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Dise�o de una m�quina extrusora para la obtenci�n de agregados utilizando neum�ticos y botellas recicladas siguiendo la norma ASTM E11

 

Design of an extruder machine to obtain aggregates using tires and recycled bottles following the ASTM E11 standard

 

Projeto de uma m�quina extrusora para obten��o de agregados utilizando pneus e garrafas recicladas seguindo a norma ASTM E11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: fabian.bastidas@espoch.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de mayo de 2022 *Aceptado: 12 de junio de 2022 * Publicado: 12 de julio de 2022

 

 

1. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.
2. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.
3. Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.
4. Investigador Independiente, Ecuador.

Resumen

El objetivo de este proyecto fue dise�ar, simular y validar una m�quina extrusora para la obtenci�n de agregados a base de botellas pl�sticas y neum�ticos reciclados siguiendo la norma ASTM E11. Los componentes mec�nicos de la m�quina fueron calculados y dise�ados te�ricamente, para posterior ser dise�ados mediante SolidWorks, conjuntamente se realiz� an�lisis de esfuerzos y deformaciones con el software empleado para el dise�o y mediante ANSYS. La validaci�n se obtuvo gracias a los resultados arrojados por simulaci�n. Se ejecut� la simulaci�n est�tica para elementos como el husillo y la estructura, simulaci�n din�mica para determinar vibraciones en la estructura y analizar esfuerzos en el sistema de transmisi�n por engranes y simulaci�n t�rmica para analizar el comportamiento de la fuente de calor en el proceso de extrusi�n. Se concluye que el dise�o de la m�quina extrusora ofrece un correcto funcionamiento y es rentable construir y emplearla para la obtenci�n de agregados.

Palabras Clave: extrusi�n; husillos; m�quina extrusora; simulaci�n est�tica; despliegue de la funci�n de calidad (QFD).

 

Abstract

The objective of this project was to design, simulate and validate an extruder machine to obtain aggregates based on plastic bottles and recycled tires following the ASTM E11 standard. The mechanical components of the machine were calculated and designed theoretically, to later be designed using SolidWorks, jointly stress and strain analysis was performed with the software used for the design and through ANSYS. The validation was obtained thanks to the results obtained by simulation. Static simulation was performed for elements such as the screw and the structure, dynamic simulation to determine vibrations in the structure and analyze efforts in the gear transmission system, and thermal simulation to analyze the behavior of the heat source in the extrusion process. It is concluded that the design of the extruder machine offers a correct operation and it is profitable to build and use it to obtain aggregates.

Keywords: extrusion; spindles; extruder machine; static simulation; quality function deployment (QFD).

 

 

 

Resumo

O objetivo deste projeto foi projetar, simular e validar uma m�quina extrusora para obten��o de agregados � base de garrafas pl�sticas e pneus reciclados seguindo a norma ASTM E11. Os componentes mec�nicos da m�quina foram calculados e projetados teoricamente, para posteriormente serem projetados em SolidWorks, foi realizada an�lise conjunta de tens�es e deforma��es com o software utilizado para o projeto e atrav�s do ANSYS. A valida��o foi obtida gra�as aos resultados obtidos por simula��o. Simula��o est�tica foi realizada para elementos como parafuso e estrutura, simula��o din�mica para determinar vibra��es na estrutura e analisar esfor�os no sistema de transmiss�o de engrenagens e simula��o t�rmica para analisar o comportamento da fonte de calor no processo de extrus�o. Conclui-se que o projeto da m�quina extrusora oferece um funcionamento correto e � rent�vel constru�-la e utiliz�-la para obter agregados.

Palavras-chave: extrus�o; fusos; m�quina extrusora; simula��o est�tica; desdobramento da fun��o de qualidade (QFD).

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Introducci�n

La contaminaci�n es una problem�tica de gran impacto en la actualidad, se da por la inconciencia del ser humano al desechar la basura en las calles, r�os, etc. La consecuencia de esta se evidenciar� cuantiosamente a futuro, ya que al no poder manejar esta situaci�n dicha problem�tica aumentar�a. Se ve la necesidad de implementar maquinaria que sirva de aporte para la descomposici�n, para as� obtener agregados como materia prima y reutilizarlos en una gran variedad de aplicaciones como la elaboraci�n de materiales de construcci�n.

La extrusi�n trata de un proceso industrializado continuo, teniendo como objetivo forzar el material pl�stico al salir por una boquilla de conformado. Las funciones principales de estas m�quinas son: comprimir la materia prima y llevar hasta el punto de fusi�n el material, de esta manera poder extruirlos. Con este proceso se puede reutilizar los materiales reciclados y obtener materia prima para usos futuros.

La presente investigaci�n tiene como finalidad el dise�o de una m�quina extrusora, que consta de un solo husillo por ser el m�s adecuado para la extrusi�n del material pl�stico, el dise�o va de acuerdo a la necesidad, el material es de acero con propiedades mec�nicas aptas para este proceso y resistentes a trabajos a alta temperatura.

-Extrusi�n

De acuerdo con (Groover, 2007) la extrusi�n trata de un proceso de formado por medio de compresi�n, donde se forzar� al material, a pasar por un eje a diferente temperatura, hasta llegar a la salida del cilindro para dar la forma final del producto. Este procedimiento se lo ha usado por muchos a�os para extruir metales. Es un proceso sistem�tico para la obtenci�n de materiales. Este proceso no solo es utilizado para pl�sticos, tambi�n se los utiliza para otros tipos de productos.

-Extrusora de husillos

El husillo se encarga de llevar el material fundido y mezclado por el cilindro, aplicando presi�n hasta la boquilla de conformado. Los husillos son tornillos que sus di�metros, longitudes y dise�os var�an de acuerdo a la necesidad; por ende, existe configuraci�n de m�quinas con un husillo y doble husillo.

- An�lisis QFD

El despliegue de la funci�n de la casa de la calidad es un procedimiento utilizado para el dise�o de un producto o un servicio que abarca las demandas y las expectativas de los usuarios o clientes, transformando estos requerimientos en datos t�cnicos y operativos que sean satisfactorios y cumplan la demanda del mercado. Denominado matriz de la calidad, resultando una tabla que se relaciona con la voz de cliente y la voz del ingeniero permitiendo ser operativa a la voz del usuario. Esta matriz se caracteriza por ser cualitativo, debido a que obtuvo resultados estad�sticos. Es una herramienta muy utilizada en el dise�o de nuevos productos.

-Norma ASTM E11

La norma ASTM E11 es aplicado para realizar an�lisis granulom�trico de las part�culas, mediante pruebas de tamizado, la distribuci�n del tama�o de las part�culas permite la clasificaci�n del material y la adaptabilidad al dise�o propuesto. Utilizados para gran cantidad de pruebas en materiales de construcci�n (ASTM-SUBCOMMITTE-329.01, 2015).

-Pl�sticos

Los pl�sticos son pol�meros denominados polietileno tereflato o PET con propiedades deformativas, estos materiales est�n compuestos de pol�meros de origen natural. Tienen como elemento principal el carbono combinado con hidrogeno, oxigeno, nitr�geno y pol�meros artificiales modificados. Se las utiliza para obtener productos con una forma deseada, este proceso se lo realiza por medio de extrusi�n.

Estos se caracterizan por tener una excelente relaci�n resistencia-densidad, excelentes propiedades de aislante t�rmico y el�ctrico, alta resistencia a los �cidos y disolventes. Los resultados finales de estos son s�lidos, pero en el estado de proceso son fluidos por la acci�n de calor y presi�n (V�squez et al,� 2016).

-Neum�ticos

Los neum�ticos, elast�meros o cauchos son materiales pol�meros. Tienen una estructura el�stica porque en su composici�n qu�mica no se encuentra presente elementos met�licos, por ende, su nombre proviene del t�rmino �pol�mero el�stico� (Gomez et al, 2019).

Los neum�ticos resultan de una combinaci�n de varios cauchos que se utilizan para la elaboraci�n de estos, esto se realiza por el proceso de vulcanizaci�n (Meza, 2014).. Adem�s de caucho, un neum�tico est� compuesto por: rellenos reforzantes, fibras reforzantes, plastificantes, agentes vulcanizantes, acelerantes, retardantes entre otros (Castro, 2008).

 

M�todo

-        Despliegue de la funci�n de calidad

Figura 1. An�lisis QFD, m�quina extrusora

Mediante un motor el�ctrico se transmite la potencia del mismo a trav�s de un sistema de poleas y engranajes al eje, utilizando un solo husillo el cual va montado dentro de la camisa en posici�n horizontal, una tolva circular colocada verticalmente para el ingreso del material, el sistema de calentamiento mediante resistencias en forma de abrazaderas colocadas en 3 zonas que permitan una f�cil variaci�n de temperatura, la boquilla de extrusi�n de acuerdo al di�metro que se desee obtener.

-        Proceso

Seg�n (D�az, 2012) material previamente molido o triturado es puesto en una tolva, una vez que todas las variables est�n en su punto de funcionamiento, se realiza un precalentamiento de la m�quina y el PLC har� arrancar autom�ticamente al motor que, por medio de una caja reductora combinada de polea y sistema de transmisi�n, le proporcionara la velocidad y el par necesarios hacia el husillo, el cual gira dentro de un cilindro dotado de calor mediante resistencias el�ctricas. La salida del pl�stico se realiza a trav�s de la boquilla que le da al pl�stico y al caucho una determinada forma. Al salir de la boquilla, este perfil se puede enfriar o aplicarlo sin enfriar a otros procesos de moldeo.

 

Figura 2. Esquema de una m�quina extrusora.

-        Dise�o de la maquina extrusora

Al realizar los c�lculos de los componentes mec�nicos de la m�quina y el an�lisis de los elementos el�ctricos, se obtuvo los detalles de la m�quina.

 

Tabla 1. Componentes y caracter�sticas de la m�quina extrusora dise�ada.

 

Resultados

-        Husillo

Es la parte m�s importante de la maquina ya que es el encargado de transportar la materia prima desde la tolva hasta el cabezal de extrusi�n, siendo expuesto a diferentes ambientes de trabajo. A continuaci�n, se detalla las dimensiones de la geometr�a del husillo calculadas mediante las ecuaciones planteadas por (Savgorodny, 1978)

 

Tabla 2. Geometr�a del husillo.

-        Producci�n

Producci�n de extrusi�n de neum�ticos

�, densidad del caucho

 

Tabla 3. Propiedades del Caucho

 

Producci�n de extrusi�n de pl�stico

�, densidad del PET

 

Tabla 4. Propiedades del PET

 

Como resultados se tiene el dise�o de la m�quina extrusora, como tambi�n los resultados de deformaci�n, esfuerzos y an�lisis de las temperaturas de la resistencia y temperatura de trabajo de los materiales a extruir.

Figura 3. Dise�o de la m�quina extrusora

-        An�lisis del husillo

 

Tabla 5. Deformaci�n del husillo.

 

Tabla 6. Esfuerzo del husillo.

 

-        Estructura

Tabla 7. Comparaci�n de resultados del husillo.

 

-        An�lisis de vibraciones de la estructura.

Se obtuvo un desplazamiento m�ximo de 0.653 mm por vibraciones, que se encuentra en los laterales de la estructura que soporta el sistema de transmisi�n, este desplazamiento es m�nimo por ende no llega a afectar el funcionamiento del husillo, ni al soporte del cilindro extrusor.

-        Comportamiento del pl�stico.

 

Tabla 8. Comparaci�n de resultados de la temperatura de las resistencias

 

-        Comportamiento del caucho

 

Tabla 9. Comparaci�n de resultados de la temperatura de las resistencias

 

Discusi�n

A trav�s de la revisi�n bibliogr�fica se conoci� las caracter�sticas de la m�quina extrusora y se utiliz� estos datos como partida para el dise�o conceptual.

Se elabor� la matriz QFD para identificar las necesidades del cliente y poder solventarlas mediante una escala de satisfacci�n, analizando entre los aspectos positivos y negativos que se presentan. Logrando as� la calidad del dise�o del producto final.

Se dise�o el husillo con los par�metros adecuados para el proceso de extrusi�n; permitiendo que la m�quina extrusora trabaje con pl�sticos y neum�ticos. Los componentes dise�ados se validaron mediante de los softwares SolidWorks y ANSYS obteniendo como resultados una variaci�n muy peque�a entre los c�lculos y los datos arrojados por simulaci�n

Mediante las simulaciones a las que fueron sometidos los elementos de dise�o, se garantizan el correcto funcionamiento de la m�quina, obteniendo resultados �ptimos para el dise�o del mismo. El proceso de funcionamiento de la m�quina extrusora cumple con diversos par�metros en torno a su funci�n tales como, an�lisis t�rmico de conducci�n, convecci�n y radiaci�n para analizar el comportamiento de la temperatura de las resistencias; cilindro; husillo; y materia prima a extruir.

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Referencias

1. ASTM-SUBCOMMITTE-329.01. (2015). STM E11-15: Standard Specification for Woven Wire Test Sieve Cloth and Test Sieves. 1-9.
2. Castro, G. (2008). Materiales y comouestos para la industria del nuem�tico.
3. D�az, F. (2012). Conformado de materiales pl�sticos. M�xico: Universidad Nacional Aut�noma de M�xico.
4. Gomez, S.; Becerra, A.; Jare�o, E.; V�squez, J.;. (2019). Modelo fenomenol�givo de la viscosidad aparente en funci�n de grado de curado de un elast�mero EPDM. ResearchGate.
5. Groover, M. (2007). Fundamentos de manufactura moderna. M�xico: McGraw Hill.
6. Meza, I. (2014). Dise�o de una planta para la obtenci�n de carb�n activado. Quito: Escuela Polit�cnica Nacional.
7. Savgorodny, V. (1978). Transformaci�n de pl�sticos. Barcelona: Gustavo Gili S.A.
8. V�squez , A., Velasco, M., Beltr�n, M., & Espinoza, R. (2016). El reciclaje de los pl�sticos. ResearchGate, pp 1-12.

 

 

 

 

 

� 2022 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).