8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

ANÁLISIS POR COMPUTADORA DE UN SISTEMA MECÁNICO PARA LA DOSIFICACIÓN DE LÍQUIDOS Ojeda-Escoto P. A.*, López-Parra M.**, Ramírez-Reivich A. C., Borja-Ramírez V, González-Villela V. J. * Centro de Diseño Mecánico e Innovación Tecnológica, Facultad de Ingeniería, UNAM. Laboratorios Ing. Alberto Camacho Sánchez, Anexo Fac. de Ingeniería. Del. Coyoacán C.P. 04510. Cd. Universitaria, México, D.F. ** Unidad de Desarrollo Tecnológico Querétaro, UNAM Campus Juriquilla. Edificio CFATA. C.P. 76230, Juriquilla Querétaro, Qro. México. * [email protected] ** [email protected]

RESUMEN Es frecuente que se acerquen al Centro de Diseño Mecánico e Innovación Tecnológica de la Facultad de Ingeniería de la UNAM (CDMIT), empresas que se dedican a la manufactura de productos líquidos como son bebidas, shampoo, jabones, aceites y jarabes, exponiendo problemas relacionados con la alimentación, dosificación y llenado de envases. Ésta situación a llevado a la realización del diseño y manufactura de máquinas para el llenado y empaque de distintos productos líquidos. El presente artículo reporta la especificación inicial del diseño de una máquina automática llenadora de ampolletas y el análisis por computadora del primer concepto de cabezal dosificador de fluido (análisis dinámico de fluidos). Como parte de la etapa de diseño conceptual del cabezal dosificador, se presenta también el resultado de la investigación realizada acerca de los principios mecánicos de llenado que son comúnmente utilizados en las máquinas de producción. Se reporta también la metodología utilizada para el desarrollo de la presente investigación y los resultados preeliminares obtenidos del análisis dinámico de fluidos.

PALABRAS CLAVE: Diseño, sistema de llenado, metodología, análisis dinámico de fluidos.

INTRODUCCIÓN

El Centro de Diseño Mecánico e Innovación Tecnológica de la Facultad de Ingeniería de la UNAM (CDMIT), ha realizado proyectos de investigación, desarrollo y construcción de máquinas automáticas para diversas aplicaciones industriales donde difunde y promueve innovaciones de diseño que contribuyen al desarrollo tecnológico nacional. En el proceso de todos estos trabajos se desarrollan especificaciones de diseño que satisfacen necesidades de la industria establecida en el país y que siempre juegan un papel fundamental a todo lo largo del proyecto. Para que el diseño de una máquina tenga éxito las especificaciones deberán cubrirse siempre en su totalidad, tal y como se firma en los convenios de desarrollo. Empresas dedicadas a la manufactura de productos líquidos, tales como bebidas, shampoo, jabones, aceites, entre otros, constantemente presentan problemas relacionados con la alimentación, dosificación y llenado de envases. Dicha situación a dado como resultado el diseño y manufactura de máquinas de alimentación y llenado de productos líquidos. DISEÑO Y MANUFACTURA DE MÁQUINAS DE ALIMENTACIÓN Y LLENADO DE PRODUCTOS LÍQUIDOS En los últimos años el CDMIT ha tenido vinculación con la industria para trabajar en conjunto en proyectos para el desarrollo de máquinas de llenado de líquidos. En todos y cada unos de ellos se han alcanzado con éxito los objetivos planteados. A continuación se presentan dichas máquinas de alimentación y llenado exponiendo sus principales características y funciones. Máquina Llenadora Selladora (FSM) La Fig. 1 muestra la configuración general de la máquina que se está desarrollando actualmente. El equipo está integrado por el sistema de llenado (20), calentamiento (18) y sellado (8). La transmisión mecánica está integrada por las partes siguientes: eje de tracción (7), sinfín corona (6), dos estrellas grandes (10, 17) y una estrella chica (14) que conducen ampolletas y transmisión gusano (13). La alimentación de las ampolletas de PVC al área de llenado se lleva a cabo por medio de un alimentador de tornillo con paso variable (tipo gusano) (16). El gusano introduce ampolletas, una a una, a razón de 120 frascos por minuto.

Fig. 1: Ensamble general de la FSM. La estrella dosificadora que se encuentra al final del gusano se encarga de direccionar a las ampolletas hacia el cabezal (revolver) de llenado (4). El revolver está compuesto de 24 inyectores. Cada inyector llena una ampolleta, al finalizar el proceso de alimentación los recipientes son trasladados hacia el revolver de sellado (8). El proceso de sellado se logra mediante el uso de aire a alta temperatura y 12 dados mecánicos de sellado. La máquina también cuenta con un transportador (5) para el manejo final y salida de las ampolletas. Un sistema central dentro de lo que es el proceso de producción es el diseño del cabezal de llenado. Este sistema esta formado por un tanque de alimentación de líquido y por un revolver donde están colocadas 24 boquillas y 24 inyectores (Fig. 2a ). El funcionamiento de dicho sistema es el siguiente: el líquido es succionado del tanque de alimentación por medio de la boquilla (Fig. 1b). Una vez que el volumen a inyectar esta contenido en la unidad de bombeo, se dirige hacia el inyector (Fig. 1c); el cual, a su vez, dosifica el líquido a la ampolleta. Estos pasos se repiten en cada una de las 24 boquillas.

a)

b)

c)

Fig. 2: Sistema de llenado. a) Revolver de llenado, b) Boquilla, c) Inyector.

PRINCIPIOS MECÁNICOS DE LLENADO Es importante, en primera instancia, tener conocimientos previos relacionados con la investigación y su entorno. Posteriormente, sobre la base de tal conocimiento y de los hechos observados, se requiere formar conceptos o, en su caso, identificarlos tomando así un esquema conceptual asociado con el problema. Para la realización se este trabajo se hizo una búsqueda y análisis de información en lo que se refiere a los principios mecánicos de llenado de líquidos que son comúnmente utilizados en las máquinas de producción. Dentro de esta investigación realizada se procedió a establecer una organización de los principios de llenado de acuerdo al criterio de diseño (Fig. 3). Existen en el mercado otros principios de llenado, por ejemplo la inducción de vibraciones mecánicas en una boquilla que permite la dosificación precisa de volúmenes controlados de líquidos. La Fig. 4 ilustra un dosificador robotizado de dos ejes que utiliza dicho principio.

Fig. 3: Principios de llenado.

Fig. 4: Dosificador de dos ejes con boquilla que funciona a base de vibración mecánica.

METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN El desarrollo de toda investigación consiste en extraer la información mediante el seguimiento de una metodología, de la arquitectura propia del dispositivo en cuestión y del detalle procedimental del mismo para poder entenderlo. Es importante mencionar la metodología que se necesita para poder plantear el problema de una investigación; esto es, para formular o plantear un problema se requiere de un previo análisis del conocimiento en torno a su naturaleza, esto es, haber considerado los hechos y conceptos importantes o relevantes en función de los cuales es posible definir en forma sintética el problema en cuestión. Diseñar es establecer y definir soluciones y estructuras pertinentes, para problemas que no han sido resueltos antes ó soluciones nuevas planteadas en forma diferente para problemas que previamente ya han sido resueltos. El diseño es parte ciencia y es parte arte. La parte científica del diseño puede ser aprendida a través de las diferentes filosofías, metodologías y herramientas que existen y que tratan de sistematizar dicha tarea. Sin embargo, la parte de arte del proceso de diseño, hoy en día, no puede ser enseñada sistemáticamente. Por lo tanto, muchos diseñadores plantean que la única forma de aprender la parte artística del diseño, es diseñando. Los modelos de diseño son representaciones estructuradas de estrategias que pretenden mostrar cómo es el proceso de diseño y cómo puede ser desarrollado. Los modelos de diseño más recurridos para la sistematización de una investigación son los citados por: Ullman, Pahl & Beitz, French y Ulrich & Eppinger. Depende de cada diseñador o grupo de ellos la elección del más adecuado. Cabe mencionar también que muchas veces se requiere para beneficios del avance de una investigación el que se sigan metodologías propuestas en base a las mencionadas anteriormente. La Fig. 5 presenta la metodología propuesta para el desarrollo del presente trabajo.

Fig. 5: Metodología de Investigación.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Condiciones de frontera y fenómeno físico a analizar en FEA. A partir del modelo tridimensional CAD en formato IGS1 del sistema de inyección (aguja-ampolleta-medio de transporte) se realizó la discretización en elementos finitos con ayuda del software ALGOR®. El tipo de fenómeno físico a ser simulado en esta primera etapa es el de flujo de fluidos en estado estacionario. El tamaño de la malla fue propuesto de 0.8 mm debido a las relaciones dimensionales existentes entre los componentes. El número de elementos generados con esta densidad de malla fueron 26559 y con un total de nodos 85095 (véase Fig. 6).

Validación del modelo Una vez discretizado el modelo se procedió a realizar análisis estáticos para evaluar cualitativamente el modelo y así poder seguir adelante en el análisis dinámico. En la Fig. 7 se presentan dos casos de resultados de análisis estático (seleccionados de un grupo de ellos) aplicado al modelo de inyección motivo de estudio. Para el caso 1 mostrado en la Fig. 7 se aplico una fuerza de desplazamiento en la dirección X. Se hicieron las siguientes consideraciones: 1) el material de la aguja es Stainless Steel (AISI 302) Coll-Rolled y de la ampolleta Plastic HDPE (Injection Molded), 2) se restringen los grados de libertad tanto de rotación como de traslación para las tres componentes en la base de la ampolleta y en el extremo superior de la aguja, 3) se aplico una fuerza unitaria de 1N en la componente X tanto a la boquilla de la ampolleta como al extremo inferior de la aguja. Para el caso 2 (Fig. 7b) se aplico una fuerza de compresión en la dirección –Z. Las consideraciones para este modelo fueron: 1) el material de la aguja es Stainless Steel (AISI 302) Coll-Rolled y de la ampolleta Plastic HDPE (Injection Molded), 2) se restringen los grados de libertad tanto de rotación como de traslación para las tres componentes en el cuerpo de la aguja y en la base de la ampolleta, 3) se aplico una fuerza unitaria de -1N a la boquilla de la ampolleta.

Fig. 6: Modelo discretizado en ALGOR.

1

Del inglés: Initial Graphics Exchange Specification.

Para ambos casos, se muestran los resultados derivados del análisis. Cabe mencionar que estos resultados no son relevantes, esto es, lo que se buscó con estos análisis fue que el modelo respondiera a las solicitaciones aplicadas y teóricamente (evaluación cualitativa) se determinó que el modelo es apto para seguir a la fase del análisis dinámico. Puesto que es una evaluación cualitativa y las fuerzas aplicadas se consideran unitarias, entonces se concluye que los resultados son correctos. El modelo actual que se está analizando será acoplado al fenómeno físico para su futura optimización.

7a)

7b) Fig. 7: Resultados de análisis estáticos para validación del modelo.

Modelo Dinámico Preeliminar El tipo de análisis que se propone para empezar el estudio es “flujo de fluidos estacionario”. Este análisis tiene la característica principal de que la velocidad del fluido en un punto es constante con el tiempo. El flujo presenta las siguientes características: a) viscoso, b) estacionario, c) incompresible. El fluido que se está utilizando es fermodyl con tres diferentes formulaciones que ya han sido caracterizados. Las condiciones de frontera que se le asignaron al modelo son las siguientes (Fig. 8): 1) Se restringen los grados de libertad tanto de rotación como de traslación para las tres componentes en el modelo. 2) En la parte superior del modelo se le asignó la condición de “toma del exterior”, esto es, el flujo se simula que inicia su recorrido en esta parte y que viene del exterior. 3) La velocidad fija asignada es de 5 mm/s. 4) La parte inferior del modelo se considero como salida. Discusión y trabajo futuro El análisis antes descrito forma parte de la primera fase de la investigación, esto es, el modelo se está caracterizando, o mejor dicho, se están determinando los atributos particulares del modelo y la información necesaria para poder asignar las condiciones de frontera bajo las cuales trabajara dicho modelo. Una vez que se tenga completa esta información se propondrá un sistema de ecuaciones diferenciales para los elementos finitos del flujo de fluidos. Durante el avance en las distintas fases del análisis, se irán evaluando las diferentes configuraciones que se tienen de cada una de las partes del modelo. Se estarán cambiando los valores de las variables para ir afinando las simulaciones y así encontrar aquellas que se comporten como el fenómeno físico real. En cuanto se tenga la simulación corroborada con la real se podrá entonces optimizar el fenómeno virtualmente y se obtendrán los parámetros necesarios de diseño para aplicarlo a la máquina de producción que actualmente se está desarrollando y así mismo a máquinas de similares condiciones.

Fig. 8: Resultado de análisis dinámicos preeliminares.

CONCLUSIONES Los avances en análisis computacionales y de tecnología permiten a los ingenieros e investigadores contar con eficaces herramientas de diagnóstico y simulación que facilitan, en un momento dado, el diseñó, rediseño u optimización de un sistema mecánico. La simulación de un sistema mecánico requiere seguir ciertas etapas, mediante las cuales se añade información del modelo, parámetros del problema, condiciones de frontera y del sistema en general, análisis de resultados, entre otras. Dichas etapas se encuentran dentro de las fases que sigue un análisis FEA que son: Pre-procesamiento, Procesamiento y Post-procesamiento. En este artículo se presentó de manera sistemática los resultados de la investigación realizada a los principios mecánicos de llenado que son comúnmente utilizados en máquinas de producción y se registraron también, los resultados preeliminares obtenidos del análisis dinámico de fluidos para optimización de diseño. Los resultados obtenidos hasta este momento se suman a las pruebas que se están realizando actualmente al inyector, como parte de la fase de validación. AGRADECIMIENTOS Los autores del presente artículo desean agradecer el apoyo técnico, económico y logístico de las siguientes organizaciones: Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de México, CONACYT (Programa AVANCE), Grupo COLOMER, Balvanera, Querétaro, Instituto de Astronomía de la UNAM, IDITEC, S. A. De C.V., UDETEQFacultad de Ingeniería UNAM, CDMIT-Centro de Diseño Mecánico e Innovación Tecnológica de la Facultad de Ingeniería UNAM. REFERENCIAS [1] Ullman, D. The Mechanical Design Process. Mc. Graw-Hill. 1993. [2] Evbuomwan, N., S. Sivaloganathan, et al. (1995). "A Survey of Design Philosophies, Models, Methods and Systems." Journal of Engineering Manufacture Part B: 301-320. [3] White, F. “Fluid Mechanics”. Mc. Graw-Hill. 1999. U.S.A. [4] White, F. “Viscous Fluid Flow”. Mc. Graw-Hill. Second Edition. 1974. [5] Tritton, D. J. “Physical Fluid Dynamics”. Clarendon Press, Oxford. Second Edition. 1988. [6] Giles, R., J. Evett, et al. “Theory and problems of Fluid Mechanics and Hydraulics”. 1993. New York, U.S.A. [7] Engineering Division, CRANE Co. Flow of fluids through valves, fittings and pipe. Mc. Graw-Hill. Chicago, Illinois, USA. 1995. [8] ALGOR 19.30.00 Finite Element Analysis and Event Simulation Software, USA, 2000-2006.