento Comercial
4.2.3. Análisis Económico
CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
BIBLIOGRAFÍA
APÉNDICE
1. Plano de cuchilla
2. Muestras de Anil Special Steel Industries Limited
3. Muestras de Ferrasa
4. Norma ANSI B175.3
5. Ensayo de Análisis Químico y Determinación de Carbono y Azufre
6. Ensayo de Dureza y Metalografía
7. Cotización de Troquel de Troquelados de Aragua S.A.
8. Cotización de Proceso de Troquelado de Troquelados de Aragua S.A.
9. Cotización de Proceso de Enderezado de Bobina y Troquelado de Industrias Metalúrgicas
Portela
vi
INTRODUCCIÓN
Un operador con una desmalezadora de grama es capaz de realizar el mismo trabajo de 7
operadores utilizando un machete. Venezuela es el mayor consumidor de estas máquinas en
América Latina. Son accionadas por un motor a gasolina de dos tiempos, conectado a un eje
mediante un embrague centrífugo, que transmite la potencia al cabezal de la máquina y
finalmente al elemento de corte. Su velocidad nominal es de 7.500 revoluciones por minuto,
generando desgaste en algunas piezas que necesitan ser reemplazadas a corto plazo. Los
principales consumibles son la cuchilla metálica y el elemento de corte flexible conocido como
nylon.
1.1. Antecedentes
Con la política actual de sustitución de importaciones del gobierno nacional que ha venido
impulsando desde hace más de 10 años, muchas empresas dedicadas al sector agrícola han
tomado la iniciativa de investigar acerca de la rentabilidad de fabricación de muchos
implementos, accesorios y repuestos agrícolas.
Según registros del Laboratorio E de la Universidad Simón Bolívar, anteriormente han ido
representantes de empresas nacionales a hacer ensayos de caracterización de material del
elemento de corte flexible, por lo que no es primera vez que se hace este estudio en el país.
1.2. Planteamiento del Problema
Venezuela es un país rico en yacimientos de petróleo, hierro, carbón y muchos otros
minerales. Gran porcentaje de esta materia prima es exportada a otros países en su forma bruta,
donde es procesada para la fabricación del producto final, para luego ser importado de nuevo al
país como producto terminado, y ser vendido al consumidor final. Con una economía orientada
hacia las exportaciones del petróleo y sus derivados, y minerales, se ha dejado a un lado el
desarrollo de la industria venezolana.
1
En Venezuela se tiene la capacidad de fabricar gran cantidad de maquinarias, accesorios y
repuestos del sector agrícola, pero la mayoría de ellas se elaboran en otros países. Esto genera
mayores costos de transporte, provoca salida de capital nacional y reduce fuentes de empleo,
además del riesgo del aumento del precio de los productos importados debido a las fluctuaciones
de la moneda extranjera.
Con la política de sustitución de importaciones del gobierno nacional, se recortan las divisas
asignadas para la importación de repuestos, donde gran cantidad de repuestos agrícolas se ven
afectados por esto. Como resultado existe una deficiencia en la oferta de muchos accesorios y
repuestos agrícolas.
1.3. Objetivo General
El objetivo general del siguiente trabajo es estudiar la factibilidad de fabricación de los
consumibles de desmalezadora en Venezuela, en comparación con el costo de los mismos
consumibles en el exterior. Los consumibles en estudio serán la cuchilla metálica y el elemento
de corte flexible, comúnmente conocido como nylon.
1.4. Objetivos Específicos
Para la cuchilla metálica y el elemento de corte flexible, se tienen los siguientes objetivos
específicos:
-
Diseñar la cuchilla de desmalezadora.
-
Seleccionar la materia prima nacional para la fabricación, o en su defecto, materia prima
importada.
-
Seleccionar los procesos de fabricación más convenientes.
-
Evaluar los prototipos.
-
Realizar estudio de factibilidad económica.
2
1.5. Alcance
El estudio de factibilidad de fabricación de los consumibles de desmalezadora se hará
considerando los siguientes aspectos:
-
Técnico y funcional
-
Económico
-
Comercial
Se debe aclarar que el estudio de factibilidad se hará en una primera etapa, es decir, el
proceso de fabricación se podría realizar tercerizando muchas de las operaciones, contratando a
empresas externas, ya que la maquinaria necesaria suele ser muy costosa.
3
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
Un amplio conocimiento de las posibilidades de fabricación es fundamental para tomar una
decisión correcta. A continuación se presentan los componentes de una desmalezadora, los aceros
y su clasificación AISI-SAE, algunos tratamientos térmicos y superficiales, las propiedades de
los polímeros, específicamente la poliamida, mencionando algunos de los aditivos que se aplican
para mejorar sus propiedades, y su proceso de extrusión.
2.1. Desmalezadora de Grama
La desmalezadora de grama es una máquina compuesta por un motor a gasolina de dos
tiempos, enfriada por aire, portátil, acoplada mediante un embrague centrífugo a un eje, el cual
transmite la potencia al cabezal de la máquina, situado, en posición de operación, al ras del suelo.
En el cabezal se coloca el elemento de corte, puede ser metálico o flexible. Su función principal
es cortar grama, monte y pequeños arbustos, e incluso, con el tipo de cuchilla adecuada, se puede
cortar troncos de pequeño diámetro.
2.1.1. Componentes
Los principales componentes de la desmalezadora son:(1)
-
Cilindro: recinto donde se desplaza el pistón, y donde se realiza la transferencia de
energía de la combustión a energía mecánica.
-
Pistón, viela, cigueñal: elementos de un motor de combustión interna que transmiten la
fuerza mecánica originada en el cilindro al eje de transmisión.
4
-
Embrague: elemento mecánico de transmisión de potencia, generalmente de dos zapatas
autofrenantes, ambas conectadas por un resorte. Al acelerar el motor, este hace girar el
embrague, ya que está solidariamente conectado al eje del cigüeñal, y por acción de la
fuerza centrífuga generada y la masa de las zapatas, estas vencen la fuerza del resorte y se
abren, acoplándose así a la campana. El par generado por el motor se transmite a través
del embrague hacia el cabezal de la máquina gracias a la fuerza de fricción generada entre
las zapatas y la campana.
-
Campana: elemento de transmisión de potencia que recibe la par transmitido por las
zapatas del embrague cuando estas se abren por acción de la fuerza centrífuga.
-
Eje de transmisión: elemento de transmisión de potencia conectada fijamente a la
campana (entrada de potencia), y al cabezal de la máquina (salida de potencia).
-
Cabezal: carcasa con sistema de engranajes interno que transmite la potencia transmitida
del eje de transmisión al elemento de corte. El eje de salida del cabezal está rotado 30o
hacia abajo, para permitir que el elemento de corte quede paralelo al suelo en posición de
operación. La tuerca del cabezal que soporta el elemento de corte es de rosca inversa, para
asegurar que con el sentido de giro del eje, no se afloje la tuerca y se pueda salir el
elemento de corte.
-
Elemento de corte: puede ser metálico o flexible. Esta pieza recibe el torque del motor
para que efectúe el corte de la grama, maleza, troncos, arbustos pequeños, etc.
-
Salpicadero: pieza de plástico colocada en el eje de transmisión, lo más cerca posible del
cabezal, que cumple varias funciones:
1- Proteger al usuario de cualquier objeto que impacte con el elemento de corte y se
dirija al operador de la máquina.
2- Proteger al usuario de algún pedazo desprendido del elemento de corte, en caso de que
este se rompa cuando impacte con algún objeto.
3- Fijar la longitud correcta del elemento de corte flexible.
4- Fijar la altura del elemento de corte con respecto al suelo.
5
5- Limitar el recorrido de corte de la máquina, en caso de trabajar cerca de una pared,
acera, árbol o cualquier otro objeto que no deba tener contacto con el elemento de
corte.
Esta pieza de seguridad muchas veces es retirada de la máquina, para disminuir su
peso, o simplemente por ignorancia del operador por no saber que este elemento es
fundamental para su seguridad.
-
Tanque: depósito de combustible, gasolina con aceite dos tiempos en una proporción
50:1, con aceite de calidad API TC (American Petroleum Institute).
-
Carburador: dispositivo que mide la cantidad correcta de mezcla aire-combustible, y la
dirige a la cámara de combustión, de manera que el motor funcione lo más eficientemente
posible.
-
Baquela: aislador térmico situado entre el carburador y el cilindro, para evitar
sobrecalentamiento del carburador.
-
Bobina: elemento que genera corriente eléctrica y hace funcionar la bujía.
-
Magneto: pieza metálica en forma de disco con aletas, y un imán incorporado en cierta
posición, que tiene las siguientes funciones:
1- Inducir una corriente eléctrica a la bobina.
2- Hacer circular el aire en el exterior del cilindro para un enfriamiento por aire forzado.
3- Sirve como volante de inercia para evitar los cambios bruscos en las revoluciones del
motor.
En Venezuela se utiliza mucho este tipo de máquina, siendo el país número uno en Latino
América en ventas de desmalezadoras, más que en Brasil, México, Colombia y Argentina. Se
utilizan para el mantenimiento de las áreas verdes públicas, laderas de autopistas, fincas, zonas
urbanas, entre otras.
6
2.1.2. Consumibles de Desmalezadora
Se denominan consumibles a los componentes de la máquina que tienen alto desgaste en
tiempos relativamente cortos. Entre ellos están:
-
Cuchilla: es el elemento de corte metálico. Se coloca directamente en el cabezal de la
máquina.
El elemento de corte metálico se le denomina “cuchilla de desamlezadora”. Existen de
distintas geometrías (dos puntas tipo corbatín, tres puntas, cuatro puntas, disco de corte,
etc.) y tamaños (largo de la cuchilla, ancho y espesor de la lámina). En Venezuela, la
cuchilla más utilizada es la cuchilla de dos puntas tipo corbatín de 30 cm de largo. Esta
pieza lleva un agujero en el centro de 1” de diámetro, para sujetarla fuertemente al cabezal
de la máquina. Otro tipo de geometría, como la de 40 dientes, hace la función de una
sierra, y permite cortar troncos al ras del suelo.
-
Elemento de corte flexible no-metálico: comercialmente conocido como nylon de
desmalezadora. Generalmente está elaborado con nylon 6. Este elemento de corte se
fabrica en varios diámetros y geometrías. Los diámetros estándar son de 2,0; 2,4; 2,7; 3,0;
3,3; 3,5 y 4,0 mm. Las geometrías (sección transversal) pueden ser redondas, cuadradas,
triangular, en estrella, en hexágono, entre otros.
En Japón hay una nueva tendencia de utilizar el elemento de corte flexible junto con un disco.
Esto permite que el elemento de corte flexible tenga contacto con la grama solamente con los
extremos, disminuyendo la carga y haciendo que el motor trabaje a revoluciones constantes.
-
Trimmer: pieza donde se sujeta el elemento de corte flexible. Se coloca en el cabezal de la
máquina. Los trimmer de aluminio son los más utilizados en el país, ya que ofrecen mayor
durabilidad y robustez.
7
-
Zapatas de embrague: estas piezas están en continuo contacto con la campana,
acoplándose entre ellas debido a la fuerza centrífuga y la de roce entre ambas superficies.
Para un correcto funcionamiento del embrague, y aprovechar al máximo su vida útil, se
debe utilizar la desmalezadora con el acelerador a fondo en todo momento, sin importar el
tamaño ni la dureza de lo que se quiera cortar. Cuando la desmalezadora se acelera a
medias, la fuerza centrífuga generada en las zapatas no es suficiente para vencer por
completo la fuerza elástica del resorte, y por consiguiente no se llega al valor de una
fuerza de roce mínima permisible entre las zapatas y la campana, ocurriendo un
deslizamiento entre ambos. Esto genera mayor desgaste de las zapatas y la campana,
acortando considerablemente la vida útil de las piezas involucradas.
-
Campana: pieza en forma de copa, acoplada fijamente de un lado al eje de transmisión.
Esta pieza recibe el par motor una vez acoplado con las zapatas de embrague.
Un mal uso de la máquina ocasiona menor tiempo de reposición de los consumibles. Mientras
se opera la máquina, hay que acelerar el motor constantemente y a tope, ya que así se asegura
una fuerza centrifuga sobre las zapatas de embrague lo suficientemente grande para ejercer una
fuerza de fricción contra la campana y hacer que no haya deslizamiento entre ellas. Si se opera la
máquina medio acelerada y/o acelerando intermitentemente, lo que se hace es permitir mayor
deslizamiento entre ambas superficies ocasionando mayor desgaste.
2.2. Aceros
El acero es un compuesto de hierro y aleantes que incrementa su resistencia. Se puede
considerar el acero al carbono como el más común, en el cual el carbono puede oscilar entre el
0,05 y el 2% en peso de su composición. El acero al carbono puede tener otros aleantes en menor
proporción. También están los aceros especiales, en los cuales el aleante predominante es otro
elemento, además del carbono, que le permite obtener ciertas propiedades deseadas. Existen otros
tipos de aceros, como los aceros inoxidables, los aceros de herramientas, entre otros.(2)
8
2.2.1. Clasificación
Debido al gran número de fabricantes, diferentes países y regiones donde se fabrica, los
distintos usos que se le da al acero, los diferentes tratamientos térmicos que se le puede aplicar,
existen muchas clasificaciones que se le ha dado a este material. Una clasificación muy utilizada
en el mercado es la AISI-SAE (American Iron and Steel Institute y Society of Automotive
Engineers). En 1912 SAE, en conjunto con fabricantes y consumidores, creó una nomenclatura
que posteriormente fue expandida por la AISI.(3)
La nomenclatura AISI-SAE consiste en lo siguiente:
Se emplean cuatro números, donde el primero especifica la aleación principal, el segundo indica
el porcentaje aproximado de aleante principal y los dos últimos números representan la cantidad
de carbono presente en el acero. La norma AISI a veces emplea un prefijo mediante letras para
especificar el proceso de manufactura.
La nomenclatura tiene la forma AISI-SAE ZYXX, donde:
Z=1, aceros al Carbono
Z=2, aceros al Níquel
Z=3, aceros al Níquel-Cromo
Z=4, aceros al Molibdeno, Cr-Mo, Ni-Mo, Ni-Cr-Mo
Z=5, aceros al Cromo
Z=6, aceros al Cromo-Vanadio
Z=7, aceros al Tungsteno-Cromo
Z=8, aceros al Ni-Cr-Mo
La posición Y indica el porcentaje aproximado del aleante indicado en la posición Z, el cual
no es exacto, pero está dentro de cierto rango de tolerancia.
Los aceros al carbono se pueden clasificar en:
9
-
Aceros Suaves: tienen un contenido de carbono entre un 0,08 a un 0,3%. Estos no se
pueden endurecer mediante tratamiento térmico. Tienen buena maquinabilidad. Se
producen remaches, clavos, tubos, tornillos, alambres, entre otros.
-
Aceros al Medio Carbono: contiene entre 0,3 y 0,6% de carbono en peso de su
composición. Es más fuerte, más duro y tiene mayor resistencia a la tensión que el acero
suave, pero menos ductilidad. Pueden recibir tratamiento térmico efectivo. Se fabrican
resortes, componentes agrícolas, martillos, aceros estructurales, matrices, pernos, tuercas,
entre otros.
-
Aceros al Alto Carbono: contienen de 0,6 a 2% de carbono. Su resistencia aumenta con el
incremento de carbono, donde alcanza un máximo en el 0,8% de carbono. De ahí en
adelante su resistencia comienza a disminuir. Se utilizan en aplicaciones de gran
resistencia mecánica y al desgaste.
2.2.2. Microconstituyentes del Acero
Entre las distintas microestructuras que el acero puede tener están las siguientes: (4)(5)
-
Ferrita: también conocido como hierro α. Contiene un máximo de 0,025% de carbono en
solución sólida. Es estable debajo de la temperatura crítica superior y es suave, dúctil y
maleable. Tiene dureza entre 60 a 90 BHN (Dureza Brinell).
-
Cementita: carburo de hierro que contiene 6,67% de carbono. Es quebradizo con una
dureza entre 650 y 700 VPN (Dureza Vickers). Si se observa con un microscopio muestra
constituyentes blancos brillantes.
-
Perlita: contiene 0,8% de carbono, se puede considerar como una mezcla eutectoide de
ferrita y cementita.
10
-
Austenita: forma estable del hierro puro a temperaturas entre 900 y 1400 ºC. Formado por
disolución sólida del carbono de hierro, con porcentaje máximo de carbono de 2,11%. Es
dúctil, blanda, tenaz y no magnético.
-
Martensita: se obtiene cuando se enfría rápidamente el acero desde la austenita hasta la
temperatura ambiente. Dureza aproximada de 750 VPN.
-
Troostita: difiere de la perlita solo en el grado de finura. Es un laminado de ferrita y
cementita, que se produce en aceros enfriados a menor velocidad desde la temperatura de
endurecimiento que la permitida para la formación de martensita.
-
Sorbita: se produce en aceros al carbono enfriándolos desde una temperatura comprendida
entre los 450 y 630 ºC.
-
Esferoidita: es cementita convertida en pequeñas esferas. Se suaviza el acero llevándolo a
640-690 ºC, enfriado por aire. La operación se conoce como esferoidizado.
-
Ledeberita: eutéctica de hierro y carbono con contenido de carbono de 4,3%. Está
formado de ferrita y cementita.
-
Bainita: se parece a la martensita, en forma de agujas. Se encuentra en los aceros aleados.
El diagrama de equilibrio mostrado en la figura 2.1, también conocido como diagrama de
constitución hierro-cementita, indica los cambios de fase que se presentan durante el enfriamiento
de una aleación de hierro y carbono desde la fase líquida hasta la temperatura ambiente.
11
Figura 2.1. Diagrama de equilibrio hierro-carbono.
2.2.3. Tratamientos Térmicos
El tratamiento térmico es una operación o combinación de operaciones que se le aplica a los
metales y/o aleaciones para cambiar sus propiedades físicas y mecánicas. Consiste en calentar el
metal en estado sólido a cierta temperatura por un determinado tiempo, seguidamente de un
enfriamiento a velocidades controladas para obtener las propiedades físicas y mecánicas
deseadas. Los parámetros del proceso dependen del tamaño, forma y perfil de la microestructura
previa en el metal. El tratamiento térmico juega un papel fundamental en la utilización del
material, debido a que durante los procesos de fabricación se generan esfuerzos y tensiones que
afectan sus propiedades y comportamiento.(5)
Antes de aplicar un tratamiento térmico, se deben considerar los siguientes factores:
-
Composición química del material.
-
Proceso de fabricación del material (trabajado en frío, en caliente, fundido, etc.).
-
Tratamientos térmicos previos y microestructura actual del material.
12
-
Tratamientos térmicos a realizar, estructura y propiedades deseadas.
El tratamiento térmico se aplica para:
-
Endurecer el acero y aumentar su resistencia.
-
Modificar la ductilidad, maleabilidad, permeabilidad, resistencia a la corrosión, etc.
-
Refinar el tamaño del grano.
-
Reducir o eliminar los esfuerzos internos.
-
Obtener la microestructura deseada.
El tratamiento térmico es posible solamente en cierto tipo de aleaciones en los que ocurren
cambios estructurales durante el calentamiento y enfriamiento, como el Fe-C (más del 0,2% de
C), aluminio-bronce, entre otros. El principio de este proceso es llevar la aleación a temperaturas
elevadas donde se obtiene una estructura austenítica, seguidamente de un enfriamiento a
velocidades controladas. Si se enfría rápidamente, se obtiene una estructura martensítica. Esta es
una transformación en estado sólido que se produce sin que tenga lugar la difusión, no hay
nucleación y crecimiento. A medida que la temperatura baja rápidamente, este constituyente va
apareciendo de forma instantánea. Se debe bajar la temperatura constantemente para que se
formen nuevas zonas martensíticas, de lo contrario, se formará otra microestructura. Esta
transformación está acompañada de un cambio de volumen, lo que crea tensiones elásticas en la
matriz.
Si el enfriamiento desde una microestructura austenítica se hace lentamente, se obtiene
perlita. Dependiendo de la velocidad de enfriamiento se pueden obtener otras microestructuras.
Los tratamientos térmicos se clasifican en:
-
Recocido: consiste en llevar el material a una temperatura aproximadamente de 30 a 50 ºC
por encima de su temperatura crítica, mantener esta temperatura el tiempo justo necesario
para que penetre hasta el centro, seguido a un enfriamiento a muy baja velocidad, por lo
general de 20 a 40 oC por hora (puede ser en un horno), produciendo una microestructura
más fina de ferrita y perlita.
13
Este tratamiento se lleva a cabo para:
1. Suavizar los aceros.
2. Mejorar la maquinabilidad.
3. Liberar esfuerzos internos presentes en el material debido al proceso de manufactura
como laminado, forjado, extrusión, enfriamiento desigual.
4. Reducir el grosor de los granos.
5. Producir una estructura completamente estable.
6. Refinar la microestructura y homogeneizarla.
-
Normalizado: en este tratamiento, el acero se calienta 40 a 50 oC por encima de Ac3 ó Acm
(ver figura 2.2.) (para los aceros hipoeutectoides e hipereutectoides, respectivamente), se
mantiene a esta temperatura hasta que su microestructura sea completamente austenítica,
y finalmente se enfría en aire. Este procedimiento crea una estructura homogénea en los
aceros de bajo y medio carbono, libera los esfuerzos internos, elimina los efectos del
trabajo en frío, refina la estructura del grano, incrementa el punto de fluencia, la
tenacidad, la resistencia a la tensión y al impacto. Sin embargo, la ductilidad y
maquinabilidad es menor que la del recocido. El normalizado no es muy común en aceros
hipereutectoides ya que produce granos gruesos.
Diferencias entre recocido y normalizado:
1. En el recocido, la aleación es enfriado en horno, mientras que en el normalizado es
enfriado en aire sin movimiento.
2. El normalizado proporciona mejor resistencia.
3. El normalizado proporciona porcentajes de elongación menor.
4. Los materiales recocidos son más suaves y maquinables.
5. Con el normalizado se obtiene mejor resistencia al impacto.
6. El normalizado es más rápido y barato.
14
Figura 2.2. Temperaturas de calentamiento para diferentes tratamientos térmicos.
-
Temple: en los aceros hipoeutectoides, la temperatura se lleva a 30 – 50 oC por encima de
su temperatura crítica superior, y en los hipereutectoides, 30 – 50 oC por encima de su
temperatura crítica inferior. Se debe dejar a esas temperaturas por el tiempo justo y
necesario para que toda la pieza se caliente por igual, y después se enfría en un medio
adecuado como en agua, salmuera o corriente de aire. Al disminuir la temperatura del
acero
rápidamente
desde
la
estructura
martensítica
a
temperatura
ambiente,
instantáneamente se produce martensita.
La dureza final del acero va a depender de la velocidad de enfriamiento, el tamaño de la pieza
y el contenido de carbono. Generalmente este tratamiento se aplica en aceros de alto carbono, a
herramientas y aceros estructurales.
Este tratamiento se realiza para:
1. Aumentar la capacidad de corte de los aceros.
2. Aumentar la resistencia al desgaste.
3. Aumentar la dureza para mejorar la resistencia a la fluencia (ejes de máquinas).
4. Mejorar las propiedades magnetizantes.
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Defectos del endurecimiento:
1. Las grietas verticales con fisuras oscuras se deben a que el acero comenzó a quemarse.
2. Un calentamiento desigual, prolongado o muy alto crean durezas desiguales con partes
duras y otras suaves.
3. Durante el calentamiento se presenta la descarburación y oxidación.
4. Un enfriamiento inapropiado puede generar distorsión o deformación en el material.
5. Hay cambios de dimensiones en el material.
6. La oxidación o descarburación excesiva del metal generan dureza de superficies baja.
7. Las secciones con espesor desigual muestran durezas desiguales.
8. Retención de austenita en la microestructura del material.
El agua es el medio de enfriamiento más barato, pero ocasiona distorsiones y agrietado en el
material. Se puede utilizar aceite de ballena, de algodón y de origen mineral, pero sacrificando
dureza. Agua con Ucón es otro medio de enfriamiento. Luego del enfriamiento rápido, el material
queda excesivamente frágil, con esfuerzos internos, con posibilidades de agrietamiento y
distorsión, por eso generalmente se aplica otro tratamiento después del templado, y se le conoce
como revenido.
-
Revenido: luego del templado el acero queda excesivamente duro y frágil, con granos
muy finos, con un mínimo de ductilidad y máxima resistencia a la tensión, con esfuerzos
internos y con altas probabilidades de aparición de grietas y distorsiones. El revenido
elimina muchas de las desventajas del templado. El tratamiento consiste en calentar el
acero a temperaturas comprendidas entre temperatura ambiente hasta debajo de la
temperatura Ac1.
Los resultados del revenido dependen de la temperatura de calentamiento. Estos pueden ser:
1. 150 a 200 oC: de baja temperatura. El material se calienta inmediatamente después del
enfriamiento rápido. Aquí ocurre la descomposición de la austenita retenida por la
martensita. Los esfuerzos internos se liberan muy poco.
16
2. 200 a 450 oC: de media temperatura. El material se calienta inmediatamente después del
enfriamiento rápido. Se pierde un poco de dureza pero se gana tenacidad. Se obtiene una
dureza aproximada de 350 a 550 BHN. La microestructura obtenida se convierte en ferrita
y cementita fina.
3. 450 a 680 ºC: de alta temperatura. El acero obtiene más suavidad, debilidad y ductilidad
debido a la formación de sorbita. Con temperaturas más elevadas se obtiene una
estructura esferoidal. La dureza obtenida por la sorbita es de 200 a 300 BHN.
El revenido, luego del templado, hace que la pieza pierda dureza, y esta depende de la
temperatura de calentamiento (ver tabla 2.1).
Tabla 2.1. Porcentaje de pérdida de dureza según la temperatura de calentamiento en un acero
revenido.
Temperatura de calentamiento [oC]
Porcentaje de pérdida de dureza
100
2.5
200
14
300
41
400
70
500
87.5
600
97.5
La Curva TTT (figura 2.3), única para cada tipo de acero con cierto contenido de carbono,
representan las transformaciones de microestructura que sufren los aceros a diferentes
temperaturas y velocidades de enfriamiento. Sirve para planificar los tratamientos térmicos
requeridos para obtener una microestructura y dureza del material deseada.
17
Figura 2.3. Curva TTT para un acero eutectoide.
2.2.4. Endurecimiento Superficial de los Aceros
Este es un proceso térmico que permite obtener ciertas propiedades en la superficie de los
aceros, mientras se mantiene el núcleo con otras totalmente distintas. Por ejemplo, si se quiere
tener un material duro, resistente al desgaste, pero que también que sea tenaz y resistente al
impacto, se aplica un endurecimiento superficial. Existen varios tipos de endurecimiento
superficial:(5)
-
Carburación: también conocido como cementación. Se aplica en aceros con bajo
contenido de carbono. El método consiste en la elaboración de una mezcla carburante que
contiene 50 a 70% de carbón vegetal, 5 a 15% de carbono de bario, 2 a 15% de carbonato
de calcio y 3 a 13% de carbonato de sodio. En una caja de acero se rellena el fondo con
2,5 cm de la mezcla carburante, luego se coloca una capa del acero que se quiera
cementar, separado de los bordes de la caja, encima se cubre con otra capa de la mezcla
carburante, y así sucesivamente hasta llenar la caja, la cual se tapa con arcilla refractaria
18
para evitar la entrada y salida de gases. Si se quiere que algunas partes de la pieza no se
endurezcan, se cubren con una mezcla de asbesto y arcilla refractaria o con un material
equivalente al electrochapeado, los cuales evitan la absorción de carbono. La caja se
coloca dentro de un horno y se calienta de 900 a 980 °C por 6 a 8 horas. El carbonato de
calcio favorece la absorción de carbono en la austenita del acero, sobre todo a altas
temperaturas. Durante el enfriamiento se deja la caja dentro del horno junto la mezcla
carburante. La penetración del carbono varía de 1 a 1,5 mm, con un contenido de carbono
de 1,1, a 1,2%, para este caso.
Luego de este procedimiento es necesario refinar el núcleo de la pieza, ya que
presentará un tamaño de grano elevado debido a la temperatura de calentamiento y al
enfriamiento lento. La refinación se hace calentando la pieza a 880 °C y enfriándola
rápidamente en aceite o al aire.
El endurecimiento superficial se hace después de refinar el núcleo, calentando la pieza
a 800 °C y enfriándola rápidamente en agua. Finalmente se aplica un revenido para
eliminar tensiones y fragilidad en la superficie. La pieza quedará de superficie dura y
núcleo suave.
-
Cianuración: se aplica en aceros de bajo carbono, por medio de un baño de cianuro
líquido. El baño contiene de 20 a 40% de cianuro de sodio, hasta 40% de carbonato de
sodio con cantidades variables de sodio y cloruro de bario. Así se obtiene una profundidad
de penetración de 1 mm, con concentración de 1% de carbono y 0,24% de nitrógeno. La
mezcla de cianuro se calienta de 870 a 930 °C, y las piezas de acero de bajo carbono se
sumergen en esta mediante una cesta de alambre. Este es un procedimiento muy delicado
ya que se trata con materiales dañinos para la salud. Algunas ventajas de este
procedimiento son rápida transferencia de calor, baja distorsión, oxidación o
descarburación de la superficie despreciable, profundidad uniforme, rápida absorción del
carbono y del nitrógeno. Se obtiene una superficie dura con núcleo tenaz.
-
Nitruración: se aplica en aceros con un contenido de aproximadamente 1% de aluminio,
1,5% de cromo y 0,2% de molibdeno, con carbono de 0,2 a 0,5%. Este proceso crea una
19
superficie endurecida por una capa de nitruros resistente al desgaste, con un núcleo tenaz.
Se debe calentar el acero a una temperatura de 500 °C de 40 a 90 horas en una caja
hermética con gas de amoníaco. Se pueden alcanzar durezas de hasta 1050 VPN. Las
desventajas de este método son el tiempo de tratamiento (hasta 90 horas), el alto costo y
los aceros especiales en específico que se pueden tratar.
-
Carbonitruración: se endurece la superficie mediante la adición de carbono y nitrógeno
por medio de gases de hidrocarburos, monóxido de carbono y amoníaco. La temperatura
de calentamiento es de 800 a 875 °C por 6 a 10 horas logrando una profundidad de 0,5
mm y una dureza de 65 HRc (Rockwell C). Se utilizan aceros de bajo carbono, los
mismos que se utilizan en la cementación. El nitrógeno de la superficie aumenta la
capacidad de endurecimiento y permite un enfriamiento en aceite, disminuyendo la
posibilidad de distorsión y agrietamiento. Las partes que no se quieren carbonitrurar se
protegen con chapa de cobre.
-
Endurecimiento a la flama: este tratamiento se aplica en matrices de acero, engranajes,
tornillos con cabeza, terminales de balancines, válvulas, entre otros. Consiste en calentar
la pieza, o parte de la pieza con un soplete de oxiacetileno, en un tiempo suficiente para
alcanzar una temperatura por encima de Ac3 (rango austenítico) seguido de un
enfriamiento rápido, generando una superficie dura resistente al desgaste con núcleo
tenaz. Generalmente se emplea en aceros con un contenido de carbono entre 0,4 y 0,6%.
Las ventajas del método es que se puede aplicar el endurecimiento superficial a una
parte de la pieza, de manera selectiva. La desventaja es el poco control que se tiene sobre
el calor añadido a la pieza, y un sobrecalentamiento puede provocar agrietamiento y/o
distorsión de la pieza.
2.3. Polímeros
Los polímeros son materiales muy importantes en la vida diaria, que comprenden desde
20
productos sofisticados como prótesis, hasta cubiertos desechables. Esto se debe a su gran
diversidad de propiedades.
2.3.1. Naturaleza y Propiedades
Debido a su amplia gama de propiedades y su facilidad de procesamiento, los polímeros
sustituyen a otros materiales. Son sustancias constituidas por moléculas que forman cadenas
largas. Estos difieren unos de otros por la naturaleza de la unidad repetitiva de dichas cadenas
largas, el monómero que los conforma.(6)
Las propiedades del material están fuertemente relacionadas a su microestructura. Un
polímero semicristalino con microestructura ligeramente ordenada se ablanda a su temperatura de
transición vítrea, Tv, y se funde a su temperatura de fusión, Tf. Un polímero con una
microestructura formada por cadenas largas fuertemente entrecruzadas con atracciones
intermoleculares no se funde ni fluyen a altas temperaturas antes de que el polímero se
descomponga.
La temperatura de transición vítrea, Tv, es aquel intervalo de temperatura donde por debajo de
esta, el polímero es duro y frágil parecido al vidrio, mientras que por encima de esta el polímero
se torna gomoso y parecido al cuero (ver figura 2.4)
El comportamiento y características de un polímero se deben a las fuerzas de Van der Walls
que existe entre el conjunto de cadenas enmarañadas, y no debido a la resistencia de los enlaces
químicos de las cadenas individuales.
2.3.2. Poliamidas
Comúnmente conocido como Nylon, fue producido por primera vez por Wallace Carothers en
el año 1938. Este material se sintetiza mediante el método de polimerización por condensación. (7)
21
Figura 2.4. Curva de transición de polímeros amorfos y semicristalinos.
Los distintos tipos de nylon difieren según el monómero de partida que se utilice, y en su
denominación se diferencian por el índice, el cual indica los números de átomos de carbono.
Cuando se utiliza solamente un monómero, el nylon se identifica con un solo número (nylon 6,
nylon 10, etc.). Cuando se prepara con dos monómeros distintos, se identifica con dos números
(nylon 6,6; nylon 6,10; etc.).
Los grupos amido son grupos polares que,
al estar presentes en el nylon, modifican
notablemente las propiedades del polímero. Por ejemplo, permiten que el hidrógeno se enlace
entre las cadenas, mejorando la atracción entre ellas, y aumentando las propiedades mecánicas
del nylon. Los grupos de carbonos alifáticos (cadenas abiertas) presentes proporcionan baja
viscosidad a la fusión para facilitar su procesamiento y proporcionan mayor flexibilidad al
producto final.
Las propiedades del nylon se pueden ver afectadas con la presencia de solventes polares,
como el agua. No solo afecta las propiedades del material, sino también las dimensiones. Antes
de procesar el polímero, debe someterse a un proceso de secado. En ausencia de humedad, el
22
nylon es excelente aislante eléctrico, pero a medida que aumenta el grado de humedad y la
temperatura, esta propiedad disminuye.
Mientras menor sea el número de átomos de carbono entre los enlaces amido, mayor será la
resistencia y la rigidez, ya que habrá más grupos polares por unidad de longitud a lo largo de la
espina dorsal de la cadena. La capacidad de absorción de humedad también está fuertemente
ligada al número de grupos polares presentes en la cadena, pero será inversamente proporcional a
la cantidad de átomos entre los enlaces amido, es decir, un nylon 6 tendrá mayor poder de
absorción de humedad que un nylon 10. Otra característica del nylon con número par de átomos
de carbono entre los grupos amido es que tienen un punto de fusión más alto que aquellos con un
número impar de átomos de carbono. Un nylon 8 tendrá mayor punto de fusión que un nylon 9 o
un nylon 7.
El grado de cristalinidad afecta considerablemente las propiedades del nylon, y esto puede ser
controlado en su procesamiento. Un enfriamiento lento produce mayor cristalinidad que un
segmento delgado enfriado rápidamente desde la temperatura de fusión a temperatura ambiente.
Un enfriamiento lento también va a producir un tamaño de cristalito mayor, lo que produce
mayor resistencia a la tensión y mayor dureza, pero menor elongación y resistencia al impacto. El
poder de absorción de humedad también se ve afectado, pues un nylon más cristalino es menos
propenso a absorber humedad.
El grado de humedad es un factor importante a considerar, ya que afecta notablemente las
propiedades de la poliamida. Los polímeros secos tienen una temperatura de transición del vidrio
(Tv) alrededor de los 50 oC, mientras que aquellos que han absorbido humedad tienen una T v
cercano a los 0 oC. La temperatura de transición vítrea influye en el comportamiento de
cristalización, por lo que un nylon por encima de su T v a temperatura ambiente, se va a cristalizar
muy lentamente, produciendo cambios en sus dimensiones (encogimiento).
Los nylon se pueden procesar mediante distintos métodos, por extrusión, moldeo por
inyección, moldeo por soplado y moldeo por rotación, entre otros. La baja viscosidad en la
temperatura de fusión facilita el moldeo por inyección, pero dificulta el proceso de extrusión. Por
23
eso es que en la extrusión se prefiere una amplia distribución de peso molecular, y temperatura
reducida a la salida del extrusor para incrementar la viscosidad de fusión.
En el mercado existe gran variedad de nylon que incluyen el 6, el 11, el 12, el 6/6, el 6/10 y el
6/12. Los más utilizados son los nylon 6 y 6/6, generalmente en forma de fibras. Las
características del nylon 6/6 más resaltantes son su alta resistencia, rigidez y resistencia a la
abrasión, y se utilizan normalmente para la fabricación de engranajes, cojinetes, hilos de pescar,
refuerzos de mangueras y bandas, refuerzos para neumáticos, entre otros. Este nylon tiene
propiedades de autolubricación, lo cual lo hace apropiado para rodamientos. El nylon 6 tiene
propiedades muy parecidas a las del nylon 6/6, a diferencia de su punto de fusión más bajo (255
o
C).
Se pueden mejorar las propiedades del nylon incorporando aditivos como fibras de vidrio y
de carbono, para darle mayor resistencia y rigidez. Existen también estabilizadores para aumentar
la resistencia al calor, reducir el poder de absorción de agua, proteger al material de la luz solar.
Para las aplicaciones de cojinetes, se le puede añadir relleno de grafito para mejorar las
propiedades de autolubricación. Si es necesario para cierta aplicación aumentar la resistencia al
impacto aún más de la que el nylon normalmente tiene, se le puede añadir caucho. Para
aplicaciones en alfombras, se suele añadir agentes antiestáticos para eliminar la formación de
carga estática.
2.3.3. Aditivos
Existen aditivos que se le pueden agregar a los polímeros, que pueden tener las siguientes
funciones:
-
Modificar las propiedades del material
-
Proteger el polímero en la etapa de transformación
Algunos de ellos son:
24
-
Agentes antibloqueadores: se utilizan para aumentar la rugosidad en la superficie del
polímero, para evitar que dos superficies se adhieran entre sí. Antiguamente se
espolvoreaban las superficies con almidón de maíz o sílice pirogénica, pero causaban
graves daños a la salud. Hoy en día se incorpora el agente antibloqueador al termoplástico
fundido. Se emplean en bolsas de plástico.
-
Agentes de deslizamiento: actúan en la superficie del polímero, reduciendo el coeficiente
de fricción del producto terminado. Ayudan a acelerar la producción de películas y
asegurar la calidad del producto final. Se utilizan cuando se desea una lubricación de la
superficie ya sea en su procesamiento o en el producto final. El agente de deslizamiento
debe ser compatible con el polímero, para que cumpla con su función.
-
Antioxidantes: evita la degradación de la resina por oxidación. La degradación comienza
por la acción de los radicales libres causados por el calor, la radiación, fuerzas cortantes
mecánicas o las impurezas metálicas. Los radicales libres aparecen durante la
polimerización, el procesamiento o la fabricación, y una vez que se presenta la etapa de
iniciación sigue la propagación. El agente antioxidante evita las etapas de propagación y
oxidación.
-
Agentes antiestáticos: tienen como función principal evitar la formación de una carga
eléctrica estática por transferencia de electrones en la superficie debido a la fricción con
otro cuerpo. Esta electricidad estática se puede generar durante el procesamiento, el
transporte o la manipulación en el uso final. Esto puede causar peligros de incendio y
explosión, mala liberación del molde, daño a los componentes eléctricos y atracción del
polvo. Los agentes antiestáticos en algunos casos funcionan también como lubricantes,
agentes de deslizamiento y agentes que facilitan la operación de desmoldeo.
-
Biocidas: estos son aditivos que le dan protección al polímero contra hongos, mohos y
bacterias. Evitan la formación de estas esporas en la superficie del material, los malos
olores, manchas y falla prematura del material. Los biocidas protegen únicamente el
material y no al usuario, y se utilizan si el ambiente donde va a operar el material lo
25
justifica. La eficiencia del biocida depende de la capacidad del aditivo para migrar a la
superficie del producto, donde ocurre primero el ataque microbiano.
-
Agentes de acoplamiento: se emplean en los compuestos reforzados y/o con relleno, para
incrementar la interfaz entre estos componentes y no perder calidad en el desempeño del
material. Mejoran considerablemente las propiedades mecánicas y eléctricas.
-
Retardadores de llama: estos son aditivos de seguridad que reducen la velocidad de
combustión y la emisión de humo al llegar a la ignición. La industria de los retardadores
de llama ha crecido notablemente debido a las regulaciones y normativas de seguridad
creadas en los últimos años, con el propósito de proteger a las personas y los inmuebles.
-
Estabilizadores de calor: se utilizan en materiales que van a ser expuestos a altas
temperaturas. Protegen el polímero de la degradación térmica.
-
Modificadores de impacto: su función es absorber la energía creada por el impacto y
disiparla de un modo no destructivo. La selección del modificador de impacto va a
depender de la compatibilidad, la solubilidad física, el comportamiento al impacto y el
costo.
-
Estabilizadores de la luz: se utilizan para proteger a los plásticos de la decoloración,
fragilidad y degradación por la luz UV. Las tres clases más importantes de estabilizadores
de luz son los absorbentes de UV, los enfriadores por inmersión de los estados de
excitación y los exterminadores de los radicales libres.
-
Agentes de nucleación: se utilizan para aumentar la velocidad de cristalización. Estos
aditivos se agregan a los polímeros parcialmente cristalinos para modificar la temperatura
de cristalización del polímero, el tamaño de los esferulitos cristalinos, su densidad,
claridad y su resistencia al impacto y a la tensión. Generalmente los niveles de uso son
inferiores al 1%. Se pueden incorporar al polímero mediante varios métodos como la
mezcla de polvos, las suspensiones, las soluciones o en forma de lote maestro. Este
26
aditivo aumenta el número de cristales finos, aumentando la claridad y el brillo del
producto final. La ventaja de estos aditivos es su bajo costo (ver tabla 2.2)
Tabla 2.2. Agentes de nucleación utilizado en polímeros específicos.
Polímero
Tereftalato de polietileno
(PET/CPET)
Poliamidas (nylon)
Polipropileno
Polietileno
Agentes de Nucleación
Rellenos minerales inertes, yeso, arcilla, talco,
silicatos, carbonatos, pigmentos
Compuestos orgánicos, ácidos carboxílicos,
difenilamina
Polímeros, especialmente poliolefinas, PE, PP,
etileno, y copolímeros de estireno, ionómeros
Sílice muy dispersada
Benzoato de sodio
Talco
Dióxido de titanio
Benzoato de sodio
Bis-bencilideno sorbitol
Estearato de potasio
PE nucleado o poliolefinas superiores
2.3.4. Cristalización
Los polímeros semicristalinos tienen una estructura mixta de polímeros regulares con
cristalitos ordenados junto con regiones amorfas. Aunque la cristalinidad del material depende de
las condiciones de procesamiento, puede llegar a ser totalmente amorfo. Mientras más larga es la
cadena, más fácil es que se enmarañen formando un completo desorden. Mayor flexibilidad de la
cadena, junto con un enfriamiento lento ayuda a una mejor cristalización.
La cristalización es una competencia entre dos procesos: nucleación y crecimiento de
cristales. La nucleación, o nucleación primaria, es la formación de pequeños sitios llamados
núcleos en los cuales se forman los cristalitos. Luego hay una nucleación secundaria, donde se
nuclean las superficies de los cristalitos, y se difunden las demás cadenas en dicha superficie de
cristalito, y así el crecimiento sigue a lo largo del polímero. Muchas variables de procesamiento
están implicadas en la cristalización del material, como la velocidad de enfriamiento, la presión,
27
el esfuerzo cortante y la orientación, la estructura y el peso molecular del polímero. Un
enfriamiento rápido del material fundido crea irregularidades locales, donde crecen los cristales
para dar lugar a una nucleación homogénea. Cuando esta nucleación homogénea no produce
núcleos suficientes, es decir, nucleación heterogénea, se utilizan agentes de nucleación para
aumentar el número de núcleos disponibles y facilitar el proceso. El crecimiento de los cristales
requiere movilidad de la cadena, por lo que un enfriamiento lento con presiones bajas favorece la
cristalización. La orientación y la estructura del polímero también afectan la cristalización. En
polímeros con cadenas orientadas se forman estructuras nucleadas en fila. En los polímeros
flexibles como la poliamida 6, se forman cristalitos rápidamente, a diferencia de los polímeros
rígidos que necesitan mayor tiempo de cristalización.
2.3.5. Proceso de Extrusión
La extrusión es la operación mediante el cual se transforma el polímero en forma de gránulos,
al perfil que se desea obtener, con una microestructura determinada para mejorar las propiedades
físicas y mecánicas. El material termoplástico se calienta y se funde y, por la acción de una
bomba, el extrusor, se hace pasar a través de un orificio, llamado matriz, que tiene la forma de
sección transversal deseada, y luego se enfría. En la figura 2.5 se muestran las partes de un
extrusor de tornillo sinfín simple.
En la figura 2.6 se muestran las diferentes etapas de un extrusor de tornillo simple.
Las funciones de cada una de las diferentes zonas son:
a) Zona de alimentación
La tolva de alimentación suministra el material al extrusor. Los gránulos gruesos por lo
general fluyen suavemente sin dificultad, pero si se presentaran problemas de fluidez, se pueden
adaptar otros dispositivos como paletas o martillos vibratorios, un alimentador de Crammer o una
tolva estándar con alimentador medidor. Se prefiere una alimentación medida y controlada, ya
28
que así se evita el derrame por las aberturas de ventilación, el apelotamiento del material y la
formación de burbujas de aire en el barril.
Figura 2.5. Extrusor de gusano sencillo.
Figura 2.6. Zonas en un extrusor de tornillo simple.
29
La primera sección del tornillo se denomina zona de alimentación, donde se precalienta y
transporta el polímero a la siguiente sección. La profundidad del tornillo permanece constante en
esta zona, y su longitud puede variar un poco para optimizar la eficiencia de la operación con los
diferentes polímeros a tratar.
b) Zona de compresión o transición
Esta zona tiene una profundidad de canal decreciente, y tiene varias funciones. Se expulsa el
aire atrapado entre los gránulos, se mejora la transferencia de calor desde las paredes del barril al
material conforme se vuelve menos viscoso y se da el cambio de densidad que ocurre durante la
fusión. Para los polímeros que funden poco a poco, es apropiada una zona de compresión larga,
de varias vueltas de tornillo. Para otro tipo de polímeros que funden abruptamente, como el nylon
y otros polímeros semicristalinos, sería apropiada una zona de compresión corta, de una vuelta de
tornillo aproximadamente, como se muestra en la figura 2.7.
Figura 2.7. Diseños diferentes de tornillos.
30
c) Zona de dosificación
La profundidad del tornillo se vuelve constante. La función de esta zona es homogeneizar el
material fundido y con ello suministrar a la región del dado material de calidad homogénea a
temperatura y presión constante.
d) Zona del dado
El extremo final del extrusor es la zona del dado. En esta zona se sitúan dos componentes
muy importantes, el portamallas o cribas, y la placa trituradora, que tienen las siguientes
funciones:
-
Evitar el paso de material extraño como polímero no fundido, polvos y cuerpos extraños.
El cribado ayuda a obtener un producto sin defectos al remover las partículas no deseadas.
Además sirve como protector del dado, pieza de alto costo, ya que no permite el flujo de
partículas metálicas que podrían dañarlo. Las cribas se clasifican según el número de
orificios por milímetro (o pulgada). Al aumentar el número de cribas se incrementa la
presión que se genera durante la extrusión. Estas se deben limpiar periódicamente para
evitar que los contaminantes tapen los huecos y eviten el flujo del material fundido.
Existen cambiadores de cribas que suministran cribas al extrusor sin la necesidad de
interrumpir el flujo, como se muestran en la figura 2.8. Las cribas giratorias por lo general
tienden a presentar escurrimiento fuera del barril si se trabaja con materiales de baja
viscosidad como la poliamida 6.
-
Crear un frente de presión cuando se opone una resistencia al bombeo de la zona anterior.
-
Eliminar la “memoria de giro” del material fundido. Los polímeros están constituidos por
moléculas de cadenas largas y enmarañadas entre sí, y al estar sometidas por un largo
tiempo a una fuerza de torsión, como en el paso de un tornillo, su tendencia es continuar
con esta alineación en espiral, aún cuando pasa el dado.
-
Reducir al mínimo la oscilación y la vibración del producto fundido.
31
Figura 2.8. Cambiadores de cribas: a) placa de deslizamiento, b) autocriba y c) criba rotatoria.
Antes de la placa trituradora se localiza el disco de ruptura. Este disco funciona como una
válvula de seguridad, que se abre cuando se excede la presión prefijada, para reducir la presión.
Este elemento se utiliza para la seguridad del operario.
Los barriles, matrices y adaptadores se calientan durante la operación para fundir el material a
extruir, generalmente mediante bandas de calentamiento con resistencias eléctricas, aunque a
veces se utiliza aceite caliente rodeando el barril, para menores temperaturas de calentamiento.
Para mantener una temperatura constante, es necesario enfriar el barril mediante abanicos de aire
o flujo de agua. Cada circuito de calentamiento (zona) contiene múltiples bandas, abanicos de
enfriamiento y un sensor controlador de temperatura. El número de zonas de un extrusor depende
de la relación L/D, y por lo general cada zona tiene una potencia de 3500 a 4000 W.
32
El gusano dentro del barril se fija y se apoya a la altura del tallo mediante el cojinete de
empuje. El gusano se especifica por su diámetro externo D y la relación L/D, la cual está dada
por:
(Ec. 2.1)
En donde Lrosca es la longuitud de la vuelta del gusano. El paso t es la distancia axial del
centro de una rosca al centro de la siguiente, y el avance es la distancia axial que recorre en una
rotación completa. El ángulo de hélice viene dado por:
(Ec. 2.2)
En la figura 2.9 se muestra la nomenclatura utilizada para identificar cada una de las partes de
un gusano simple.
Figura 2.9. Nomenclatura de un gusano de extrusor.
Debido a que el material fundido pasa por una zona de compresión, lo que se aprieta el
material se puede cuantificar mediante la relación de compresión CR:
(Ec. 2.3)
33
en donde V es el volumen del canal y H su profundidad. Relaciones de compresión bajas no
compactan bien el material y generan burbujas de aire, mientras que CR altas liberan demasiado
material hacia la zona de medición, y producen problemas de fusión en la zona de transición.
Normalmente los gusanos más utilizados tiene CR comprendidos entre 1,5:1 a 4,5:1.
Al extruir un material con aditivos añadidos, un factor muy importante a considerar es la
mezcla efectiva de todos los componentes del material fundido. Los extrusores de un solo gusano
proporcionan un mezclado relativamente malo, y una manera de mejorarlo es adicionando
elementos de mezcla en la zona de medición del gusano. En la figura 2.10 se muestran algunos de
estos elementos de mezcla. Se clasifican según el principio de mezclado. Los elementos
distributivos hacen aleatoria la mezcla, mientras que los elementos dispersores producen
esfuerzos cortantes, lo que reduce el tamaño de la partícula. Ningún elemento es puramente
distributivo o dispersor, se agrupan según el método de mezclado predominante.
Figura 2.10. Secciones de mezclado.
34
Si se tiene un gusano ya existente, es posible adaptarle elementos de mezclado. Los pasadores
mezcladores son hileras de pasadores metálicos insertados en la raíz del diámetro del gusano. Las
roscas ranuradas son ranuras que se le hacen a la rosca en la sección de medición del gusano.
Ambos dispositivos son sencillos y fáciles de adaptar, pero aumentan el potencial de
estancamiento del material y un porcentaje de mezclado limitado. Otra desventaja es que el
material puede fluir hacia atrás en las roscas ranuradas, aumentando el tiempo de residencia del
material en el barril y la probabilidad de degradación por el calor.
Los mezcladores distributivos son muy efectivos, aunque no producen un transporte hacia
adelante del material fundido. Se suelen colocar en los últimos tres canales del gusano. La
sección mezcladora Dulmage se divide entre 10 a 12 canales angostos, se recombinan y se
vuelven a dividir, lo cual lo hace ideal para espumas y otras aplicaciones. La sección mezcladora
Saxon tiene muchas roscas menores con un ángulo de hélice diferente al de la rosca primaria. La
sección mezcladora de piña es parecida a unos pasadores y dividen y combinan el polímero a
medida que fluye hacia adelante. En la mezcladora de transferencia de cavidad (CTM) se
modifica tanto el gusano como el barril, añadiendo cavidades que dividen el flujo y lo
recombinan proporcionando un mezclado efectivo. En la sección mezcladora de pulsar se añaden
secciones alternas con diámetros de la raíz profundos y poco profundos, sin un exceso de fuerza
cortante ideal para materiales sensibles al calor. La sección de rosca flexible incorpora una nueva
rosca que varía el ancho del canal. Cuando el canal decrece se produce una fuerza cortante.
Los elementos dispersores de mezcla incluyen el anillo de amapolla, la sección mezcladora de
Union Carbide o de Maddock y variantes de esta. El anillo de amapolla es una sección cilíndrica
del gusano que deja un espacio libre entre la raíz y el barril de tan solo 0,50 a 0,76 mm. Esto solo
proporciona una fuerza cortante, poco mezclado y poco transporte hacia adelante. El elemento
mezclador de Maddock contiene ranuras axiales que permiten la entrada de flujo en algunas
ranuras bloqueadas al final pero conectadas a las ranuras adyacentes que permiten la salida del
flujo. Este elemento reduce el tamaño de las partículas y rompe los grumos mediante grandes
esfuerzos cortantes, lo cual puede ser contraproducente para polímeros sensibles al calor. Las
secciones mezcladoras de Egan y Dray son versiones mejoradas de la sección de Maddock, donde
se reducen las caídas de presión generadas por esta.
35
El gusano de doble onda tiene una segunda rosca en la zona de medición. Ambos canales
tienen una profundidad que aumentan y decrecen alternativamente a medida que el flujo avanza,
haciendo que el producto fundido se mezcle y se transfiera al canal adyacente.
Además de estos elementos mezcladores, existen otros como el gusano de barrera, el
mezclador Kenics y el gusano de dos etapas.
2.3.6. Extrusión de Poliamidas
La poliamida se elabora mediante polimerización por condensación, con pesos moleculares
de 10.000 a 50.000 daltons, donde el agua es liberada como subroducto del proceso. Al estar
deshidratado, el polímero es susceptible a la absorción de agua. Antes de procesar las poliamidas
se debe pasar por un proceso de secado para que no ocurra una despolimerización al llegar al
estado fundido.(8)
Comúnmente en el mercado, la poliamida se suministra en forma de partículas sólidas
esféricas de 2 a 4 mm de diámetro. El tamaño, la forma, la densidad y el coeficiente de fricción,
son factores que afectan la fluidez en la alimentación del extrusor.
La densidad a granel, ρb, es la densidad de partículas de polímero sin comprimir y de los
huecos interparticulares. El factor de masa es la razón de las densidades de la parte sólida a la
masa total. Bajas densidades a granel junto con factores de masa altos indican problemas en el
flujo de las partículas. También cuando la densidad a granel sea mayor a 0,2 g/cm3. La densidad a
granel es una medida de las partículas empacadas flojamente, y no mide la compactación de las
partículas. La compresibilidad es la diferencia porcentual entre la densidad a granel y cuando
están reacomodadas entre sí de manera más apretada. Una compresibilidad menor del 20%
significa buen flujo de partículas, mientras que una compresibilidad entre el 20 y 40% indica que
las partículas pueden compactarse durante el almacenamiento. Una compresibilidad mayor al
40% indica que las partículas necesitarán de algún mecanismo externo para ayudar la circulación
y el transporte en la tolva de alimentación del extrusor. El nylon es propenso a la absorción de
agua, lo que favorece la aglomeración de las partículas, dificultando la facilidad de flujo.
36
La facilidad de vertibilidad es otra medida de flujo de partículas, y consiste en medir el
tiempo que tarda en pasar una cantidad estándar de partículas por un embudo de dimensiones
especificadas en la norma ASTM D1895.
El ángulo de reposo es otra medida de flujo de partículas en el cual se mide el ángulo que
forma un montón de partículas con la superficie horizontal. Si el ángulo es mayor a 45º, no habrá
flujo de partículas.
Los fluidos newtonianos son aquellos en donde la viscosidad es independiente de la razón de
variación del esfuerzo cortante, a diferencia de los polímeros fundidos, que son pseudoplásticos,
en donde la viscosidad decrece con el incremento de la razón del esfuerzo cortante. La poliamida
fundida presenta un flujo laminar, con un perfil de velocidades como se muestra en la figura 2.11.
La velocidad es cero en las adyacencias de las paredes del extrusor, y máxima en el centro del
canal. Si la forma del canal se expande, la velocidad del polímero decrece, y si se contrae, la
velocidad aumenta. En general las poliamidas fluyen fácilmente, aunque los aditivos pueden
variar su viscosidad.
Figura 2.11. Perfil de velocidades en un canal recto (a), y en un canal convergente (b).
37
La densidad de los polímeros fundidos (ρm) disminuye con el aumento de la temperatura en
una relación aproximada de ρm ≈ 0,8.ρ
El volumen específico ν, el inverso de la densidad, es una propiedad que se utiliza con
frecuencia para relacionar la densidad con la temperatura y la presión. En la figura 2.12 se
muestra la diferencia del comportamiento de un polímero amorfo y uno semicristalino. El
polímero amorfo se despolimeriza antes de llegar al estado fundido, a diferencia de los polímeros
semicristalinos, como la poliamida 6, que si tiene una T f. El volumen específico se incrementa
con la temperatura, pero decrece con el incremento de presión.
Figura 2.12. Curvas pνT típicas para polímeros a) amorfos y b) semicristalinos.
38
Durante el procesamiento de la poliamida en la extrusora, las moléculas del polímero se
alinean en la dirección del flujo, ya que en la extrusión se aplica un esfuerzo cortante
relativamente alto (100 – 1.000 s-1). En estado relajado, las cadenas individuales se doblan hacia
atrás y se enredan con otras cadenas (estado de menor energía). Cuando el material fundido sale
de la matriz, a medida que se relaja la marcada orientación de las cadenas, hay contracción en la
dirección del flujo, y expansión transversal. La alineación de las cadenas mejora
considerablemente las propiedades del material, aumentando la resistencia a la tracción.
39
CAPÍTULO 3
MARCO METODOLÓGICO
A continuación se presenta la metodología empleada para desarrollar el estudio de
factibilidad de fabricación tanto de la cuchilla como del elemento de corte flexible.
3.1. Cuchilla Metálica
La finalidad de la fabricación de la cuchilla es ofrecer al usuario un producto de calidad a
precios competitivos. El diseño de la cuchilla debe ser lo más parecido al que el público en
general está acostumbrado a utilizar en la actualidad. La pieza no necesita mayor precisión, ya
que es prácticamente desechable, la cual va a ser utilizada para darle continuos golpes contra la
grama, el monte, pequeños arbustos, entre otros. Sin embargo, debe quedar muy bien balanceada,
ya que girará a aproximadamente7.500 rpm.
La geometría seleccionada será de la más vendida en Venezuela, la cuchilla de dos puntas de
30 cm de largo, como la mostrada en el plano del Apéndice 1, considerablemente ancha para
darle robustez y de 1,8 mm de espesor.
3.1.1. Evaluación de Cuchilla Comercial
Para tener una referencia de selección del acero, se tomó una cuchilla comercial, de muy
buena calidad y que se vende bien en el mercado, y se le hicieron los siguientes ensayos:
-
Análisis Químico Semicuantitativo por Fluorescencia de Rayos X (Norma ASTM E572 –
02a(2006)e2 – Método de Ensayo Standard para el Análisis de Aceros Aleados e
Inoxidables por Espectrometría de Fluorescencia de Rayos X).
40
Equipo utilizado: Equipo portátil de Fluorescencia de Rayos X, Marca OXFOR, Modelo
X-Met 3000XT.
-
Determinación de Carbono y Azufre por la técnica de combustión de altas temperaturas
(Norma ASTM E1019 – 08 Método de Ensayo Standard para la Determinación de
Carbono, Azufre, Nitrogeno, y Oxígeno en Acero, Hierro, Niquel, y Aleaciones de
Cobalto mediante Técnicas de Combustión y Fusión).
Equipo utilizado: Analizador de Carbono y Azufre Marca LECO, Modelo CS 200.
-
Metalografía (Norma ASTM – E3 Preparación Metalográfica y Norma ASTM E 407 Ensayo Standard de Micrograbado de Metales y Aleaciones).
Equipo utilizado: equipos convencionales para metalografía, Microscopio óptico
OLYMPUS PMG3.
-
Dureza Rockwell C (Norma ASTM E 18: Métodos de la Prueba normales para la Dureza
de Rockwell y la Dureza superficial Rockwell de Materiales Metálicos y Norma ASTM E
140: Tablas de Conversión de Dureza normales para Metales).
Equipo utilizado: Durómetro Skoda, Modelo RB1, Serial 2094, Carga 150 kgf, Indentador
Diamante, Método HRC.
La meta no es fabricar una cuchilla idéntica a la analizada anteriormente, sin embargo, estos
resultados sirven para orientar el diseño de la nueva cuchilla.
3.1.2. Selección del Material (prototipo) y el Proceso de Fabricación
En Venezuela se consumen aproximadamente 60.000 cuchillas anuales. Esto se sabe a partir
del número de desmalezadoras vendidas al año, y aumentando un porcentaje, ya que al darle un
41
uso profesional a la máquina, la cuchilla se desgasta más rápido, lo que implica un cambio del
consumible. Este es el número de cuchillas que se estima fabricar al año, y se debe seleccionar el
proceso de corte de mayor rentabilidad para estas cantidades.
Una opción para la fabricación de la cuchilla es utilizar un acero de cementación, un acero de
bajo contenido de carbono (0,2% aproximadamente) a la cual se le aplica un tratamiento
termoquímico, aportando carbono a la superficie mediante difusión. Esto se hace calentando la
pieza a altas temperaturas (900
o
C aproximadamente) y recubriéndola con una materia
cementante, haciendo que el carbono penetre en la superficie. De esta manera, la cuchilla sería
tenaz y dúctil en el núcleo, y dura en su superficie, ideal para la aplicación que se le quiere dar.
Además, los aceros de cementación (de bajo contenido de carbono) son más baratos que los
aceros de alto contenido de carbono.
Otra opción sería fabricar la cuchilla a partir de láminas de acero con un contenido de medio a
alto carbono parecido al de la cuchilla comercial ensayada, y darle la dureza deseada mediante un
tratamiento térmico. Para ello se buscó proveedores de láminas de acero al carbono en el país,
pero no se encontró ninguno. Grandes fabricantes de acero en Venezuela como Ferrum o
Sumindu, y demás fabricantes en la industria, no fabrican láminas de acero al carbono de 1,8 mm
de espesor, o alguna que se le parezca. La mayoría de los fabricantes nacionales que trabajan con
acero se enfocan en la fabricación de aceros estructurales y láminas de hierro dulce.
Necesariamente se tuvo que recurrir a proveedores en el exterior. Estratégicamente es favorable
conseguir un proveedor que pertenezca a algún país miembro de ALADI (Asociación
Latinoamericana de Integración), o del MERCOSUR (Mercado Común del Sur), ya que la
comercialización de productos entre países miembros de estas organizaciones tiene las siguientes
ventajas:
-
Facilidades de pago.
-
Pago de arancel reducido.
Entre muchos fabricantes de láminas de acero de varios países, sólo se mostraron interesados
dos de ellos:
42
-
Anil Special Steel Industries Limited (Kanakpura, P.O. Meenawala Jaipur – 302012,
India)(9)
Fábrica creada en 1968 con la intención de convertirse en los líderes del mercado de tiras
de acero laminados en caliente. Este fabricante tiene la capacidad de entregar el acero con
la dureza que el cliente le especifique, ya sea laminado en frío o en caliente. Otra ventaja
de trabajar con Anil Special Steel es que puede entregar el acero en láminas planas en las
dimensiones que el cliente le especifique, pero para esto la compra mínima debe ser de
un contenedor completo, aproximadamente 10 MT. Si se envían las láminas como carga
consolidado, el material puede sufrir daños al ser cambiados de contenedor, y la fábrica
no se arriesga a ello.
-
Ferrasa (Colombia)
Empresa del grupo Ternium, líder en el mercado latinoamericano productora de aceros
planos y largos. Tiene centros productivos en otros países como Argentina, México,
Estados Unidos y Guatemala. Entregan el acero en forma de bobinas y en estado recocido.
A estas empresas se les solicitó una muestra de material de láminas de acero de 1,8 mm de
espesor, con un porcentaje de carbono comprendido entre el 0,5 y 0,8% en peso de su
composición. En el Apéndice 2 y 3 se puede observar la orden de entrega de las muestras de
ambos proveedores. Se fabricaron dos prototipos con cada material y se sometieron a la prueba
de impacto de la Norma ANSI B175.3.
Según la Norma ANSI B175.3, Apéndice 4, referente a “Grass Trimmers and Brushcutters –
Safety Requirements”, en la sección 7 se habla del elemento de corte de la desmalezadora de
grama. La norma dice que, para la prueba de impacto, se debe utilizar la desmalezadora de grama
de mayor potencia de toda la gama, y con el acelerador a fondo, se debe impactar una barra de
acero al carbono de 1” de diámetro trabajada en frio, en posición vertical, con una velocidad de
aproximación de 1 m/s. La cuchilla debe impactar la barra horizontalmente. No se debe romper,
craquear, fracturar o separar debido a la aceleración/desaceleración, vibración o prueba de
impacto de la máquina. De esta manera se garantiza la seguridad del operador de la
desmalezadora.
43
La máquina utilizada para la realización de las pruebas de impacto fue una desmalezadora
TANAKA modelo TBC-550DX, cilindrada 46,5cc, de 2,5 HP, la más grande de la gama. La
barra de ensayo de 1” de diámetro, como la especificada en la Norma, se tomó de una guía de una
prensa de volante de 500 Ton., de 1,20 m de longitud, de acabado pulido. La barra se fijó al suelo
enterrándola completamente y dejando 7 cm afuera de la superficie, en un suelo bien
compactado. El ensayo se realizó con un operador debidamente protegido golpeando la barra de
acero enterrada, acelerando la máquina a tope.
Una vez sometidas a la prueba de impacto, se midió la magnitud de la deformación en dos
dimensiones, con un vernier marca Mitutoyo, de 0,05 mm de apreciación. Las longitudes tomadas
fueron:
-
Altura de la deformación plástica máxima: si la cuchilla se coloca en una superficie plana,
se mide la distancia desde la superficie hasta el punto más alto de la cuchilla doblada.
-
Comienzo de dobles: colocando la cuchilla en una superficie plana, es la distancia desde
el centro de la cuchilla hasta el punto donde la cuchilla comienza a separarse de la
superficie plana.
3.1.3. Análisis Económico
Se realizó un estudio de costos de fabricación con ambos proveedores, Anil Special Steel
Industries Limited y Ferrasa. Los costos de fabricación comprenden la materia prima, los gastos
de seguro, flete, nacionalización y gastos de administración de aduana, el troquel, el troquelado,
transporte interno, afilado, pintura y empaquetado.
Para el cálculo del porcentaje de gastos de nacionalización, seguro, flete, almacenaje, gastos
de administración de aduana e impuestos que puede generar la importación del acero se tomó
como referencia una compra e importación de repuestos, a una fábrica ubicada en Taiwan,
realizada por Corporación Casa y Jardín, C.A., RIF J-30641765-6, empresa importadora y
comercializadora de maquinaria agrícola con 13 años de trayectoria, ubicada en Caracas.
44
El costo de la cuchilla fabricada en el país se comparó con el costo de una cuchilla importada.
3.2. Elemento de Corte Flexible
Inicialmente se seleccionó un elemento de corte flexible comercial, para tomarlo como
referencia para la fabricación del prototipo.
3.2.1. Fabricación y Evaluación del Elemento Prototipo
Para el estudio de la factibilidad de fabricación del elemento de corte flexible, comúnmente
conocido como nylon de desmalezadora, se buscó materia prima para ensayar el proceso de
fabricación mediante extrusión de la poliamida. Se contactaron dos empresas para proveer la
materia prima. Estas fueron:
- HANSA C.A.: ubicada en Caracas, Venezuela. Empresa importadora de nylon. La materia
prima que suministran no la fabrican en el país.
- ENKA de Colombia S.A.: Empresa colombiana que produce y comercializa polímeros y fibras
químicas de Poliéster y Nylon, y demás materia prima para la industria.
Se logró obtener una muestra de 2 kg de nylon 6 PA-UV de viscosidad relativa 3,60, traída de
ENKA, Colombia. La materia prima se sometió a un proceso de secado, para eliminar la
humedad presente en los gránulos, en un horno de ventilación forzada a 60 oC por un día
completo. Luego del secado, se hicieron los primeros ensayos de extrusión utilizando la extrusora
del Laboratorio E, Sección de Polímeros. La extrusora utilizada fue una Werner & Pfleiderer,
Tipo ZSK30, Fabrik-Nr: 166435, fabricada en Alemania. El
baño de enfriamiento era un
recipiente de aproximadamente 60 cm de longitud, 20 cm de ancho y 20 cm de profundidad de
agua.
45
El prototipo obtenido se sometió a un ensayo de tracción, junto con el elemento comercial,
para poder hacer una comparación de las resistencias de ambos filamentos, de los cuales se sabe
que el comercial tiene la resistencia a la tracción adecuada para su función.
3.2.2. Evaluación del Elemento Comercial
Para tener una referencia de la naturaleza y las propiedades necesarias del elemento de corte
flexible, se tomó como referencia un elemento comercial ya existente en el mercado para realizar
varios ensayos. El primer ensayo fue de caracterización de material, realizado en los laboratorios
de Enka, Colombia. Luego se hizo un estudio comparativo mediante un ensayo de tracción,
mencionado en la sección 3.2.1, en el Laboratorio E, Sección de Polímeros, de la Universidad
Simón Bolívar. La máquina utilizada fue una Easy Test EZ20, Lloyd Instruments, AMETEK. Se
hicieron tres repeticiones para cada tipo de elemento de corte, el comercial y el prototipo. Se
obtuvo el promedio de las tres repeticiones para obtener el esfuerzo a la ruptura de cada uno.
3.2.3. Análisis Económico
Se averiguó el costo de la materia prima en el exterior, junto con un estudio riguroso de los
gastos de importación.
Para el cálculo de los gastos de importación, entre los cuales están el flete, seguro,
nacionalización, gastos de administración de aduana, impuestos, almacenaje, gastos a terceros,
entre otros, se tomó como referencia una importación realizada por Corpopración Casa y Jardín,
C.A., a la empresa argentina Nicieza y Taverna Hnos. S.A., fabricante del elemento de corte
flexible.
El costo de la materia prima puesta en Venezuela se comparó con el costo del elemento de
corte importado de Argentina.
46
CAPÍTULO 4
RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
A continuación se evaluarán los resultados obtenidos de los diferentes ensayos realizados.
4.1. Cuchilla Metálica
La sección se divide en los resultados obtenidos de la evaluación de la cuchilla comercial, la
selección del material y el proceso de fabricación, y el análisis económico.
4.1.1. Evaluación de Cuchilla Comercial
Los resultados obtenidos de los ensayos aplicados a la cuchilla comercial utilizada como
referencia para la selección de la materia prima fueron:
-
Análisis químico: El porcentaje de hierro es del 95% aproximadamente, 0,58% de
carbono y el resto en aleantes (ver Apéndice 5). El alto contenido de níquel, junto al
cromo, le proporciona mejor resistencia a la corrosión y oxidación.
-
Determinación de Carbono y Azufre: se obtuvo un porcentaje de carbono de 0,58% ± 0.01
y un porcentaje de azufre de 0,001 ± 0,000 (ver Apéndice 5).
-
Metalografía: presencia de matriz ferrítica con perlita (ver Apéndice 6). La ferrita es la
estructura del acero que le brinda cierta ductilidad, característica necesaria para que la
cuchilla no se rompa en el caso que impacte con algún objeto mientras está en operación.
La perlita es una mezcla entre ferrita y cementita, estructura que le da la dureza necesaria
para mantener su geometría plana y resistir el desgaste.
47
-
Dureza: 30,7 HRC en promedio (ver Apéndice 6). Se analizaron 5 puntos a lo ancho de la
cuchilla, para verificar si esta estaba endurecida en los bordes más que en el centro. El
resultado dio una misma dureza para todos los puntos de la cuchilla.
Además de estos resultados, visualmente se observa que la cuchilla tiene un acabado
superficial parecido a un pavonado, de color gris oscuro, que la protege de los factores
ambientales a los cuales está sometida y que causan la corrosión y oxidación, tanto en el proceso
de fabricación, en el almacenaje y en la operación final.
4.1.2. Selección del Material (prototipo) y el Proceso de Fabricación
Para fabricar 60.000 cuchillas al año, el proceso más rentable a partir de láminas de acero de
1,8 mm de espesor es por troquelado, con una prensa.
Según la experiencia de varias empresas de tratamientos térmicos, aplicar la cementación a
una lámina de acero de 1,8 mm de espesor puede dejar la pieza muy dura y frágil, creando altas
probabilidades de que la pieza se parta durante la operación. La penetración de carbono en una
pieza cementada puede minimizarse a 0,3 mm, dejando un núcleo de 0,6 mm sin adición de
carbón. Se debe someter un prototipo a la prueba de impacto, como dice la Norma ANSI B175.3.,
para verificar si este tratamiento superficial es efectivo para este grosor de lámina.
Las muestras de Anil Special Steel Industries Limited tienen la dureza final deseada de la
cuchilla. Son duras y difíciles de doblar. La muestra de Ferrasa vino en estado recocido siendo
muy débil para presentarla como producto final. Se debe aplicar un tratamiento térmico de
endurecimiento para obtener la dureza deseada. En la tabla 4.1 se observa un cuadro descriptivo
de las muestras recibidas.
48
Tabla 4.1. Muestras de proveedores de materia prima
Muestra
Fabricante
Clasificación
1
Anil Special
Steel Industries
SAE 1080
2
Anil Special
Steel Industries
3
Anil Special
Steel Industries
SAE 1075
4
Ferrasa
TER TIB 15B26
SAE 1080
Tratamiento
Laminado en Frío
Tamaño
1,8 x 150 x 310
mm
Dureza
Cantidad
30 - 33 HRC
2
Laminado en Caliente
y Templado
1,8 x 150 x 310
mm
43 - 45 HRC
2
Laminado en Frío
1,8 x 182 x 310
mm
26 - 30 HRC
1
Laminado en Frío y
Recocido
1,8 x 160 x 320
mm
3 - 7 HRC
1
Se fabricaron dos cuchillas a partir de cada muestra de material, y se realizó el ensayo de la
Norma ANSI B175.3 a las muestras 1,2 y 3. La muestra 4 no se ensayó ya que primero tiene que
aplicarse un tratamiento térmico de endurecimiento para obtener las propiedades mecánicas
deseadas. Se observó lo siguiente:
Muestra 1:
La cuchilla se deformó como se muestra en la figura 4.1.
Figura 4.1. Muestra 1 después de la prueba de impacto.
Altura de deformación plástica máxima h= 25,30 ± 0,05 mm
Comienzo de doblez l= 95,40 ± 0,05 mm
49
Existe una apreciable deformación plástica luego del impacto, pero no hay rotura, craqueo, o
separación de la cuchilla. Esta muestra pasa la prueba de impacto de la Norma ANSI B175.3.
Muestra 2:
La cuchilla se deformó como se muestra en la figura 4.2.
Figura 4.2. Muestra 2 después de la prueba de impacto.
Altura de deformación plástica máxima h= 12,35 ± 0,05 mm
Comienzo de doblez l= 131,85 ± 0,05 mm
Existe deformación plástica, pero menor y no tan pronunciada como la muestra 1. Se aprecia
una mayor dureza (43 – 45 HRC) del acero debido a que se obtuvo la deformación más baja de
las tres muestras. Se puede observar que las esquinas de los extremos que recibieron el impacto
con la barra de acero enterrada, les falta un pedazo de material de aproximadamente 3 mm de
longitud. Al existir desprendimiento de parte de la cuchilla, esta no satisface la Norma ANSI
B175.3.
Muestra 3:
La cuchilla se deformó como se muestra en la figura 4.3.
50
Figura 4.3.: Muestra 3 después de la prueba de impacto.
Altura de deformación plástica máxima h= 15,85 ± 0,05 mm
Comienzo de doblez l= 103,40 ± 0,05 mm
Uno de los extremos se deformo formando una especie de viruta, pero sin desprenderse de la
cuchilla. Se aprecia menor deformación que en la muestra 1, a pesar de poseer menor dureza.
Esta muestra sí satisface la Norma ANSI B175.3.
Comparando los resultados de las pruebas de impacto de las muestras 1, 2 y 3, se puede
observar que la de mayor dureza, la muestra 2 con 43 – 45 HRC de dureza, presentó
desprendimiento de material. Las muestras con una dureza menore a 33 HRC, pasaron la prueba
de impacto.
51
Luego de conocer estos resultados, se observó que no se necesita de un acero de alto
contenido de carbono para obtener las propiedades requeridas de la cuchilla. La dureza apropiada
de la cuchilla debe estar entre los 25 a 30 HRC, la cual se puede conseguir en un acero con menos
porcentaje de carbono, disminuyendo así los costos. Se contactó a la empresa Anil Special Steel
Industries Limited para averiguar si tenían un acero de medio carbono un poco más económico.
Ofrecieron un SAE 1055.
A continuación se presenta un análisis de costos de la materia prima, transporte y fabricación
de ambos proveedores.
4.1.3. Análisis Económico
Se analiza por separado los costos de fabricación con las distintas materias primas.
4.1.3.1. Anil Special Steel Industries Limited
En la tabla 4.2 se muestran los costos de procesos y operaciones involucradas en la
fabricación de la cuchilla utilizando como materia prima el acero SAE 1055 laminado en frío
suministrado por el fabricante Anil Special Steel Industries Limited.
El costo de 1MT de acero SAE 1055 laminado en frío es de 1520 USD, precio FOB en el
Puerto de La India. El flete y el seguro marítimo tienen un valor de 1.400,00 y 20,00 USD,
respectivamente.
Los gastos de aduana incluyen el almacenamiento, gastos administrativos, nacionalización,
transporte terrestre desde la aduana hasta el depósito de almacenamiento final, y gastos a
terceros. El código arancelario del acero SAE 1055, en la presentación de láminas de 1,80 x 310
x 1200 mm es:
52
7211.29.00: Productos Laminados Planos de Hierro o Acero sin Alear, de Anchura Inferior a 600
mm, sin chapar ni revestir. Simplemente laminados en frío.
A este código le corresponde un 10% de Tarifa Ad Valorem.
Tabla 4.2. Costos de fabricación generados con el acero SAE 1055
Anil Special Steel (SAE 1055) 10 Toneladas
Costo MT acero [$] CIF Pto Cabello
1.662,00
Gastos de Aduana [%]
30
Cantidad [MT]
10
Transporte [Bs]
5.000,00
Utilización [%]
69,85
Costo Troquel [Bs]
33.902,00
Troquelado [Bs]
0,25
Afilado [Bs]
1,25
Pintura [Bs]
1,00
Empaquetado [Bs]
0,50
Costo Cuchilla [Bs]
17,44
Número de Cuchillas
6.985
En la tabla 4.3 se muestran los gastos de importación generados en una compra de repuestos
agrícolas realizada por Corporación Casa y Jardín, C.A. a la empresa BBT, ubicada en Taiwan.
Se utiliza esta importación como referencia porque el valor de la factura es parecido, ambas
importaciones vienen en contenedor de 20 pies y el flete desde Taiwan y la India hasta Venezuela
no difiere mucho. Se toma un 4% de improvistos para el cálculo de los gastos de importación en
la fabricación de las cuchillas.
53
Tabla 4.3. Gastos de Importación
Monto Factura [Bs]
Flete [Bs]
Seguro [Bs]
Tasa de Servicio de Aduana [Bs]
Impuesto a las Importaciones
Ordinarias [Bs]
Servicios de Aduana [Bs]
Nacionalización [Bs]
Porcentaje total
113.571,60
6.321,00
91,55
599,80
10.782,92
599,80
11.357,16
26
La cantidad mínima de material que se debe adquirir para poder importar el acero en láminas
planas y cortadas en el tamaño deseado para introducirlas directamente a la prensa son 10 MT, en
un contenedor de 20´. Menos de eso, el acero tendría que venir en bobinas. Esto se debe al
maltrato que puede recibir el cargamento mientras es cambiado de contenedor viniendo en carga
consolidada. El inconveniente de traer el acero en bobina es que esta se debe aplanar antes de
ingresar al troquel, lo cual aumenta los costos.
El costo del transporte se calcula en un aproximado de lo que vale llevar 10 MT de acero
desde el depósito de almacenamiento ubicado en Cagua, Estado Aragua hasta el centro de
troquelado, ubicado a 2 km aproximadamente del depósito de almacenamiento.
El porcentaje de utilización es la cantidad de acero que se aprovecha y que se utiliza para
elaborar las cuchillas. El valor se obtiene de la siguiente manera:
(Ec. 4.1)
donde
Sp: Área de la pieza
S: Área de 1 m de banda
n: número de piezas por metro de banda
54
La geometría de la cuchilla se puede observar en el Apéndice 1. Cada lámina de acero será de
1203 x 310 x 1,8 mm. De esta manera habrá un puente entre las piezas de 3 mm, y un borde de 5
mm a cada lado. Una cuchilla pesa aproximadamente 199 g.
Tanto el troquel como el proceso de troquelado serán suministrados por la empresa
Troquelados de Aragua, S.A. (ver Apéndice 7 y 8). Para las láminas de Anil Special Steel
Industries Limited de 28 HRC de dureza aproximadamente, el fabricante del troquel garantiza
una duración del troquel para fabricar 80.000 cuchillas.
Luego del troquelado de las láminas se obtiene la cuchilla con su geometría final, pero sin
filo. La operación de afilado no se puede tercerizar, debido a los altos costos de mano de obra que
hay en Venezuela. La empresa Afiladora La Trinidad, C.A., ubicada en Cagua, Estado Aragua,
cotizó el proceso de afilado de las cuhillas de desmalezadora en Bs. 1,28 por cm. Afilar la
cuchilla costaría alrededor de Bs. 51. Esto es inviable ya que eso es lo que cuesta la cuchilla
afilada en cualquier local comercial. Para el afilado, se contratará un operador que trabaje 6 horas
al día, y afilará las cuchillas con un esmeril de banco modificado específicamente para esta
aplicación. En la tabla 4.4 se muestra un estimado de las variables involucradas en el costo de
afilado de la cuchilla.
Tabla 4.4. Relación de gastos en el afilado de la cuchilla
Afilado
Nómina mensual del operador [Bs]
Tiempo de afilado por cuchilla [s]
Horas de trabajo útil al día
2.500,00
180
5
Cuchillas afiladas x día
100
Costo de afilado x cuchilla [Bs]
1,25
55
Para maximizar la eficiencia del proceso de afilado se utilizará un esmeril de banco, al cual se
le acoplará fijamente a la base una cola de milano, que hará la función de un riel, el cual moverá
un brazo vertical que tendrá en su extremo superior colocado a 45º respecto a la piedra, un
asiento para colocar la cuchilla por el agujero central de 1”. La cuchilla tendrá la libertad de
moverse horizontalmente y podrá girar. De esta manera se podría afilar una cuchilla en menos de
dos minutos. Para el cálculo del número de cuchillas afiladas al día, se estima un tiempo mayor,
de 3 minutos, para prever cualquier improvisto.
Las muestras que se utilizaron para las pruebas de impacto, las cuales no tenían ningún tipo
de pintura protectora o recubrimiento, terminaron parcialmente oxidadas. Es necesario pintar las
cuchillas con una pintura electrostática que garantice una fuerte adherencia al metal, para que no
se deteriore durante el almacenaje, transporte y operación final del producto.
Una vez pintadas las cuchillas, se le pegará una calcomanía con el nombre de la marca, la
descripción del producto y las normas de seguridad. Luego se empaquetarán de a 50 unidades en
cajas de cartón, envueltas por flejes para asegurar que no se abra la caja durante su manipulación
y transporte.
El costo de cada cuchilla utilizando un acero SAE 1055 y un proceso de corte por troquelado
es de Bs. 17,44.
4.1.3.2. Ferrasa
En la tabla 4.5 se muestran los costos de los procesos y operaciones involucradas en la
fabricación de la cuchilla utilizando como materia prima el acero suministrado por el fabricante
colombiano Ferrasa.
56
Tabla 4.5. Costos de fabricación generados con el acero TEB15B26
Ferrasa (TEB15B26) 10 MT
Costo MT acero [$] Puesto en frontera
Gastos de Aduana [%]
1.150,00
20
Cantidad [MT]
10,00
Transporte [Bs]
24.000,00
Utilización [%]
70,06
Costo Enderezado y Corte de Bobina, y
Troquelado [Bs/pieza]
Costo Troquel [Bs]
8,96
33.902,00
Afilado [Bs]
1,25
Tratamiento Térmico [Bs/Kg]
23,00
Pintura [Bs]
1,00
Empaquetado
0,50
Costo Cuchilla [Bs]
28,32
Número de Cuchillas
7.006
El fabricante Ferrasa ofrece un acero más económico que Anil Special Steel, pero sin
tratamiento térmico, y presentado en bobinas. Muchos centros de troquelado no aceptan el
material en bobinas, ya que no tienen la máquina para aplanarla y cortarla para finalmente
ingresarla a la prensa troqueladora. En este caso se tendría que llevar la bobina a otro taller para
realizar el aplanado y cortado de la bobina, para luego llevarla al centro de troquelado. Los gastos
de transporte de esta operación hacen inviable esta opción. Necesariamente se debe conseguir un
centro de troquelado donde acepten el material en forma de bobinas.
57
Los gastos de aduana incluyen el almacenamiento, gastos administrativos, nacionalización,
transporte terrestre desde la frontera hasta el depósito de almacenamiento final, y gastos a
terceros. El código arancelario correspondiente a este tipo de acero es el siguiente:
7226.19.00 PRODUCTOS LAMINADOS PLANOS DE LOS DEMÁS ACEROS ALEADOS,
De Acero al Silicio llamado “magnético” (acero magnético al silicio).
Este código arancelario paga en la nacionalización una Tarifa Ad Valorem del 5%. Para el
cálculo del porcentaje de gastos de aduana, se tomaron los valores de la tabla 4.3, pero tomando
en cuenta que el cambio de la Tarifa Ad Valorem, y un flete más barato, ya que viene del país
vecino Colombia.
El transporte de 10 MT de acero desde el depósito de almacenamiento ubicado en Cagua,
Estado Aragua, hasta el centro de troquelado, Industrias Metalúrgicas Portela, C.A., ubicado en
Caracas, se estima en un valor de Bs. 24.000,00 ida y vuelta.
Industrias Metalúrgicas Portela, ubicada en Caracas, tiene la capacidad de recibir la bobina
de acero, montarla en una máquina para enderezarla e introducirla, progresivamente a medida que
se va desenrollando, directamente a la prensa troqueladora. Esta empresa engloba estas
operaciones en un solo costo, Bs. 8 por cuchilla fabricada (ver Apéndice 7).
El porcentaje de utilización es mayor trabajando el acero en bobinas que en láminas, ya que
en láminas se tienen dos puentes de 3 mm en ambos extremos de cada lámina, y en la bobina se
tiene en los extremos de la bobina. Se ahorran 3 mm de material por lámina.
El costo final de cada cuchilla toma en consideración el costo del troquel, con una vida útil
para fabricar 240.000 unidades, según el fabricante del troquel, antes de su respectivo
mantenimiento. El troquel dura más si se utiliza cortando un metal más suave.
58
El acero TEB15B26 es entregado por el fabricante en estado recocido, y con una dureza muy
baja para la aplicación que se le quiere dar. Es necesario aplicarle un tratamiento térmico al acero
después del troquelado. El tratamiento adecuado para las cuchillas sería un templado, para elevar
la dureza, seguido de un revenido, para aliviar las tensiones y esfuerzos generados durante el
templado. El costo de estas operaciones está alrededor de los Bs. 23,00 por kg, es decir, a cada
cinco cuchillas.
Una cuchilla de desmalezadora del fabricante BBT, de Taiwan, hecha en acero al carbono
tipo corbatín de 30 cm de largo y 1,8 mm de espesor, tiene un precio de venta de USD 2,55;
precio Exwork. La cuchilla taiwanesa y la fabricada en Venezuela se deben comparar en igualdad
de condiciones, es decir, se debe calcular el precio de la cuchilla taiwanesa puesta en Venezuela.
Calculando los gastos de importación, esto incluye flete, seguro, nacionalización, almacenaje en
aduana, gastos administrativos de aduana y gastos a terceros, por lo general están alrededor del
30% del valor de la cuchilla, importando el producto en contenedor completo y no en carga
consolidada, lo cual aumenta el porcentaje de gastos de importación. El valor del dólar está
regulado en Bs. 4,3 por USD. Para un mayorista en Venezuela, el costo de la cuchilla taiwanesa
puesta en Venezuela equivale a:
Precio Exwork x % gastos importación x 4,3 Bs./USD
Esto da como resultado un costo de Bs. 14,25, lo que le cuesta a un mayorista el traer una
cuchilla importada, sin tomar en cuenta los gastos fijos, que pueden variar dependiendo de la
empresa mayorista. A este costo, se le tiene que aumentar un porcentaje de ganancia.
4.2. Elemento de Corte Flexible
A continuación se presentan los resultados y el análisis para el estudio de factibilidad de
fabricación del elemento de corte flexible.
59
4.2.1. Fabricación y Evaluación del Elemento Prototipo
En la primera prueba de ensayo, las condiciones de operación de la extrusora fueron:
-
Ensayo 1:
Condiciones de operación:
Temperaturas
Zona 1 (alimentación): 220 ºC
Zona 2: 250 ºC
Zona 3: 270 ºC
Zona 4: 280 ºC
Zona 5: 300 ºC
Velocidad: 100 rpm
Presión a la salida: 50 bar
Con estas condiciones de operación se hacía muy difícil controlar el diámetro del filamento.
Se obtenía un diámetro muy pequeño. El nylon salía del dado a una temperatura muy alta con
viscosidad muy baja y por acción de la gravedad se estiraba en un filamento muy delgado antes
de entrar al baño de enfriamiento. El filamento salía con gran cantidad de impurezas y partículas
negras que contenía el extrusor desde antes del ensayo.
-
Ensayo 2:
Condiciones de operación:
Temperaturas
Zona 1 (alimentación): 191 ºC
Zona 2: 224 ºC
Zona 3: 258 ºC
Zona 4: 273 ºC
Zona 5: 279 ºC
60
Velocidad: 80 rpm
Presión a la salida: 50 bar
Con estas condiciones se controlaba mejor el filamento a la salida del extrusor. Por acción de
la gravedad, el filamento reducía su grosor hasta cierto valor antes de entrar al baño de
enfriamiento, pero era un diámetro aceptable. A la salida del baño de enfriamiento, el filamento
entraba a un halador, compuesto por dos rodillos conectados a un motor eléctrico que, según la
velocidad de giro seleccionada, halaba el filamento de nylon controladamente. El filamento salía
del dado con menos cantidad de impurezas, comparándolo al filamento obtenido en el ensayo 1.
El baño de enfriamiento no estaba diseñado especialmente para este tipo de aplicación. La
distancia que había desde el dado de la extrusora hasta el agua del baño de enfriamiento era muy
grande, por lo que el material extruido caía por gravedad en estado líquido por mucho tiempo
permitiendo una fluctuación en el diámetro del filamento obtenido. Otro factor importante es que
el extrusor no tenía criba ni placa trituradora. Colocando una criba a la salida del extrusor se
tendría mayor control del diámetro obtenido, con menos impurezas.
4.2.2. Evaluación del Elemento Comercial
Para tener una referencia de la calidad del prototipo, el elemento de corte flexible obtenido
por extrusión en el Laboratorio E, Sección Polímeros de la Universidad Simón Bolívar, se
comparó con otro elemento de corte flexible que se consigue normalmente en el mercado, un
nylon comercial. Haciendo un cuadro comparativo entre el nylon comercial y el prototipo, como
se muestra en la tabla 4.6., con la ayuda de resultados obtenidos en los laboratorios de Enka,
Colombia, en el ensayo de caracterización, se observa lo siguiente:
La extrusora utilizada para la elaboración del prototipo contenía impurezas sólidas de alguna
extrusión anterior, y al momento de utilizar la extrusora con el nylon 6 del prototipo, estas se
incrustaron al material. Los primeros metros de prototipo extruidos salían con abundante
impurezas, a diferencia de los últimos metros que el contenido de impurezas era mucho menor. El
prototipo extruido se hizo únicamente con nylon 6, no se le añadió ningún aditivo para
61
proporcionarle color u otras propiedades. Por eso es que se obtuvo un elemento de corte de color
blanco traslucido de nylon natural.
Tabla 4.6. Propiedades del nylon de referencia y el nylon ensayado.
Cable
Nylon Comercial
Nylon Prototipo
Color
Rojo
Blanco
Sección
Circular
Circular
Diámetro irregular con impurezas
Apariencia visual
Buena
negras de otro polímero
Calibre, mm
2,06
2,01( irregular)
Viscosidad relativa
3,38
3,07
Extractables en metanol,% 2,9
Tipo de nylon
1,7
6
6
La viscosidad relativa obtenida en el prototipo fue de 3,07, menor que la viscosidad relativa
de la materia prima utilizada para su fabricación. Esto puede deberse a la humedad absorbida por
el nylon 6 durante el almacenaje y el proceso de extrusión, por un mal secado del material y/o por
la contaminación con las impurezas que tenía el extrusor previamente de realizar los ensayos.
Es necesario comparar las propiedades mecánicas del prototipo obtenido con las del nylon
comercial. En la tabla 4.7 se muestra el promedio del esfuerzo de ruptura obtenido a partir de tres
ensayos de tracción de ambos filamentos.
Tabla 4.7. Esfuerzos de fluencia y de ruptura del nylon comercial y del prototipo.
Nylon
Comercial
Prototipo
Color
Rojo
Blanco
Esfuerzo Fluencia
-
34 ± 2 MPa
Esfuerzo Ruptura
127 ± 7 MPa
39 ± 7 MPa
62
Al aplicar una fuerza de tracción sobre el nylon prototipo, se observa que hay una
deformación elástica inicial antes de la deformación plástica. Durante la deformación elástica, las
fibras se van orientando en la dirección de deformación, proporcionando mayor resistencia al
filamento. Luego del límite de la deformación elástica, se necesita un esfuerzo mayor para
romper el filamento.
Para mejorar la resistencia a la tracción se puede agregar agentes de nucleación, que además
mejora las propiedades de cristalización, aumenta la resistencia al impacto y le da más brillo y
mejor apariencia visual al filamento.
Al prototipo obtenido en los ensayos no se le hizo la prueba de impacto de la Norma ANSI
B175.3 ya que no poseía las propiedades mecánicas adecuadas para presentarlo como producto
final. Se podía deformar aplicándole una fuerza de tracción con las manos, lo que no ocurría con
el nylon comercial.
4.2.3. Análisis Económico
En cuanto a la fabricación del elemento de corte flexible, el fabricante italiano Arnetoli Motor
S.R.L. ofrece el carrete de 3,3 mm cuadrado de 6 lb (2,7 kg) en USD 24,38, precio CIF, ya como
producto terminado, listo para su venta. EL proveedor colombiano de poliamida 6, Enka de
Colombia, S.A., ofrece el kilogramo de materia prima en USD 3,84. El código arancelario del
elemento de corte flexible es el 3916.90.00 (Monofilamentos cuya mayor dimensión del corte
transversal sea superior a 1 mm, barras, varillas y perfiles, incluso trabajados en la superficie pero
sin otra labor, de plástico) el cual paga un 15% de nacionalización. La poliamida 6 en gránulos,
cuyo código arancelario es el 3908.10.10 (Poliamidas en formas primarias, Poliamida 6) también
paga un 15% de nacionalización. El costo del carrete de nylon italiano del fabricante Arnetoli
puesto en Venezuela, calculando unos gastos de importación de aproximadamente 30% (incluye
seguro, flete, nacionalización y gastos administrativos de aduana) al dólar actual de Bs. 4,3 por
USD, quedaría en Bs. 136 el carrete, lo que equivaldría a Bs. 50,5 por kilogramo del elemento de
corte flexible como producto terminado. El costo del kilogramo de materia prima de poliamida 6
puesto en Venezuela, calculando los gastos de importación en 30% (incluye seguro, flete,
63
nacionalización, gastos administrativos de aduana, transporte desde la aduana hasta el depósito de
almacenaje, gastos a terceros y almacenaje en aduana), es de Bs. 21,5, dejando un margen de
57,4% para los gastos de fabricación, como el pago a los operarios, el costo de la maquinaria, la
etiqueta de identificación, el embalaje para la presentación final del producto, y el margen de
ganancia.
Si se considera la posibilidad de adquirir la máquina extrusora para procesar la poliamida, el
costo de adquisición de la maquinaria a largo plazo sería despreciable. Suponiendo el precio de
una extrusora fabricada en China de USD 50.000,00, y aumentando Bs. 2,00 a los costos de
fabricación por kilogramo, y una capacidad de producción de 200 kg por día, se recuperaría la
inversión de la adquisición de la extrusora en dos años.
Los ensayos realizados con la poliamida obtenida de la empresa Enka demuestran que hay
que mejorar la resistencia a la tracción si se quiere comercializar el producto. Agregando agentes
de nucleación, se incrementa la resistencia al impacto y a la tracción, además de aumentar el
brillo a la superficie. EL talco es un agente de nucleación de bajo costo, que al mismo tiempo
actúa como material de relleno, disminuyendo los costos.
El proveedor nacional de nylon, HANSA C.A. no produce el nylon en el país, sino que lo
importa. El precio de venta es muy alto, Bs. 52 por kilogramo. Es más rentable importar la
materia prima de Colombia.
64
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Para que la cuchilla cumpla con la prueba de impacto, debe fabricarse con un acero que tenga
ductilidad para que, cuando impacte con una roca, acera, muro o cualquier otro obstáculo que
pueda interferir en la operación, no se rompa y se desprenda de la máquina pudiendo ocasionar
una lesión grave al operador. Además, debe tener dureza para tener buena resistencia al desgaste,
y para que no se deforme tan fácilmente cuando choque con algún obstáculo, como troncos
gruesos, que normalmente hay en las áreas donde se desmaleza. Debe existir un equilibrio entre
dureza y tenacidad. La cuchilla debe ser capaz de deformarse plásticamente cuando choque con
un objeto realmente duro, ya que es una forma de disipar la energía y evitar que esta se rompa.
El proceso de fabricación de cuchillas de desmalezadora más rentable, según el estudio
realizado en este proyecto, para fabricar una cantidad suficiente para suplir la demanda nacional,
es mediante troquelado de láminas de acero SAE 1055 laminado en frío, del fabricante Anil
Special Steel Industries Limited.
La cuchilla fabricada en Venezuela con acero SAE 1055 importado de la India, afilada,
pintada y con su etiqueta de identificación, tiene un costo de Bs. 14,44. El costo de una cuchilla
importada es de Bs. 14,25. Es factible y rentable fabricar la cuchilla de desmalezadora en
Venezuela, para su distribución y comercialización a nivel nacional.
Como recomendación, si se quiere fabricar la cuchilla en el país para su exportación y
comercialización en otros países, por lo menos en este estudio que se realizó en una primera
etapa, no es rentable, ya que el costo de fabricación nacional sería de Bs. 17,44 (4,06 USD precio
costo, sin ganancia), cuando el precio internacional de una cuchilla está alrededor de 2,55 USD.
Existen muchas variables involucradas donde se puede trabajar para reducir el costo de la
cuchilla, como lo es un proveedor de materia prima nacional, o en su defecto, un proveedor
miembro del MERCOSUR o ALADI, lo cual significa una reducción en el arancel de
nacionalización del material. La reducción en los gastos de transporte adquiriendo un vehículo
65
propio y la adquisición de la maquinaria necesaria para la fabricación también son maneras de
reducir costos.
El nylon 6 utilizado para fabricar el elemento de corte necesariamente se le debe agregar
agentes de nucleación, y luego de la extrusión del nylon, hay que dirigir las fibras aplicando
fuerzas de tracción, para mejorar las propiedades mecánicas del material. De esta manera se
mejoraría la apariencia física, las propiedades de cristalización, la resistencia a la tracción y al
impacto, y el elemento de corte funcionaría mejor para la aplicación que se le quiere dar, el cual
va a girar a 7.500 rpm aproximadamente recibiendo continuos golpes contra la grama y demás
objetos a cortar.
Se le debe colocar cribas y una placa trituradora a la salida del extrusor, para controlar mejor
el diámetro del filamento y para orientar las fibras.
El precio de un kilogramo de elemento de corte flexible importado en Venezuela es de Bs.
50,5. El precio de un kilogramo de materia prima en Venezuela es de Bs. 21,5, dejando un
margen de 57,4%, con respecto al precio de venta de la competencia, para gastos de fabricación y
utilidad. Se podría fabricar con materia prima importada de Colombia, adquiriendo una extrusora
propia, manteniendo un precio competitivo en el mercado.
66
BIBLIOGRAFÍA
1. AMERICAN NATIONAL STANDARDS, Norma ANSI B175.3-2003. For Outdoos
Equipment – Grass Trimmers and Brushcutters – Safety Requirements. New York, 2003.
2. http://ingemecanica.com/tutorialsemanal/tutorialn101.html, abril 2012.
3. http://usuarios.fceia.unr.edu.ar/~adruker/Clasificaci%F3n%20de%20aceros%20Mat%20y
%20Pro.pdf, mayo 2012.
4. http://books.google.co.ve/books?id=IhsKRVkzsAC&pg=PA794&lpg=PA794&dq=transformacion+eutectoide&source=bl&ots
=jD6M33t5Ic&sig=_-q3Jds7esThMgjhIez156009I&hl=es&sa=X&ei=fQRjUPuyOajr0gGD6IDoCA&ved=0CCAQ6AEwAA#v=onepa
ge&q=transformacion%20eutectoide&f=false, julio 2012.
5. BAWA, H.S.. Procesos de Manufactura. Traducción: Jaime Espinosa Limón. 1a ed.
México: Mc Graw Hill, 2007. 597 p.
6. HARPER, Charles A. Manual de Plásticos, Volumen 1. Traducido de MODERN
PLASTICS por María del Consuelo Hidalgo Mondragón. 1a ed. México: Mc Graw Hill,
2000.
7. HARPER, Charles A. Manual de Plásticos, Volumen 2. Traducido de MODERN
PLASTICS por María del Consuelo Hidalgo Mondragón. 1a ed. México: Mc Graw Hill,
2000.
8. MORTON – JONES, D.H.. Procesamiento de Plásticos. Traducción: Osvaldo Silva Luna.
1a ed. México: Limusa, S.A., 2006. 302 p.
9. http://www.anilspecialsteel.com/index.htm , enero 2012.
67
APÉNDICE 1
68
69
APÉNDICE 2
70
71
72
APÉNDICE 3
73
74
APÉNDICE 4
75
76
77
78
79
APÉNDICE 5
80
81
82
83
APÉNDICE 6
84
85
86
87
APÉNDICE 7
88
89
APÉNDICE 8
90
91
APÉNDICE 9
92
INDUSTRIAS
METALUGICAS
PORTELA C.A.
Nª 65
HACIENDA LOS BAES CALLE PRINCIPAL CON CALLE JULIO BAEZ GALPON INDUSTRIAS METALURGICAS
PORTELA
CARACAS ADJUNTAS MACARAO CP 1000 [email protected]
PAGINA Web: http://www.actiweb.es/victorportela/
29 de enero de 2012
Ing. Miguel Varela
CORPORACION CASA Y JARDIN
Estimado/a: Miguel Varela
Ha solicitado información sobre los precios de nuestra compañía. A continuación aparece nuestro
presupuesto referente al servicio troquelado asesoría y asistencia técnica y supervisión de
trabajos de tratamiento térmico realizados por la empresa ferrun de 5000 piezas para encofrado
metálico denominadas cuchillas para desmalezadora medidas 2mm espesor x 300mm diseño
según muestra suministrada
PART
DESCRIPCION
Cuchillas para desmalezadora
UD
und
CANT
5000
PRECIO UN
TOTAL BSF
8
40000
TOTAL 40000
Cuarenta mil ESTE MONTO NO INCLUYE IMPUESTO A LAS VENTAS
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Condiciones de pago: 50% de adelanto mas orden de compra y 50% a la entrega y aceptación
definitiva
El presupuesto tiene una validez de quince días así como también esta sujeto a variaciones del
mercado como devaluaciones y otras variantes que podrán ser facturadas adicionalmente
Gararantia: de noventa días contra cualquier defecto de funcionamiento producto de defectos de
fabricación
Post garantía: la empresa garantiza el asesoramiento técnico y servicio técnico por un lapso de
dos años
Gracias por darnos la oportunidad de ofrecerle este presupuesto. Como siempre, es un placer para
nosotros hacer negocios con ustedes. Esperamos hacer realidad este pedido para su completa
satisfacción.
Atentamente,
Víctor Manuel Coelho Portela
gerente de operaciones
P.D.
Si desea discutir alguno de los elementos de este presupuesto o si necesita alguna otra
información, no dude en llamarme personalmente al número 02124337608 04129759774
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