UNIVERSIDAD DEL VALLE DE GUATEMALA Facultad de Ingeniería Diseño mecánico del módulo peletizador para línea de reciclaje de botellas de tereftalato de polietileno Trabajo de graduación presentado por Yessika María Quintanilla Muñoz para optar al grado académico de Licenciada en Ingeniería Mecánica Industrial Guatemala 2024 UNIVERSIDAD DEL VALLE DE GUATEMALA Facultad de Ingeniería Diseño mecánico del módulo peletizador para línea de reciclaje de botellas de tereftalato de polietileno Trabajo de graduación presentado por Yessika María Quintanilla Muñoz para optar al grado académico de Licenciada en Ingeniería Mecánica Industrial Guatemala 2024 Índice Lista de figuras vi Lista de cuadros vii Resumen ix I. Introducción 1 II. Justificación 3 III.Objetivos 5 A. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 B. Objetivos específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 IV.Marco teórico 1 A. Tereftalato de polietileno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 B. Reciclaje mecánico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 C. Preparación del material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 D. Pellets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 E. Peletizadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1. Dado peletizador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2. Sistema de enfriamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3. Cámara de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4. Sistema de movimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 V. Metodología 11 A. Selección de sistema de peletización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 B. Requisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 C. Cálculos y resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1. Especificaciones de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2. Pellets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3. Dado peletizador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4. Baño de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 iii 5. Factor de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 6. Cámara de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 7. Selección del motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 8. Transmisión de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 9. Dimensionamiento de ejes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 10. Selección de chumaceras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 D. Simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 1. Tipo de análisis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2. Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3. Soportes, contactos y cargas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4. Mallado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5. Resultados de la simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 E. Cotización de materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 F. Equipo de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 1. Riesgos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2. Equipo de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 VI.Resultados 61 A. Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 B. Requisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 VII.Conclusiones 69 VIII.Recomendaciones 71 IX.Bibliografía 73 X. Anexos 77 A. Botón de emergencia y protección contra sobrecargas y cortocircuitos . . . . . 77 B. Manual de mantenimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 1. Dado peletizador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 2. Baño de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3. Intercambiador de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4. Bomba de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5. Cámara de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 6. Criba de captación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 7. Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 8. Bandas de transmisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 C. Planos de construcción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 iv Lista de figuras 1. Botellas PET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2. Extrusora de monohusillo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 3. Pellets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 4. Cámara de corte peletizadora de hebras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 5. Cámara de corte peletizadora bajo el agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 6. Dado peletizador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 7. Boquilla de dado peletizador, primera iteración . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 8. Base de dado peletizador, primera iteración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 9. Dado peletizador, primera iteración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 10. Boquilla de dado peletizador, segunda iteración . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 11. Base de dado peletizador, segunda iteración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 12. Dado peletizador, segunda iteración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 13. Baño de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 14. Baño de agua lleno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 15. Guía de hilos, primera iteración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 16. Guía de hilos, segunda iteración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 17. Esquema intercambiador agua-PET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 18. DCL cámara de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 19. DCL rodillo de alimentación superior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 20. Representación diente de tambor de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 21. Representación distancia c del diente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 22. DCL eje tambor de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 23. Análisis de momento alternante máximo del tambor de corte . . . . . . . . . . 44 24. DCL eje rodillo superior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 25. Análisis de momento alternante máximo del rodillo superior . . . . . . . . . . 45 26. DCL eje rodillo inferior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 27. Análisis de momento alternante máximo del rodillo inferior . . . . . . . . . . 46 28. Soporte fijo del dado peletizador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 29. Contacto bonded entre base y boquilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 30. Pressure en base de dado peletizador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 31. Pressure en boquilla de dado peletizador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 32. Mallado en ambas piezas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 v 33. Esfuerzo von Misses en base y boquilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 34. Factor de seguridad en base y boquilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 35. Deformación en base y boquilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 36. Cotización tambor de corte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 37. Módulo peletizador de PET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 38. Explosión módulo peletizador de PET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 39. Dado peletizador — Vista frontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 40. Baño de agua — Vista isométrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 41. Cámara de corte — Vista isométrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 42. Ejes de transmisión — Vista frontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 43. Tolva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 44. Rodillos de alimentación superior e inferior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 45. Esquema botón de emergencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 vi Lista de cuadros 1. Propiedades mecánicas y térmicas del tereftalato de polietileno a 23 °C . . . . 3 2. Matriz de ponderación de tipo de peletizadora . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3. Identificación de códigos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 4. Definición de requisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 5. Datos a utilizar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 6. Resultados de pernos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 7. Datos de la transferencia de calor por convección . . . . . . . . . . . . . . . . 27 8. Datos de la transferencia de calor por radiación . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 9. Factor de seguridad para distintos componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 10. Datos de tambor de corte Renda Blades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 11. Valores del rodillo superior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 12. Factores de modificación y propiedades D2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 13. Cálculo de bandas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 14. Poleas seleccionadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 15. Factores de modificación y propiedades de AISI 1045 CD . . . . . . . . . . . . 42 16. Factores de seguridad criterio ED-Goodman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 17. Vida nominal básica con confiabilidad de 90 % . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 18. Propiedades de AISI 304 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 19. Resultados y discusión de la simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 20. Cotización de materiales para peletizadora de hebras con enfriamiento posterior 57 21. Cotización de componentes para peletizadora de hebras con enfriamiento pos- terior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 22. Cotización total de materiales para peletizadora de hebras con enfriamiento posterior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 23. Listado de componentes de módulo peletizador de PET . . . . . . . . . . . . 63 24. Definición de requisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 vii Resumen El reciclaje mecánico del tereftalato de polietileno es un proceso que requiere de una línea de máquinas, entre ellas la peletizadora, por lo que se realizó el diseño teórico de los componentes presentes en esta máquina. Se determinó que los componentes principales son el dado peletizador, el baño de agua y la cámara de corte, se determinó que el dado peletizador requiere de 25 agujeros y se utiliza acero inoxidable AISI 304, se obtuvo un factor de seguridad de 2.43 con una simulación realizada en ANSYS®. En el baño de agua se requiere un intercambiador de calor con potencia mínima de 10,882 W y una bomba de agua de 0.5 hp con el fin de mantener el agua a 25°C, para la estructura de este se utiliza AISI 304 con recubrimiento de pvc. El tambor de corte se cotizó con Renda Blades y cuenta con 24 dientes y ángulo de inclinación de cuchillas de 15° y de cizalla de 2°, se obtuvo un factor de seguridad para esfuerzo fluctuante de 4.20. Se utilizan tres ejes de transmisión y se utiliza AISI 1045 CD, para el tambor de corte se obtuvo un factor de seguridad de 132.2, para el rodillo superior de 5.686 y para el rodillo inferior de 2.592. Se recomienda a futuros diseñadores buscar otros proveedores para el tambor de corte y realizar simulaciones de elementos finitos para verificar la resistencia de todos los componentes. ix CAPÍTULO I Introducción En un mundo cada vez más consciente del impacto ambiental, el reciclaje se convierte en una acción fundamental para la sostenibilidad. En este contexto, el tereftalato de polieti- leno (PET), comúnmente utilizado en botellas y envases, representa un desafío importante debido a su amplia presencia en residuos. Por ello se realiza el diseño mecánico del módulo peletizador para una línea de reciclaje de botellas de PET, considerado un componente cla- ve que transforma estas botellas en pellets, facilitando su reutilización en la fabricación de nuevos productos. El objetivo de este trabajo de graduación es desarrollar un módulo peletizador eficiente y funcional dentro de una línea de reciclaje integral de botellas de PET. Esto implica un proceso de diseño completo, que abarca desde la investigación de tecnologías existentes hasta la selección de materiales. Se busca crear una solución que no solo cumpla con los estándares de calidad necesarios para la reutilización de los pellets, sino que también contribuya a la promoción de la economía circular y la reducción del impacto ambiental asociado al plástico PET. Se espera que este proyecto no solo sea una herramienta práctica para empresas e insti- tuciones interesadas en implementar procesos de reciclaje eficientes, sino que también sea un paso hacia adelante en el desarrollo de soluciones innovadoras para el manejo responsable de los residuos plásticos, ayudando así a construir un futuro más sostenible. 1 CAPÍTULO II Justificación Las botellas de plástico tipo PET se han hecho famosas a través de los años debido a su bajo costo de producción, precio de venta y propiedades que les permiten almacenar líquidos de forma segura. Estas ventajas han logrado que este tipo de envase sustituya a otros tipos, como los fabricados con vidrio. Sin embargo, cuando estos no son desechados correctamente en centros de reciclaje, por lo general terminan en ríos, mares y océanos, contaminando y generando gases de efecto invernadero. A largo plazo, el desecho incorrecto, puede generar microplásticos en cuerpos de agua y aumento de la temperatura terrestre. En Guatemala, el reciclaje de botellas PET, aún no es conocido por toda la población, y no existen centros de reciclaje al alcance de todos. De los residuos plásticos presentes en los océanos, el 80 % es por el desecho incorrecto y el otro 20 % es arrojado por embarcaciones (Barrera, 2019). La playa “El Quetzalito” ubicada al norte del país, es una playa protegida por sus manglares y arrecifes de corales; en una investigación realizada por Roberto Meigi- kos dos Anjos, investigador de la Universidad Federal Fluminense (Brasil), se encontraron microplásticos menores a 5 mm en esta playa, un 66.8 % de estos eran PET (SciDev.net, 2020). La importancia de evitar que este tipo de plástico siga esparciéndose y causando estragos para el medio ambiente, es realmente importante. Para ello, se debe llevar a centros de acopio y posteriormente de reciclaje, para poder darle un segundo uso y evitar que llegue a cuerpos de agua. El proceso de reciclaje consta de varias etapas, entre ellas está la peletizadora, que se encarga darle forma de pellets al plástico extruido, para facilitar y mejorar el moldeo final del mismo. Se propone realizar el diseño del módulo peletizador de plástico PET como parte de una línea de reciclaje que pueda utilizarse en municipalidades de Guatemala, para promover el reciclaje de estas y el cuidado del medio ambiente y de las personas. El diseño de este está limitado por el tamaño de la línea de reciclaje, el tamaño de pellets que debe de entregar, la capacidad de peletización por hora del módulo y los requisitos de seguridad para operarios, así como especificar el menor costo de materiales posible. Delimitando el alcance del proyecto, se concluye que es una forma viable para controlar la cantidad de plástico que llega a lugares no deseados como ríos, mares u océanos. 3 CAPÍTULO III Objetivos A. Objetivo general Realizar el diseño mecánico del módulo peletizador de PET dentro del montaje de una línea de reciclaje con capacidad de 150 kg/h. B. Objetivos específicos Realizar un diseño que permita el funcionamiento del módulo peletizador en conjunto con la extrusora en un proceso lineal de producción. Establecer dimensiones y seleccionar componentes estándar del módulo peletizador de acuerdo a la producción esperada de la línea de reciclaje. Determinar el costo de materiales. Crear los manuales de ensamble y mantenimiento de los componentes del módulo peletizador. 5 CAPÍTULO IV Marco teórico A. Tereftalato de polietileno El tereftalato de polietileno mejor conocido como PET, es un polímero a base de petró- leo, este no se descompone rápidamente en el ambiente. Este tipo de plástico se ha vuelto inevitable en la vida diaria. Sin embargo, el uso y desecho inadecuado de este ha tenido importantes implicaciones ambientales y en el bienestar humano. El PET es uno de los pro- ductos plásticos más consumidos, debido a sus excelentes propiedades como la transparencia, peso ligero, barreras contra el gas y el agua, resistencia al impacto, resistencia al desgaste, resistencia a los rayos UV y dureza; este se encuentra presente en la mayoría de alimentos líquidos envasados, y estos envases están destinados a un solo uso y desecho inmediato (Ben- yathiar et al., 2022). Sus características, lo convierten en una materia prima versátil en el mundo de los polímeros, su uso principal es para fabricar botellas para bebidas. Según datos extraídos de Euromonitor International (Londres, Inglaterra), en la indus- tria de bebidas, la botella PET representa un 67 % del mercado del agua pura, refrescos carbonatados, bebidas energéticas, té y café. Las botellas individuales menores a un litro, representaron 44.7 % en Estados Unidos en el 2021; en comparación con las latas de aluminio que representaron 39 %, el vidrio el 11 % y el polietileno de alta densidad (HDPE) el 3.4 % (Forrest, 2016). En el 2015, los desechos plásticos globales generados fueron aproximadamente 141 mi- llones de toneladas (Benyathiar et al., 2022). Los residuos de empaque que son enterrados en vertederos, todavía pueden contribuir a la contaminación del aire, el agua y el suelo. La filtración de plástico en vertederos, consume el espacio disponible de estos; el porcentaje de plástico en vertederos es mayor en volumen que en peso. La incineración de envases plásticos evita el consumo de espacio en vertederos y genera energía, sin embargo, esto crea emisio- nes de gases de efecto invernadero y contaminación del aire. El reciclaje del PET conserva combustibles fósiles, reduce uso de energía y salva espacio de vertederos, lo que resulta en reducción de emisión de gases de efecto invernadero. 1 La temperatura y el tiempo de exposición al calor son parámetros que deben controlarse en el reprocesamiento del PET, para optimizar las propiedades mecánicas del material. No hacerlo puede resultar en degradación o falta de rendimiento del material. Al tener menos tiempo de procesamiento, el tereftalato de polietileno reciclado (rPET) presenta mejores propiedades de flexión e impacto (Ning et al., 2020). Los dueños de marcas reconocidas a nivel mundial, se interesan en la utilización de rPET para hacer una diferencia en sus marcas a nivel ambiental y económico (Elamri et al., 2017). Contar con buenos programas de recolección, reutilización y reciclaje de botellas PET, es importante para evitar un mal uso y reducir el impacto ambiental que estas generan. Las dificultades en la recolección, mezcla de botellas de PET con otros materiales y las modifi- caciones para procesarlo con polímeros vírgenes, son razones por las que el reciclaje de estas no es implementado de manera generalizada. Se han creado normas y reglamentos en países desarrollados para desechar correctamente estas botellas; sin embargo, estas regulaciones no están presentes en todos los países en vías de desarrollo. Contaminantes comunes de botellas PET: Policloruro de vinilo (PVC) Películas de plástico, bolsas Artículos no plásticos como vidrio, papel y silicón Suciedad, etiquetas sueltas, caucho, adhesivos Partes metálicas como clavos, tornillos o tuercas Contaminantes por colorantes Acetaldehído Aplicaciones para botellas PET recicladas Cinturones, mantas, tarjetas de negocios, botellas de bebida Piezas de automóviles como parachoques y paneles exteriores, alfombras, cartones de huevo Tejido de poliéster para tapicería, playeras, suéteres, ropa deportiva y zapatos (Gopalakrishna & Reddy, 2018) 2 Figura 1: Botellas PET Fuente: Adaptado de the Food Tech, 2017. (https://thefoodtech.com/insumos-para- empaque/panorama-de-la-botellas-pet-en-el-mercado-de-alimentos/) Cuadro 1: Propiedades mecánicas y térmicas del tereftalato de polietileno a 23 °C Propiedad Valor/rango Unidad Punto de fusión 1 255 °C Densidad 1 1.38 g/cm3 Calor específico 1 1250 J/kg -K Conductividad térmica 1 0.21 W/mK Resistencia mínima a la tensión 1 60-85.5 MPa Módulo de Young 1 2.80-3.17 GPa Resistencia al corte 3 55 MPa Viscosidad intrínseca 2 0.0775 Pa-s Peso molecular 2 192 g/mol 1 («Polyethylene Terephthalate (PET)», s.f.) 2 (Elamri et al., 2017) 3 («PET (Thermoplastic Polyester) - Poly-Tech Industrial», 2011) B. Reciclaje mecánico El reciclaje mecánico utiliza procesos mecánicos para convertir el plástico en una nueva forma que pueda volver a utilizarse. Fue comercializado por primera vez en 1970 y el método involucra la remoción de contaminantes del desperdicio PET y lo re-procesa en flakes y por medio de fundición lo transforma en pellets. En algunos casos, los plásticos reciclados mecánicamente no pueden convertirse en el mismo producto debido a que su calidad se deteriora en cada ciclo de procesamiento. Es importante establecer normas con los clientes para determinar qué tipo de plástico reciclado es el que necesitan. El peso molecular del PET reciclado decrece debido a reacciones en cadena causadas por la presencia de agua y trazos de impurezas ácidas (Benyathiar et al., 2022). 3 El PET, como la mayoría de polímeros, se degrada a lo largo de su vida debido a varios factores como la temperatura, radiación ultravioleta, oxígeno, ozono y estrés mecánico, lo que da como resultado alteración de propiedades en comparación con el PET virgen. El reciclaje mecánico puede realizarse en dos formas: la primera implica que el PET se convierte en forma de pellets, para combinarse con PET virgen y manufacturar nuevos productos de rPET. La segunda involucra el uso de los pellets para manufacturar productos que no sean de grado alimenticio, como textiles (Langer, 2020). El reciclaje de materiales plásticos tiene un mejor desempeño cuando se utilizan desechos que tienen pequeñas cantidades de contaminación en el polímero homogéneo. Cuando se tiene mezcla de plásticos, estos se clasifican en un tanque de flotación, donde se separan debido a diferencias de densidad. La forma más fácil de separar los residuos de PET, es por medio de la flotación en agua, esto resulta en dos fracciones: una fracción ligera que flota en el agua, el polipropileno y el polietileno, y una fracción pesada PET y PVC. Para la separación de PET y PVC se utiliza un método manual que aprovecha la diferencia entre las propiedades físicas y químicas de estos polímeros (Langer, 2020). C. Preparación del material El material que se utiliza en este caso es el tereftalato de polietileno, y los criterios que se deben tener en cuenta respecto al material que ingresa a la peletizadora son los siguientes: 1. Equipo de seguridad: La seguridad de los trabajadores debe ser de suma importancia, ellos deben de tener guantes al manejar el material, y son necesarios guantes resistentes al calor para manejar el plástico al salir de la peletizadora, Los tapones de oído también son necesarios en las áreas donde el ruido sea muy alto. Al alimentar el material a la máquina, se deben de utilizar lentes para proteger los ojos. El uso de cubrebocas en áreas de limpieza y re-procesamiento del plástico, el uso de botas de punta de acero es recomendable durante todo el proceso (Costa-Smith et al., 2017). 2. Recolección del desperdicio plástico: Los desperdicios de plástico se recolectan a través de basureros recolectores específicos de PET de la municipalidad, o donación de centros de acopio y separación de desperdicios, ya sea privados o municipales. Se espera que en el material entregado, se encuentren otro tipo de materiales distintos al plástico (Chandara et al., 2015). 3. Clasificación: Luego de reunir el plástico y llevarlo a la planta de reciclaje, se debe clasificar. Esta clasificación se realiza con base en las propiedades físicas y químicas del plástico. Para lograr una calidad aceptable, es importante separar distintos tipos de plásticos unos de otros, porque la diferencia en sus puntos de fusión y otras propiedades fundamentales (resistencia química y térmica) significa que son incompatibles. El primer paso es separar metales, madera u otros materiales del plástico; al tener solamente plástico, se debe clasificar de forma manual los plásticos PET, los trabaja- dores pueden hacerlo revisando el código de tipo de plástico (1), conociendo la textura o apariencia. Si se desea hacer de forma mecánica, se utiliza un imán para separar los metales, y diferencia de pesos, soplando aire al plástico restante, o mediante diferencia 4 de densidades (flotación, viento o hidrociclón) en un espacio con agua. Es importante la separación de distintos plásticos, para mantener la pureza del PET, y así su calidad (Chandara et al., 2015). 4. Limpieza: el valor del plástico reciclado recae sobre la pureza de este. Pequeñas partí- culas de polvo pueden reducir drásticamente la calidad del producto final. Mantener un ambiente limpio es importante en el proceso, se debe evitar el ingreso de polvo y de arena a la planta (Chandara et al., 2015). 5. Trituración: Luego de ser limpiado, se envía a la trituradora para poder hacer flakes, utilizando un cilindro de corte, la máquina se alimenta de forma manual. El tamaño de esta depende de cuánto plástico debe triturarse. Esta etapa es crucial para minimizar bolsas de aire al momento de la fusión (Chandara et al., 2015). 6. Lavado: En el proceso de creación de pellets, es necesario que los flakes obtenidos en el proceso de trituración, sean nuevamente lavados; estos pueden estar contaminados con suciedad, grasa, aceite y polvo se requiere usar detergentes y agua para eliminar los contaminantes (Chandara et al., 2015). 7. Secado: Esta parte del proceso puede ser de forma manual o mecánica. Con la forma manual, el plástico se extiende bajo el sol, volteándolo regularmente para asegurar un secado completo. Para la forma mecánica se utiliza un secador térmico a cierta temperatura para secar los flakes (Chandara et al., 2015). 8. Dehumidificación: Los flakes de plástico que se reciben, se procesan deshumedecién- dolos a 120°C por 5 horas, sirve para remover humedad del plástico, ya que esta crea pellets de calidad inconsistente. La temperatura a 120°C es para no romper las cade- nas poliméricas dentro del material, más temperatura podría significar menos tiempo de deshumidificación pero degradaría las propiedades del material. El contenido de humedad no debe exceder 0.005 % (Cumbajin & Vásquez, 2013). 9. Extrusión: Por medio de una tolva, los flakes se envían a un barril de extrusión a 255°C (temperatura de fusión del PET, Cuadro 1) en donde se derriten y se extruyen a través de una parrilla fina para eliminar cualquier impureza que se haya colado. La extrusora se incorpora con un tornillo giratorio simple o doble en el barril de calentamiento. Cuando los flakes se derriten en este barril, se expulsan a través de un cilindro mediante la rotación de un tornillo (Cumbajin & Vásquez, 2013). Los flakes derretidos salen como hebras calientes unificadas a través de un dado peletizador y entran directamente a la cámara de agua para ser cortadas en forma de pellets mediante un cilindro de corte. En la Figura37 se presenta el ejemplo de una extrusora de filamento o hebra monohusillo. 5 Figura 2: Extrusora de monohusillo Fuente: (https://www.seguas.com/refrigeracion-en-el-proceso-de-extrusion-de-plastico/) D. Pellets Los pellets como se muestra en la Figura3 son pequeñas porciones de material aglomerado o comprimido, son el resultado de la fundición de flakes de tereftalato de polietileno, su extrusión en hebras y el corte de estas mediante una peletizadora. Figura 3: Pellets Fuente: («Startup Nyltec Polymers Makes PET Pellets to Replace Nylon 6», 2019) Se prefiere la producción de pellets en lugar de dejar el PET triturado porque los pellets tienen una mayor densidad, ocupan menos espacio de almacenamiento y transporte. Tienen una mayor homogeneidad, es decir, son más uniformes en tamaño y forma, esto ayuda a garantizar una consistencia en la calidad del producto final. Son más fáciles de manejar y alimentar en procesos de fabricación, tienden a fluir más fácilmente a través de las máquinas. Generan menos polvo, lo que reduce el nivel de contaminación en el ambiente de trabajo. La producción de estos permite un mejor control en los procesos de fabricación, y se obtiene una mejor calidad del producto final (Lionetto et al., 2021). Se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, como su re-proceso mezclándose con plástico virgen para fabricación de nuevos productos de plástico como botellas, frascos y otros envases para productos alimenticios, bebidas, cosméticos, productos de cuidado personal y limpieza. También se utilizan para la fabricación de fibras y telas para ropa, tapicería, alfombras y otros productos textiles. Pueden utilizarse también en películas para envolver 6 alimentos u otro tipo de películas plásticas, para fabricación de componentes electrónicos como conectores o carcasas de dispositivos, en la fabricación de piezas automotrices y en la fabricación de aislamientos térmicos y acústicos (Lionetto et al., 2021). E. Peletizadora La peletización es el proceso de cortar las hebras calientes de plástico derretido, mediante un tambor de corte con cuchillas en ángulo, para obtener cilindros de plástico compactado y limpio (Sepe, 2011). Existen varios tipos de peletizadoras, entre los más comúnes se encuentran: De hebras con enfriamiento posterior: Utilizan un cilindro de corte para cortar las hebras de plástico, son más adecuadas para aplicaciones de rendimiento bajo a medio, pueden producir pellets de varios tamaños y formas (Lin, 2022). Ventajas: - Producción continua, mayor eficiencia. - Enfriamiento rápido ayuda a evitar la degradación del material. - Produce pellets de alta calidad con tamaño y forma consistentes al tener la con- figuración correcta. - Fácil de operar y de costo relativamente bajo. - Bajo consumo de energía y menor generación de polvo. Desventajas: - Capacidad de rendimiento limitada en comparación con otros tipos. - Requiere la atención del operador para la producción continua de pellets. - Puede producir pellets de calidad inconsistente si no se configuracorrectamente. - Requiere de mayor espacio para alojar los equipos. Figura 4: Cámara de corte peletizadora de hebras Fuente: («Pelletizer - an overview | ScienceDirect Topics», s.f.) 7 Corte directo bajo el agua: Utilizan un baño de agua para enfriar y solidificar el plástico fundido a medida que se extruye a través del dado peletizador. Son ideales para el PET ya que es un material sensible al calor, pueden producir pellets de alta calidad. Son adecuados para aplicaciones de alto rendimiento pero pueden ser más costosos que otro tipo de peletizadoras (Lin, 2022). Ventajas: - Minimiza la degradación térmica y reduce la generación de polvo. - Alta capacidad de rendimiento y puede producir pellets de alta calidad. - Reduce la necesidad de equipos de refrigeración adicionales. Desventajas: - Es costoso por su complejo diseño y requiere equipo adicional, como cámara de agua y sistema de secado. - Requiere de un proceso de secado más riguroso. - Requiere más mantenimiento y experiencia para operar en comparación con otros tipos. - Tienen mayores costos de operación en consumo de agua y energía. Figura 5: Cámara de corte peletizadora bajo el agua Fuente: («CUCHILLAS DE Erema pelletizer blade - 46x24/13x1 mm - Underwater pelletizing knife - INTAREMA TVE Inoxidable», s.f.) 1. Dado peletizador El dado peletizador se encuentra en la salida de la extrusora; es un elemento que cuenta con agujeros barridos, en él se extruye el plástico derretido y sale a través de los agujeros en forma de hebras calientes. El perfil interno debe facilitar el flujo de material hacia la salida del dado, el material fluye del cilindro de extrusión al dado peletizador. La sección transversal del dado se diseña para proporcionar el flujo del material a velocidad constante. 8 De este sistema salen las hebras de PET como se observa en la Figura6. Dentro del dado se almacena el material que sale del husillo provocando presión que impulsa a salir por los orificios de este, se enfrían al entrar en el baño de agua en donde se transportan, se secan y posteriormente son cortados (Cumbajin & Vásquez, 2013). El número de agujeros depende de varios factores, como el diámetro del husillo, el número de revoluciones del motor y la capacidad de peletización que se necesite. Figura 6: Dado peletizador Fuente: («Strand Die - Trendelkamp», s.f.) 2. Sistema de enfriamiento Este sistema es esencial para garantizar la calidad de los pellets producidos y evitar su degradación debida al calor. El enfriamiento por agua es un método que implica sumergir los hilos extruidos en un tanque de agua fría para reducir rápidamente la temperatura del material para garantizar que los pellets tengan la forma y el tamaño adecuados. Este método permite un enfriamiento a una alta velocidad de forma controlada. El sistema de enfriamiento se compone de un baño de agua y un sistema de circulación de agua. Baño de agua En este, los hilos extruidos se sumergen y enfrían rápidamente. La temperatura del agua y la velocidad de circulación deben de controlarse para garantizar que el enfria- miento sea uniforme. Sistema de circulación de agua Se utiliza para mantener una temperatua adecuada en el baño de agua, este consta de una bomba y tuberías. La bomba es responsable de la circulación del agua a través de las tuberías diseñadas para resistir la corrosión del agua. Es importante mantener una velocidad de agua adecuada, ya que si esta es muy baja, los hilos pueden no enfriarse correctamente, y si es muy alta, se puede aumentar la turbulencia del agua y provocar que los hilos se rompan o deformen. 9 3. Cámara de corte Tambor de corte: este es el encargado de cortar los hilos extruidos en pellets. El mate- rial debe ser resistente y duradero para soportar la abrasión y el desgaste constante, entre los más comúnes y fáciles de conseguir en Guatemala, se encuentran los aceros de herramienta. Las cuchillas del tambor de corte deben ser afiladas regularmente pa- ra mantener una calidad de corte consistente y así reducir el desgaste excesivo. Su mantenimiento regular es importante para prolongar su vida útil y garantizar una operación segura y eficiente de la peletizadora; este mantenimiento consta de limpieza regular, afilado e inspección visual para detectar signos de desgaste o daño (Rodríguez et al., 2011). El ángulo de la cuchilla afecta la fuerza de corte necesaria y la calidad de los pellets producidos, un ángulo más agudo reduce la fuerza de corte necesaria, pero puede producir pellets con bordes irregulares o astillas. Un ángulo más obtuso aumenta la fuerza de corte necesaria pero produce pellets con bordes más suaves y limpios (Machinery, s.f.). Rodillo de alimentación superior: se encarga de alimentar o guiar a los hilos hacia el cilindro de corte, también se le conoce como rodillo de alimentación de arrastre y se le da movimiento por medio del motor. Este debe girar en sentido opuesto al tambor de corte y del rodillo inferior para ayudar a agarrar y mover los hilos. Está hecho de un material con alta resistencia al desgaste y tiene una superficie rugosa para garantizar una sujeción adecuada. Rodillo de alimentación inferior: es el que sostiene los hilos extruidos y ayuda a su movimiento, su función es mantener la tensión adecuada de los hilos para asegurar una alimentación uniforme. 4. Sistema de movimiento a. Motor El motor es el componente responsable de suministrar la energía necesaria para produ- cir el movimiento de los hilos extruidos hacia la cámara de corte. Se utilizan motores de corriente alterna para impulsar la transmisión, con frecuencia de 60 Hz y voltaje entre 110 y 120 V (Cumbajin & Vásquez, 2013). b. Transmisión de potencia La transmisión de potencia por correas y poleas se utiliza comúnmente en peletizado- ras, este método implica el uso de una correa que se ajusta alrededor de una polea en el eje del motor y a otra polea en el eje del cilindro de corte. La potencia se transfiere de la polea del motor a la polea de la peletizadora a través de fricción. Para seleccionar las correas y poleas se deben considerar la potencia requerida, la velocidad del motor, la relación de transmisión, la distancia entre ejes y la carga de trabajo. Se debe asegurar que la correa se tense adecuadamente para evitar deslizamientos, estas requieren de mantenimiento periódico para asegurar que la transmisión sea eficiente. (Cumbajin & Vásquez, 2013). 10 CAPÍTULO V Metodología Para el diseño mecánico del módulo peletizador de tereftalato de polietileno, se realizó una investigación previa sobre diseño de módulos similares, con el fin de tomar ideas de diseño y de cálculos para garantizar la fiabilidad del módulo. Se encontró que existen distintos tipos de peletizadoras, en este trabajo se analizaron las ventajas y desventadas de dos tipos, de hebras con enfriamiento posterior y de corte directo bajo el agua, se determinó la más adecuada para la aplicación en una municipalidad de Guatemala, mediante una matriz de ponderación. Para comenzar el diseño de la peletizadora, se definieron los requisitos fundamentales de diseño, funcionamiento, seguridad y mantenimiento con el fin de guiarse de estos en el diseño y tener el mejor diseño posible. Se determinó cuáles son los componentes esenciales que forman a una peletizadora: dado peletizador, baño de agua, intercambiador de calor, tambor de corte, rodillos de alimentación superior e inferior, motor, bandas de transmisión de potencia, ejes, rodamientos y criba de captación con su tolva correspondiente. El diseño, cálculos y materiales necesarios para cada componente se presentan en esta sección. Se realizó una cotización de los materiales y de componentes buscando mantener provee- dores nacionales con medidas que se acoplen a las dimensiones de las piezas. De igual forma se realizó un manual de ensamble y de mantenimiento de estos componentes. Se determinó que el componente clave de la peletizadora es el dado peletizador, y se le realizó un análisis de elementos finitos mediante el software ANSYS. 11 A. Selección de sistema de peletización De acuerdo con lo planteado en el marco teórico, existen distintos métodos de peletización de PET, entre ellos se encuentra la peletización de hebras con enfriamiento posterior y peletización de corte directo bajo el agua. Para poder seleccionar de forma adecuada el sistema de peletización que mejor se acople a los requisitos, se presenta una matriz de ponderación. Los criterios a evaluar son los siguientes: costo, mantenimiento, facilidad de operación y capacitación, calidad del pellet. Cada criterio tiene una ponderación de 25 puntos. Una nota de 25 puntos significa que ese tipo de peletizadora es la que mejor satisface el criterio, mientras que una nota de 0 puntos, significa que ese tipo de peletizadora es la que menos satisface el criterio. Cada nota se asigna según lo descrito en las ventajas y desventajas de cada peletizadora en el marco teórico. Cuadro 2: Matriz de ponderación de tipo de peletizadora Costo Mantenimiento Facilidad de Calidad Total operación y capacitación De hebras 25 25 25 0 75 Bajo el agua 0 0 0 25 25 Se observa que la peletizadora de hebras con enfriamiento posterior obtuvo una nota de 75 puntos, mientras que la peletizadora de corte directo bajo el agua obtuvo una nota de 25 puntos. Por lo que se selecciona un diseño de peletizadora de hebras. B. Requisitos Cuadro 3: Identificación de códigos Código Significado F Funcionamiento S Seguridad P Pellets M Mantenimiento C Componentes electromecánicos 12 Cuadro 4: Definición de requisitos Código Requisito F01 La capacidad de la peletizadora debe de ser de al menos 150 kg/h. F02 El módulo debe funcionar con la supervisión de solo un operario. F03 El módulo debe contar con una criba de captación de pellets. S01 Utilizar guardas de seguridad para evitar contacto físico con partes móviles. S02 El sistema eléctrico no debe estar expuesto al operario. S03 El módulo debe contar con un botón de emergencia para interrumpir el proceso en cualquier momento. S04 Se debe identificar el equipo de seguridad personal necesario para manipular el módulo. P01 Diámetro de pellets debe estar entre 3 y 5 mm. P02 El largo de los pellets debe estar entre 4 y 6 mm. M01 El diseño debe permitir fácil acceso a los componentes. C01 El dado peletizador debe ser capaz de acoplarse a la salida de la extrusora. C02 El dado peletizador debe contar con la cantidad suficiente de agujeros para cumplir con la capacidad de peletización del módulo. C03 Los materiales de componentes a maquinar deben conseguirse localmente. C04 La temperatura del agua debe poder mantenerse a 25°C. C05 El tamaño del baño de agua debe garantizar el acomodamiento de los hilos extruidos para ser enfriados. C06 El baño de agua debe ser rectangular para facilitar el mantenimiento. C07 La guía de hilos debe ser capaz de guiar la cantidad de hilos extruidos de forma continua y sin interferencias. C08 El motor debe ser capaz de girar a una velocidad que permita lograr la capacidad de peletización deseada. C09 El motor debe tener sistemas de protección contra sobrecargas y cortocircuitos. C. Cálculos y resultados 1. Especificaciones de diseño En la etapa de diseño se consideran algunos datos que serán de utilidad para guiar el proceso de diseño, estos se observan en el Cuadro5. 13 El flujo másico, es la capacidad de peletización que debe de tener la peletizadora y este valor está dado por la capacidad de la línea de reciclaje; el diámetro y largo de pellet, son datos que se asumieron basándose en parámetros utilizados en la industria para este tipo de producto. La densidad del pellet, se asume basándose en datos de densidad del tereftalato de polietileno. La velocidad de producción o lineal se asume basándose en valores típicos de peletizadoras con la misma capacidad de producción. Se tiene el dato de la densidad del agua a 25°C, ya que esta temperatura se considera ambiente, se incluye también la gravedad. Cuadro 5: Datos a utilizar Dato Valor Unidad Flujo másico 150 kg/hr 42 g/s Fiámetro pellet 3 mm Largo pellet 5 mm Densidad pellet 1.38 g/cm3 0.00138 g/mm3 Velocidad de producción 170 mm/s Densidad del agua @25°C 997 kg/m3 Gravedad 9.81 m/s2 2. Pellets Los pellets son el producto que se desea entregar, por esta razón es importante definir algunas variables referentes a este producto. Estos se asumen en forma de cilindros perfec- tos. A continuación, se presenta el cálculo del volumen de un pellet, esto considerando el diámetro y largo definidos en el Cuadro5. v = π ∗ r2 ∗ l v = π ∗ 1 4 ∗ (3mm)2 ∗ 5 mm v = 35.34 mm3 (1) Donde: v = volumen pellet r = radio pellet l = largo pellet Se desea conocer la masa de un pellet, para este se utiliza la densidad definida en el Cuadro5, y el volumen definido en la ecuación 1. 14 m = ρ ∗ v m = 0.00138 g/mm3 ∗ 35.34 mm3 m = 0.0488 g (2) Donde: m = masa pellet ρ = densidad pellet v = volumen pellet Se calcula el flujo volumétrico del plástico que se mueve a través de la peletizadora, utilizando el flujo másico descrito en el Cuadro5, y la masa que se calcula con la ecuación 2. v̇ = ṁ ρ v̇ = 42 g/s 1.38 g/cm3 v̇ = 30.19 cm3/s (3) Donde: v̇ = flujo volumétrico ρ = densidad pellet ṁ = flujo másico 3. Dado peletizador El dado peletizador es la unión entre la extrusora y el sistema de peletizado. En este elemento es importante realizar una serie de cálculos para determinar propiedades y com- probar si el material elegido, cumple con los valores que el dado requiere para garantizar su funcionamiento. Como primer paso, se calcula el área de cada agujero del dado peletizador, utilizando el diámetro de cada pellet definido en el Cuadro5. aagujero = π ∗ 1 4 ∗ (d)2 aagujero = π ∗ 1 4 ∗ (3mm)2 aagujero = 7.069 mm2 (4) Donde: aagujero = área de un agujero 15 d = diámetro de un pellet Se realiza una primera iteración de diseño. Se inicia con la boquilla del dado peletizador, en esta se encuentran los agujeros por donde saldrán los hilos extruidos como muestra la Figura7. Figura 7: Boquilla de dado peletizador, primera iteración Fuente: Captura de pantalla de Autodesk Inventor La boquilla se encuentra atornillada a una base que es la conexión con la extrusora. Se utiliza un total de 16 pernos para asegurar que la presión del plástico saliendo, no vencerá a los pernos. Cuenta con un agujero rectangular para que el flujo de plástico pueda fluir sin interferencias como se muestra en la Figura8. Figura 8: Base de dado peletizador, primera iteración Fuente: Captura de pantalla de Autodesk Inventor En la Figura9 se observa el diseño unificado del dado peletizador. Figura 9: Dado peletizador, primera iteración Fuente: Captura de pantalla de Autodesk Inventor 16 Se realizó una segunda iteración considerando la capacidad de peletización según el Cua- dro5. Para calcular el número de agujeros necesarios, se utilizan dos ecuaciones provenientes del flujo volumétrico, y se realiza una igualación de las variables como se muestra a conti- nuación: v̇ = ṁ ρ (5) v̇ = vA (6) En donde ṁ es el flujo másico, ρ es la densidad del PET y v es la velocidad lineal o de producción de la peletizadora; estos datos se encuentran descritos en el Cuadro5, A es el área total de los agujeros del dado peletizador, este puede descomponerse en aagujero * n, en donde n es el número de agujeros que debería de tener el dado peletizador. Al igualar ambas ecuaciones se obtiene: ṁ ρ = v ∗ aagujero ∗ n (7) Se desea conocer el número de agujeros, por lo que se despeja esta variable y se sustituyen los valores correspondientes para determinar lo que estamos buscando, es decir, el número de agujeros. n = ṁ ρ ∗ v ∗ aagujero n = 42 g/s 0.00138 g/mm3 ∗ 170 mm/s ∗ 7.069 mm2 n = 25 agujeros (8) En la Figura10, se observa el nuevo diseño de la boquilla del dado peletizador, la cantidad de agujeros para extruir el PET, coincide con el cálculo anterior. Se tienen cinco agujeros para ser atornillada a la base del dado para tener soporte, se consideran medidas estándar de acero inoxidable disponibles en Guatemala para el ancho y alto . Figura 10: Boquilla de dado peletizador, segunda iteración Fuente: Captura de pantalla de Autodesk Inventor 17 En esta segunda iteración, se realizaron cambios en la base del dado peletizador, como se observa en la Figura11, ahora se tiene un diseño circular para que la fuerza sea distribuida uniformemente alrededor de la circunferencia de la base, además, en un diseño cuadrado se concentran las fuerzas en las esquinas, lo que puede conducir a una falla. Figura 11: Base de dado peletizador, segunda iteración Fuente: Captura de pantalla de Autodesk Inventor En la Figura12 se observa el diseño unificado del dado peletizador para la segunda iteración. 18 Figura 12: Dado peletizador, segunda iteración Fuente: Captura de pantalla de Autodesk Inventor Para determinar que los pernos que sujetan la base del dado peletizador a la salida de la extrusora, y los que sujetan la boquilla a la base del dado son suficientes para soportar la presión ejercida por el plástico pasando a través de ellos, se utiliza el concepto de uniones a tensión estática, en donde se busca calcular el factor de seguridad contra la fluencia estática. Los pernos son M12 de paso grueso 1.75 mm. Para iniciar el cálculo se debe determinar la precarga, se utiliza la ecuación Fi = 0.75 ∗ Fp (9) Donde: Fi = precarga Fp = factor carga de prueba El factor carga de prueba se obtiene mediante la ecuación Fp = At ∗ Sp (10) Donde: At = área transversal de esfuerzo de tensión del perno 19 Sp = resistencia de prueba mínima El área transversal de esfuerzo de tensión del perno At se obtiene de la Tabla 8-1 de Shigley en la columna serie de paso grueso y fila M12 (Budynas & Nisbett, 2008) un valor de 84.3 mm2. La resistencia de prueba mínima Sp se obtiene de la Tabla 8-11 clase 5.8 (Budynas & Nisbett, 2008) un valor de 380 MPa. Conociendo estos valores se calcula el factor carga de prueba Fp mediante la ecuación 10, y se obtiene un valor de 32,034 N, conociendo este factor se calcula la precarga Fi mediante la ecuación 9, y se obtiene un valor de 24,025.5 N. Este valor indica la precarga que debe darse a cada perno, y se busca encontrar el valor del torque que esta precarga representa, y se hace mediante la ecuación T = K ∗ Fi ∗ d (11) Donde: T = torque necesario para el perno K = coeficiente de torque d = diámetro nominal El coeficiente del torque se obtiene de la tabla 8-15 con condición de galvanizado (Budy- nas & Nisbett, 2008), un valor de 0.2. El diámetro nominal es de 12 mm, conociendo estos valores se calcula el torque mediante la ecuación 11 y se obtiene un valor de 57.66 Nm. La carga resultante en el perno se obtiene mediante la ecuación Fb = C ∗ P + Fi (12) Donde: Fb = carga resultante en el perno C = constante de rigidez de la unión P = carga externa de tensión La constante de rigidez de la unión (perno y elementos) se obtiene mediante la ecuación C = kb kb + km (13) Donde: kb = constante de rigidez del perno km = constante de rigidez de los elementos sujetados Para obtener la constante de rigidez del perno se utiliza la ecuación: 20 kb = Ad ∗At ∗ E Ad ∗ lt +At ∗ ld (14) Donde Ad es el área del diámetro mayor del sujetador que se determina como el área del diámetro nominal (12 mm) y tiene un valor de 113.10 mm2, At es el área de esfuerzo sometida a tensión que se determinó anteriormente, E es el módulo de elasticidad del acero y se obtiene de la Tabla 8-8 (Budynas & Nisbett, 2008) un valor de 207 GPa. lt es la longitud de la parte roscada de agarre, al tener un largo nominal de 100 mm, esta longitud se determina como 2 ∗ d + 6 (Budynas & Nisbett, 2008) y se obtiene un valor de 30 mm. ld es la longitud de la parte sin rosca en agarre y se obtiene restando el largo nominal con lt y se obtiene un valor de 70 mm. Al tener 30 mm de rosca y 70 mm de parte lisa, no existiría apriete, por lo que se opta por usar una rosca corrida cuya constante de rigidez se calcula de la siguiente forma: kt = At ∗ E lt (15) Conociendo todos los términos se obtiene kb = 229.00 MN/m. La constante de rigidez de los elementos sujetados se obtiene con la siguiente ecuación: km = 0.5774πEd 2 ln 5(0.5774l+0.5d 0.5774l+2.5d) (16) Donde E es el módulo de young del acero inoxidable AISI 304 de la base del dado, y tiene un valor de 193 GPa según el Cuadro18, d es el diámetro nominal (12 mm), y l es el agarre que tiene el perno, 2 pulgadas de la placa con agujero pasado y 1 pulgada de la placa con agujero roscado, lo que resulta en una distancia de 76.2 mm. Conociendo todos los términos se obtiene km = 1,850.64 MN/m. Al tener los términos kb y km, se determina la constante de rigidez de la unión con la ecuación 13 con un valor de 0.1101. La carga externa de tensión P es la fuerza que experimenta cada perno, para determi- narla se encuentra el área donde ejerce presión el plástico extruido, para la base y para la boquilla del dado, ambas medidas se determinan a partir de las dimensiones de cada ele- mento. Además, se requiere la presión del plástico a la salida de la extrusora que se supone de 6 kg/cm2 que se aproxima a 0.588 MPa («Extrusora de plastico – Estibas Plasticas, Ca- nastillas Plasticas, Postes Plasticos-Soluciones en Ingenieria y Logistica SILOGSAS», s.f.). Con estos datos se puede encontrar la fuerza de presión que experimentan los elementos multiplicando la presión por el área. La carga externa de tensión se debe determinar para cada perno, por lo que la fuerza de presión debe divirse dentro del número de pernos de cada elemento. Los resultados se encuentran en el Cuadro6. 21 Al tener la constante de rigidez de la unión y la carga externa de tensión por perno, se utiliza la ecuación 12 para determinar la carga resultante Fb en cada perno de ambos elementos. Los resultados se encuentran en el Cuadro6. Se debe determinar el esfuerzo axial en cada perno mediante la siguiente ecuación, los resultados se encuentran en el Cuadro6. σb = Fb At (17) Donde: σb = esfuerzo axial en el perno Para determinar si los pernos soportan las cargas, se debe encontar el factor de seguridad a la fluencia estática, de sobrecarga y de separación mediante las siguientes ecuaciones, los resultados se encuentran en el Cuadro6. np = Sp σb (18) Donde: np = factor de seguridad a la fluencia estática nL = Sp ∗At − Fi C ∗ P (19) Donde: nL = factor de seguridad de sobrecarga n0 = Fi P (1− C) (20) Donde: n0 = factor de seguridad de separación 22 Cuadro 6: Resultados de pernos Base Boquilla Área (mm2) 90,793 7,014 Fuerza en el elemento (N) 53,422 4,127 Número de pernos 10 5 Fuerza por perno P (N) 5,342.2 825.41 Carga resultante en el perno Fb (N) 24,613.77 24,116.39 Esfuerzo axial en el perno σb (MPa) 291.98 286.08 Factor de seguridad a la fluencia estática np 1.30 1.33 Factor de seguridad de sobrecarga nL 13.61 88.11 Factor de seguridad de separación n0 5.05 32.71 Con los resultados del Cuadro6 se concluye que los 10 pernos que sostienen la base del dado peletizador a la salida de la extrusora, y los 5 pernos que sostienen la boquilla con la base del dado peletizador, son suficientes y soportan las cargas generadas por los esfuerzos generados por la extrusión del plástico. 4. Baño de agua Luego de que el plástico fluya a través del dado peletizador, se extruye en los agujeros y salen hilos de plástico calientes, estos deben ser enfriados por lo que pasan por el baño de agua. El diseño y cálculos para este son necesarios para garantizar que los hilos puedan ser enfriados de forma uniforme. Como primer punto se calcula el volumen del baño de agua en su máxima capacidad, para ello se utiliza el largo, el alto y la profundidad definida para el baño. Estas dimensiones se definen a partir de una plancha de acero inoxidable disponible en Guatemala. vb = l ∗ h ∗ w vb = 2000 mm ∗ 200 mm ∗ 600 mm vb = 240, 000, 000 mm3 vb = 0.24 m3 (21) Donde: l = largo baño de agua h = altura del baño de agua w = ancho baño de agua Se asume que el baño de agua estará lleno a una altura de 10 cm, por lo que se calcula el volumen de agua necesario para esta altura. 23 vb10 = l ∗ h ∗ w vb10 = 2000 mm ∗ 100 mm ∗ 600 mm vb10 = 120, 000, 000 mm3 vb10 = 0.12 m3 (22) El diseño del baño de agua, toma en cuenta las dimensiones de la plancha de acero inoxidable que puede conseguirse localmente y que cumple con los requisitos. Este se observa en la Figura13. Figura 13: Baño de agua Fuente: elaboración propia En la Figura14 se observa el baño de agua lleno a 10 cm. Figura 14: Baño de agua lleno Fuente: elaboración propia A lo largo del baño de agua se encuentran dos guías de hilos, estas tienen el fin de guiar a los hilos extruidos y de separarlos para garantizar que puedan tener un movimiento fluido 24 y sin interrupciones, tienen la capacidad de girar con el movimiento de los hilos. Este diseño se observa en la Figura15. Esta guía cuenta el número exacto de espacios para almacenar a todos los hilos extruidos de la primera iteración. Figura 15: Guía de hilos, primera iteración Fuente: Captura de pantalla de Autodesk Inventor En la segunda iteración de diseño, se encontró un nuevo número de agujeros en la boquilla del dado peletizador, por lo que se realizó un nuevo diseño para la guía de hilos, con el nuevo número de agujeros, esta se observa en la Figura16. Figura 16: Guía de hilos, segunda iteración Fuente: Captura de pantalla de Autodesk Inventor Para garantizar que el agua del baño se encuentre siempre a una temperatura óptima para enfriar los hilos que se mueven constantemente dentro de este, se requiere de un in- tercambiador de calor. Se desea utilizar un radiador, esto debido a que tiene una operación simple y es menos costoso en términos de mantenimiento (León & Zurita, 2021). Para poder seleccionar el adecuado para esta aplicación, se deben tener en cuenta los siguientes parámetros: el caudal de agua y la tasa de transferencia de calor necesaria, así como la temperatura de entrada y salida del plástico y del agua. Para encontrar el caudal de agua que se necesita, se utiliza la transferencia de calor: Q = m ∗ Cp ∗∆T, y se realiza el intercambio de calor del agua dentro del baño, es decir, con los hilos extruidos de plástico. Al realizar un balance de energía se obtiene: Balance de energía en el baño de agua Ein = Eout + Q̇out ṁagua ∗ Cpagua ∗ (T2 − T1) = ṁPET ∗ CpPET ∗ (T3 − T4) + Q̇out (23) Donde: ṁagua = flujo másico de agua Cpagua = calor específico del agua = 4182 J/kgK 25 T1 = temperatura de entrada al baño = 20 °C =294.15 K T2 = temperatura de salida al baño = 60 °C = 334.15 K ṁPET = flujo másico de PET = 150 kg/h = 0.042 kg/s CpPET = calor específico del PET = 1250 J/kgK T4 = temperatura de salida del PET = 50 °C = 324.15 K T3 = temperatura de entrada del PET = 200 °C = 474.15 K Q̇out = pérdidas por transferencia de calor Figura 17: Esquema intercambiador agua-PET Fuente: elaboración propia Del balance realizado anteriormente, nos interesa conocer el flujo másico que se requiere de agua, por lo que se despeja de la ecuación planteada. Flujo másico de agua ṁagua = ṁPET ∗ CpPET ∗ (T3 − T4) + Q̇out Cpagua ∗ (T2 − T1) (24) Las pérdidas de calor en el baño se producen por convección libre a través de la trans- ferencia de calor entre el agua y los hilos de PET, así como entre las paredes de acero inoxidable del baño de agua y el aire circundante. Las pérdidas por radiación ocurren de- bido a la transferencia de energía térmica entre el agua y los hilos de PET, así como entre el agua y el aire circundante. No se consideran pérdidas de calor por conducción ya que los hilos extruidos no están en contacto directo con el baño de agua, por lo que no es un factor relevante en el proceso de enfriamiento. 26 La transferencia de calor por convección se considera libre, a pesar de que se utiliza una bomba para hacer circular el agua caliente del baño hacia el intercambiador de calor y enviar el agua enfriada de vuelta al baño, la velocidad a la que se hace se considera mínima para determinar otro tipo de convección. La razón de transferencia de calor por convección es proporcional a la diferencia de temperaturas y se expresa con la Ley de Newton de Enfriamiento (Cengel, 2011). La transferencia de calor por convección se calcula de la siguiente manera: Q̇conv = h ∗As ∗ (Ts − T∞) (25) Donde: Q̇conv = razón de convección de calor h = coeficiente de transferencia de calor por convección As = área superficial de transferencia de calor Ts = temperatura de la superficie T∞ = temperatura del fluido suficientemente lejos de la superficie En el Cuadro7, se observan los valores asumidos para ambos escenarios de transferencia de calor por convección. Cuadro 7: Datos de la transferencia de calor por convección Agua dentro del baño e hilos de PET Paredes de acero inoxidable y aire circundante h [W/m2 ∗K] 100 25 As [m2] 0.178 1.72 Ts [K] 474.15 295.08 T∞ [K] 334.15 299.15 Q̇conv [W] 2489 175 Fuente: (Cengel, 2011) El coeficiente de transferencia de calor por convección no es una propiedad del fluido, es un parámetro que se determina de forma experimental y su valor depende de variables que influyen en la convección como la configuración geométrica de la superficie, la naturaleza del movimiento del fluido, las propiedades y su velocidad. Según (Cengel, 2011), se presentan valores típicos del coeficiente de transferencia de calor por convección, en la Tabla 1-5. De esta Tabla, se asume un valor h de 100 W/m2 ∗K en convección libre de líquidos para la transferencia del agua con los hilos de PET, y un valor h de 25 W/m2 ∗K para la transferencia entre las paredes de acero inoxidable y el aire circundante, se consideran estos valores como aproximaciones conservadoras, por la ausencia de datos precisos. El valor h de las paredes y el aire se asume con el valor más bajo presentado en la tabla ya que se considera que la velocidad del aire circundante es muy baja (Cengel, 2011). El área superficial de transferencia de calor para el agua y los hilos, se refiere al área de un hilo extruido, asumiendo que la distancia que está sumergido en el baño de agua, es de 27 Silvia Buratti Resaltado Según Cengel (2011), se ... 1.5 m, El largo definido para el baño es de 2 m, la diferencia de 50 cm, se debe a que los hilos salen en diagonal del dado peletizador, por lo que se asume una distancia de 25 cm para la entrada y la salida de hilos del baño de agua. Para este cálculo se utiliza el área de un cilindro, y se toma el radio del hilo (del pellet), y el largo sumergido. Se calcula el área de un hilo sumergido. asum = π ∗ r ∗ (r + h) asum = π ∗ 3 mm 2 ∗ (3 mm 2 + 1500mm) asum = 7076 mm2 asum = 0.0071 m2 (26) Donde: asum = área de un hilo sumergido r = radio de un pellet h = largo de hilo sumergido (1.5 m) Se procede a calcular el área total de todos los hilos extruidos, por el número de agujeros del dado peletizador. Ash = asum ∗ n agujeros Ash = 0.0071 m2 ∗ 25 agujeros Ash = 0.178 m2 (27) Donde: Ash = área de los hilos sumergidos asum = área de un hilo sumergido Para la transferencia de las paredes y el aire circundante, el área superficial se refiere al área de las paredes en contacto con el agua que a su vez tienen contacto con el aire circundante. Para ello se utilizan las medidas presentadas en la Figura13, con el volumen lleno a 10 cm, como se muestra en la Figura14. Se calcula el área de las paredes de acero inoxidable. Asp = l ∗ w + 2 ∗ l ∗ 100 mm + 2 ∗ w ∗ 100 mm Asp = 2000 mm ∗ 600 mm + 2 ∗ 2000 mm ∗ 100 mm + 2 ∗ 600 mm ∗ 100 mm Asp = 1, 720, 000 mm2 Asp = 1.72 m2 (28) Donde: Asp = área de las paredes en contacto con el agua y el aire 28 La temperatura de la superficie para la convección del agua con los hilos, se asume como la temperatura de entrada de los hilos al baño de agua, en este caso 200 °C o 474.15 K, mientras que la temperatura del fluido suficientemente lejos de la superficie, se asume como la temperatura de salida del agua del baño, en este caso 60 °C o 334.15 K. Considerando los datos anteriores, se procede a sustituir los valores en la ecuación 25: Q̇conv = 100 W/m2K ∗ 0.178 m2 ∗ (474.15K− 334.15K) = 2489 W. Para determinar la temperatura de la superficie en la convección de las paredes y el aire circundante, se utiliza un sistema simplificado estático, sin circulación de agua, se estima una hora de trabajo, procesando 150 kg de plástico, y se obtiene un aumento de 0.93 grados, de esta forma, se puede tomar la temperatura de entrada al baño T1, de la ecuación 23 y sumarle este aumento, obteniendo 20.93°C o 295.08K. Mientras que la temperatura del fluido suficientemente lejos de la superficie, se asume como temperatura ambiente en Guatemala, en este caso 25°C o 299.15 K. Considerando los datos anteriores, se procede a sustituir los valores en la ecuación 25: Q̇conv = 25 W/m2K ∗ 1.72 m2 ∗ (299.15K− 295.08K) = 175 W. La transferencia de calor por radiación se calcula de la siguiente manera: Q̇rad = ε ∗ σ ∗As ∗ (T 4 s − T 4 alred) (29) Donde: Q̇rad = razón de radiación ε = emisividad de la superficie σ = constante de Stefan-Boltzmann = 5.67 x 10−8 W/m2K4 As = área superficial de transferencia de calor Ts = temperatura de la superficie Talred = temperatura de los alrededores En el Cuadro 8, se observan los valores asumidos para ambos escenarios de transferencia de calor por convección. Cuadro 8: Datos de la transferencia de calor por radiación Agua dentro del baño e hilos de PET Agua dentro del baño y aire circundante ε 0.95 0.98 σ [W/m2K4] 5.67 x 10−8 5.67 x 10−8 As [m2] 0.178 1.72 Ts [K] 474.15 295.08 Talred [K] 334.15 299.15 Q̇rad [W] 365 41 En la transferencia de calor por radiación del agua dentro de baño de agua y los hilos 29 de PET, la emisividad del PET se asume con un valor de 0.95 como un valor conservador según ETI (ETI, 2012), el área superficial es de los hilos extruidos y que fue descrita en el cálculo de la transferencia de calor por convección forzada (0.178 m2). La temperatura de la superficie se asume igualmente como la del plástico extruido (474.15 K), y la temperatura de los alrededores como la de salida del agua del baño (334.15 K). Sustituyendo los valores en la ecuación 29: Q̇rad = 0.95 ∗ 5.67 x 10−8 W/m2K4 ∗ 0.178 m2 ∗ (474.154 K− 334.154 K) = 365 W. En la transferencia de calor por radiación del agua dentro de baño de agua y el aire circundante, la emisividad del agua se asume con un valor de 0.98 (ETI, 2012), el área superficial es el valor del área de las paredes de acero inoxidable en contacto con el agua, valor descrito en la ecuación 28 (1.72 m2). La temperatura de la superficie se asume de la misma forma que en la transferencia por conducción (295.08) K, y la temperatura de los alrededores como la ambiente (299.15 K). Susituyendo los valores en la ecuación 29: Q̇rad = 0.98 ∗ 5.67 x 10−8 W/m2K4 ∗ 1.72 m2 ∗ (299.154 K− 295.084 K) = 41 W. El valor de las pérdidas de calor en la transferencia de calor por convección y radia- ción es simplemente la suma de todas las transferencias de calor, se obtiene un total de Q̇out = 3069 W. Conociendo el valor de estas pérdidas, se retoma la ecuación 24 y se sustituyen los valores planteados anteriormente, obteniendo: ṁagua = 0.042 kg/s ∗ 1250 J/kgK ∗ (474.15 K−324.15 K) + 3069 W 4182 J/kgK ∗ (334.15 K−294.15 K) = 0.065 kg/s. Conociendo el flujo másico de agua necesario en el baño de agua, se procede a calcular la tasa de transferencia de calor necesaria de la siguiente forma: Q̇ = ṁagua ∗ Cpagua ∗ (T2 − T1) (30) Donde: Q̇ = tasa de transferencia de calor ṁagua = flujo másico de agua = 0.065 kg/s Cpagua = calor específico del agua = 4182 J/kgK T2 = temperatura de entrada del agua = 60 °C = 334.15 K T1 = temperatura de salida del agua = 20 °C = 294.15 K Sustituyendo los valores se obtiene: 30 Q̇ = 0.065 kg/s ∗ 4182 J/kgK ∗ (334.15 K − 294.15 K) = 10 882 W. Este valor indica la potencia mínima que debe de tener el radiador que se compre para el baño de agua. Conociendo la tasa de transferencia de calor, se procede a determinar la bomba que se requiere para hacer circular el agua a través del baño de agua y del radiador. Para seleccionar una bomba de agua adecuada para el intercambiador de calor. El pri- mer paso es determinar el caudal de agua requerido, se hace utilizando el flujo másico del intercambiador ṁagua, y la densidad descrita en el Cuadro 5. Q = ṁagua ρ Q = 0.064 kg/s 997 kg / m3 Q = 0.000064 m3/ s Q = 1.014 gpm Q = 4.608 lpm (31) Debido a que se obtiene un caudal menor a 30 lpm, se decide utilizar una bomba periférica o de flujo radial debido a que estas son adecuadas para aplicaciones pequeñas en donde se requiere una presión moderada y un flujo constante (Paredes Muñoz, 2018). Se debe asumir un valor arbitrario para la columna de agua de 200 metros, esto con el fin de ser conservadores en el cálculo de la potencia requerida, y se asume una eficiencia de 0.7. Se calcula la potencia de la bomba. Pb = ρ ∗ Q ∗ H 102 ∗ η (32) Donde: Pb = Potencia requerida de la bomba ρ = Densidad del agua, Cuadro 5 Q = Caudal de la bomba H = Columna de agua η = eficiencia de la bomba Sustituyendo los valores se obtiene: Pb = 997 kg/ m3 ∗ 0.000064 m3 /s ∗ 200 m 102 ∗ 0.7 = 0.1786 kW = 0.2395 HP. Conociendo la potencia requerida por la bomba, se procede a seleccionar el modelo "Bomba periférica para agua de 1/2 HP - Pretul ®, esta cumple con los requisitos de potencia y caudal. 31 5. Factor de seguridad Para calcular el factor de seguridad de distintos componentes, se utiliza el criterio de Ullman según el texto The Mechanical Design Process (Ullman, 2010), este es un criterio conservador que toma en cuenta contribuciones del material, el tipo de esfuerzos al que se someten los componentes, la geometría de diseño, análisis de fallas y confiabilidad deseada. Se determina por medio de la siguiente encuación: n = nmaterial ∗ nesfuerzo ∗ ngeometria ∗ nanalisis−fallas ∗ nconfiabilidad (33) Donde: nmaterial = contribución del material nesfuerzo = contribución del esfuerzo ngeometria = contribución de la geometría nanalisis−fallas = contribución del análisis de fallas nconfiabilidad = contribución de la confiabilidad Se desea determinar el factor de seguridad para el tambor de corte, para los ejes y para el dado peletizador y se busca que estos valores sean iguales o mayores a 1.9, valor que se determinó como mínimo a cumplir en la línea de reciclaje. A continuación se muestran los resultados: Cuadro 9: Factor de seguridad para distintos componentes Tambor de corte Dado peletizador Ejes nmaterial 1.1 1.1 1.1 nesfuerzo 1.2 1.2 1.2 ngeometria 1.0 1.0 1.0 nanalisis−fallas 1.3 1.2 1.2 nconfiabilidad 1.3 1.3 1.2 Factor de seguridad 2.2 2.1 1.9 El criterio para seleccionar cada contribución se describe a continuación. La contribución de material se define en 1.1 para todos los componentes ya que las propiedades respectivas de cada uno se obtienen del proveedor. La contribución de esfuerzo se define en 1.2 para todos los componentes debido a que la carga se estima con sobrecargas de 20 % a 50 %. La contribución de geometría se define en 1.0 para todos los componentes debido a que las dimensiones se ajustan a la tolerancia por ser estricta. La contribución de análisis de falla se define como 1.3 para el tambor de corte debido a que el esfuerzo soportado por este componente es repetitivo, para el dado peletizador y ejes se define como 1.2 porque se considera un esfuerzo repetido de fatiga multiaxial. La contribución de la confiabilidad se define como 1.3 para el tambor de corte y el dado peletizador para tener una confiabilidad entre 92 y 98 %, y para los ejes se define como 1.2. 32 6. Cámara de corte Luego de pasar por el baño de agua, los hilos se dirigen a la cámara de corte, en este sistema se encuentran los rodillos de alimentación superior e inferior y el tambor de corte. El tambor de corte es el elemento encargado de cortar los hilos extruidos, ya fríos, para dar- les la forma de pellets. Se requiere realizar cálculos para determinar el número de cuchillas necesarias para cortar el flujo másico requerido. Para calcular el número de cuchillas o dientes que se requieren para la capacidad de producción de la peletizadora, se utiliza el largo de pellet y la velocidad lineal del plástico (ambos expresados en el Cuadro 5), se divide el largo dentro de la velocidad lineal para encontrar el tiempo que debe existir entre cada corte: t = largo velocidad = 5 mm 170 mm/s = 0.029 s Se asume una velocidad del tambor de corte de 60 rpm o 1 rev/s, se encuentra el periodo que es 1 s/vuelta; se divide este valor dentro del tiempo entre cortes: nc = T t = 1 s/vuelta 0.029 s = 34 dientes. Este elemento es de suma importancia, por lo que se decide buscar un proveedor espe- cializado en cuchillas de peletizadoras. Se encontró el proveedor Renda Blades, ellos ofrecen para una capacidad de 150 kg/h, un tambor de corte de 24 dientes o cuchillas. Este pro- veedor nos indica que el material es acero de herramienta D2 y nos provee la información mostrada en el Cuadro 10. Cuadro 10: Datos de tambor de corte Renda Blades Dato Valor Unidad Masa 29 kg Ángulo de cuchillas 15 grados Ángulo de cizalla 2 grados Diámetro exterior 160 mm Diámetro interior 50 mm Largo 200 mm Se realizó un proceso iterativo de cálculos para determinar la velocidad angular que necesita un tambor de corte de 24 dientes o cuchillas, manteniendo la velocidad lineal descrita en el Cuadro 5, de esta forma se determinó que una velocidad angular de 95 rpm producirá la capacidad de peletización requerida. En la Figura18 se observa el diagrama de cuerpo libre del tambor de corte. Se observa que la fuerza presente es la de corte o cizalla. 33 Figura 18: DCL cámara de corte Fuente: elaboración propia Se determinó la fuerza de corte o de cizalla que se requiere para cortar o peletizar los hilos extruidos de la siguiente manera: Fc = τ ∗ s2 2 ∗ tanϕ Fc = 55 MPa ∗ 3 mm2 2 ∗ tan(2) Fc = 7, 087.47 N (34) Donde: Fc = Fuerza de corte s = espesor del material (diámetro hilo) ϕ = ángulo de cizalla (Cuadro 10) Dentro de la cámara de corte tenemos también el rodillo de alimentación superior, quien es el encargado de jalar los hilos y alimentarlos al tambor de corte. Se desea conocer la fuerza de fricción que ejerce este sobre los hilos. El material de este elemento es acero inoxidable AISI 304 ya que es resistente a la corrosión, lo que lo hace ideal al exponerse a humedad, tiene buena resistencia mecánica y es fácilmente mecanizable para obtener diferentes acabados de superficie. En la Figura19 se observa el diagrama de cuerpo libre del rodillo de alimentación superior. Se observa que la fuerza presente es la de fricción. 34 Figura 19: DCL rodillo de alimentación superior Fuente: elaboración propia En el Cuadro 11 se muestran datos y valores calculados de este rodillo. Para determinar el volumen se consideró un tubo hueco utilizando los radios exterior e interior: V = π ∗ h ∗ (r2ext − r2int) Para determinar la masa se utiliza la siguiente ecuación: m = V ∗ ρ El peso es la masa por la gravedad (Cuadro 5). Cuadro 11: Valores del rodillo superior Dato Valor Unidad Diámetro exterior (dext) 90 mm Diámetro interior (dint) 50 mm Largo (h) 200 mm Densidad (ρ) 8000 kg/m3 Coeficiente de fricción (µ) 0.5 Volumen (V) 8.8e-04 m3 Masa (m) 7.04 kg Peso (W) 69.03 N Para calcular la fuerza de fricción se utiliza la siguiente forma: Ffr = N ∗ µ 35 En este caso la normal puede considerarse igual al peso en una forma estática: Ffr = W ∗ µ Ffr = 69.03 N ∗ 0.5 Ffr = 34.52 N (35) Donde: Ffr = Fuerza de fricción W = peso del rodillo superior (Cuadro 11) µ = coeficiente de fricción (Cuadro 11) Según el Cuadro 9, el factor de seguridad que debería cumplir el tambor de corte es de 2.2, para verificar que sí se cumple con este valor, se realiza un análisis de falla con la teoría ASME-Elíptica para esfuerzo fluctuante. Se utiliza la siguiente ecuación (Budynas & Nisbett, 2008): ( nσa Se )2 + ( nσm Sy )2 = 1 n = √ 1 (σa Se )2 + (σm Sy )2 (36) Donde: σa = Esfuerzo alternante σm = Esfuerzo medio Sy = Resistencia a la tracción Se = Límite de resistencia a la fatiga El esfuerzo medio y el alternante pueden determinarse mediante las siguientes ecuaciones (Budynas & Nisbett, 2008): σm = σmax + σmin 2 σa = | σmax + σmin 2 | (37) El esfuerzo mínimo puede simplificarse a 0 debido a que cuando no hay corte no hay esfuerzo. Para determinar el esfuerzo máximo se utiliza la siguiente ecuación (Budynas & Nisbett, 2008): σmax = Mf ∗ c I (38) 36 Donde: Mf = Momento de flexión c = distancia a partir del eje neutro I = momento de inercia El perfil del diente puede modelarse como una viga en voladizo en donde se genera un esfuerzo de flexión en la base de este, en el diámetro menor (138 mm como se muestra en la Figura20). Figura 20: Representación diente de tambor de corte Fuente: elaboración propia El momento de flexión se calcula como la fuerza de corte calculada en la ecuación 34, por la altura del diente Mf = Fc ∗ (160mm − 138mm) 2 = 77, 962.20 Nmm Para determinar la distancia c, se debe encontrar la base de un diente utilizando el perímetro con el diámetro de 138 mm, dividido los 24 dientes. Esta base se divide dentro de 2 en la línea paralela a la circunferencia debido a los dos esfuerzos que presenta el diente (flexión y compresión), estos son iguales con direcciones opuestas usando el eje neutro como base inicial, el cálculo queda de la siguiente forma: c = 138mm ∗π 24 2 = 9.03 mm 37 Figura 21: Representación distancia c del diente Fuente: elaboración propia Para determinar el momento de inercia se aproxima la forma del diente a un rectángulo: I = b ∗h3 12 La base b, se refiere al largo total del tambor de corte descrito en el Cuadro 10, la altura h es la del diente que se calcula con la resta de los diámetros dividido 2. Conociendo estos datos se obtiene un valor de momento de inercia para el diente de 22,183.33 mm4. Se calcula el esfuerzo máximo con la ecuación 38 y se obtiene un valor de 31.74 MPa. Se calcula el esfuerzo medio y alternante mediante la ecuación 37 utilizando el esfuerzo máximo, al tener el mínimo como 0, se obtiene un valor de 15.87 MPa para ambos esfuerzos. El límite de resistencia a la fatiga Se se determina con la ecuación 40 de la sección “Dimensionamiento de ejes” y se utilizan los mismos factores de modificación que se muestran en el Cuadro 15, a excepción del factor de modificación de tamaño kb, que toma un valor de 0.697 por el tamaño del diámetro. Según Renda Blades, el material del tambor de corte como se mencionó es acero de herramienta D2. En el Cuadro 12 se muestran los factores de modificación y las propiedades de este material para determinar Se. Cuadro 12: Factores de modificación y propiedades D2 Factor Valor Resistencia a la tracción Sy (MPa) 470 Resistencia última a la tensión Sut (MPa) 760 Límite de resistencia a la fatiga del material S′e (MPa) 380 ka 0.909 kb 0.818 kc 1 kd 0.989 ke 0.868 kf 0.9 Límite de resistencia a la fatiga de la pieza Se (MPa) 166.91 38 Conociendo todos los términos, se retoma la ecuación 36, y se obtiene entonces un factor de seguridad para esfuerzo fluctuante de 5.18, el cuál es mayor al calculado inicialmente por el criterio de Ullman, de 2.2. 7. Selección del motor Conociendo la magnitud de la fuerza de corte, se desea determinar el torque ejercido por la cámara de corte, por lo que se multiplica por el radio exterior del tambor de corte, en el Cuadro 10, se encuentra el valor del diámetro en mm, se convierte a metros y se obtiene un torque de 567 Nm. Se hace lo mismo para la fuerza de fricción del rodillo superior cuyo radio se encuentra en el Cuadro 11, y se obtiene un torque de 1.55 Nm. Para determinar la potencia requerida por el tambor de corte, se utiliza la siguiente ecuación: P = Torque ∗ rpm 9550 P = 567 ∗ 95 rpm 9550 P = 5.64 kW = 7.56 hp (39) Bajo el mismo concepto se determinó la potencia requerida por el rodillo superior y se obtuvo un valor de 0.02 hp, adiciónandolo a la potencia del tambor de corte, se obtiene una potencia total de 7.58 hp. Con base en este resultado, se selecciona una capacidad comercial superior al obtenido anteriormente, esto resulta en un motor de 10 hp. Se selecciona el motor trifásico WEG W22 con carcasa de hierro de 10 hp, este opera a 1,800 rpm. El torque nominal de este motor es de 39.8 Nm, lo que indica que no se llega al torque requerido por el tambor de corte, por lo que se requiere de un sistema de transmisión de potencia para poder suplir el torque requerido. 8. Transmisión de potencia Para la transmisión de potencia al rodillo superior y al tambor de corte, se elige utilizar bandas, estas son una opción común, tienen fácil acceso en el mercado nacional y son una opción económica. Se utiliza la potencia calculada en la ecuación 39. Como se mostró anteriormente, las revoluciones del motor son de 1,800 rpm y se requiere que el eje del tambor de corte gire a 95 rpm; también se requiere darle potencia al eje del rodillo superior para poder jalar los hilos extruidos y alimentarlos hacia el tambor de corte. Este eje se utiliza como un intermedio para hacer la reducción. Se elige una primera etapa de reducción de 1,800 rpm a 400 rpm, para tener una relación de reducción de 4.5, y la segunda etapa de 400 rpm a 95 rpm, para tener una relación de 4.2. Para la selección de las bandas se utiliza el manual SKF para bandas de transmisión tipo V (SKF, 2008), este tipo de bandas son las más comúnes por su alta durabilidad en funcio- 39 namiento y a su accesibilidad en el mercado, considerando mantenimiento de la máquina. Siguiendo los pasos establecidos por el manual, se obtienen los siguientes resultados: Cuadro 13: Cálculo de bandas Paso Rodillo Tambor de corte Factor de servicio C2 1.4 1.4 Potencia de diseño Pd 7.92 kW 7.92 kW Sección transversal de las bandas 5V 5V Relación de velocidad 4.5 4.2 Longitud de referencia Ld 1000 mm 1000 m Distancia al centro C 508 mm 503 mm Diámetro de referencia de poleas d, D 6.30 in 6.7 in 28.00 in 28.00 in Potencia nominal básica Pb 11.32 kW 12.56 kW Factor de correción C1 0.78 0.78 Factor de correción C3 0.80 0.80 Clasificación potencia de la banda Pr 7.06 kW 7.82 kW Número de bandas N 2 2 El factor de servicio C2 se establece considerando una actividad pesada con un inicio pesado y un tiempo de trabajo menor a 10 horas diarias. La potencia de diseño Pd se obtiene multiplicando la potencia del motor por el factor de servicio. La sección transversal de las bandas es de 5V "Narrow wedge belts", esta selección se realiza con base en la intercepción entre la potencia de diseño y las rpm de la polea más pequeña en un gráfico del catálogo. La longitud de referencia Ld se determina como la longitud más corta considerando la relación de velocidad y se consulta en la Tabla 4n. La distancia al centro se determina consultando la Tabla 4n. El diámetro de referencia de las poleas se obtienen utilizando la Tabla 4n y buscando la relación de velocidad para determinar los diámetros correspondientes. Para determinar la potencia nominal básica Pb se buscan valores de diámetro pequeño y rpm rápidas en la Tabla 9h. Los factores de corrección C1 y C3 se consultan en las Tablas 7 y 8. La clasificación de la potencia de la banda Pr se determina utilizando la ecuación: Pr = Pb ∗ C3 ∗ C1 El número de bandas se determina con la ecuación: N = Pd Pr Luego de realizar estos cálculos, se seleccionaron los componentes del catálogo SKF, que incluye las bandas y poleas para la primera y segunda etapa de reducción, la selección de estos se realizó aproximando a las medidas comerciales sugeridas en el catálogo. 40 Cuadro 14: Poleas seleccionadas Polea Código polea Menor - 1era etapa d1 PHP 3-5V710TB Mayor - 1era etapa D1 PHP 3-5V2800TB Menor - 2da etapa d2 PHP 3-5V750TB Mayor - 2da etapa D2 PHP 3-5V2800TB Para ambas etapas se seleccionó la banda PHG 5V1000. 9. Dimensionamiento de ejes Se quiere determinar el diámetro mínimo del eje del rodillo superior e inferior, y del tambor de corte donde se coloca la banda de transmisión. Se decidió utilizar AISI 1045 Cold Rolled por su alta resistencia y bajo costo. Para iniciar el dimensionamiento se determina el límite de la resistencia a la fatiga Se mediante la ecuación de Marin: Se = ka ∗ kb ∗ kc ∗ kd ∗ ke ∗ kf ∗ S′ e (40) Donde: Se = Límite de resistencia a la fatiga de la pieza S′e = Límite de resistencia a la fatiga del material ka = factor de modificación por la condición superficial kb = factor de modificación por el tamaño kc = factor de modificación por la carga kd = factor de modificación por la temperatura ke = factor de confiabilidad kf = factor de modificación efectos varios 41 Cuadro 15: Factores de modificación y propiedades de AISI 1045 CD Factor Valor Resistencia a la tracción Sy (MPa) 530 Resistencia última a la tensión Sut (MPa) 625 Límite de resistencia a la fatiga del material S′e (MPa) 313 ka 0.909 kb 0.818 kc 1 kd 0.989 ke 0.868 kf 0.9 Límite de resistencia a la fatiga de la pieza Se (MPa) 120.5 Para determinar el valor de cada factor, se hizo con base en los criterios propuestos por Shigley (Budynas & Nisbett, 2008). La resistencia a la tracción Sy y la resistencia última a la tensión Sut, se obtienen de las propiedades del acero AISI 1045 («AISI 1045 Steel, cold rolled», s.f.). Para encontrar el límite de resistencia a la fatiga S′e en viga rotatoria, se utiliza la ecuación 6-8 de Shigley, utilizando la resistencia última a la tensión. Esta, al ser menor a 200kpsi (1379 MPa), se tiene una relación de: S′e = 0.5 ∗ Sut (Budynas & Nisbett, 2008). En la selección del factor de modificación por la condición superficial ka, se utiliza: ka = a ∗ Sbut El factor a y el exponente b se toman de la Tabla 6-2 de Shigley como laminado en frío, obteniendo a = 2.7, b = -0.265 (Budynas & Nisbett, 2008). El factor de modificación por tamaño kb, se escoge con base en el diámetro, utilizando la ecuación 6-20 de Shigley, en este caso, el diámetro es menor a 2 pulgadas (50 mm, medida proporcionada por Renda Blades, Cuadro 10), por lo que se escoge kb = 0.879 ∗ d−0.107. El factor de modificación por la carga kc, se determina fatiga con carga flexión y se elige un valor de 1 según la ecuación 6-16 de Shigley. El factor de modificación por la temperatura kd, se elige mediante la ecuación 6-27 de Shigley, se asume una temperatura máxima que pueda haber en Guatemala, de 35°C, y se obtiene un factor de 0.989. El factor de confiabilidad ke, se determina mediante la Tabla 6-5 de Shigley, se asume una confiabilidad de 95 % y se obtiene un factor de 0.868. El factor de modificación de efectos varios kf , incluye la corrosión, recubrimiento electrolítico, metalizado por aspersión, frecuencia cíclica y corrosión por frotamiento, se escoge entre un rango de 0.24-0.9, y en este caso se elige 0.9.(Budynas & Nisbett, 2008). Para iniciar el dimensionamiento, se realiza un diagrama de cuerpo libre para el eje del tambor de corte, este se muestra en la Figura22. 42 Figura 22: DCL eje tambor de corte F Fuente: Captura de pantalla de Autodesk Inventor Donde Wc es el peso del tambor de corte , Wp el peso de la polea de la banda de transmisión, R1 y R2 son las reacciones de las chumaceras. Para determinar el diámetro mínimo de la parte donde se encuentra la polea, se utiliza la ecuación ED-ASME elíptica: d =  ( 16n π ) · [ 4 ( kf ·Ma Se )2 + 3 ( kfs · Ta Se )2 + 4 ( Kf ·Mm Sy )2 + 3 ( kfs · Tm Sy )2 ] 1 2  1 3 (41) Se sabe que para un eje en rotación constante el esfuerzo de flexión es completamente reversible, y el esfuerzo torsional es constante, por lo que se puede simplificar con Mm y Ta iguales a cero 0 (Budynas & Nisbett, 2008), simplificando la ecuación a lo siguiente: d =  ( 16n π ) · [ 4 ( kf ·Ma Se )2 + 3 ( kfs · Tm Sy )2 ] 1 2  1 3 (42) Para el momento flexionante medio (Tm), se toma el valor del torque del tambor de corte determinado en la sección "Selección del motor" de 567 Nm. Se asume un factor de concentración de esfuerzo por fatiga de la flexión kf de 2.7, y para la torsión kfs de 2.2. El factor de seguridad que se utiliza es el calculado para los ejes (1.9). Se procede a colocar en el software MD Solids ®el peso del tambor de corte Wc y el de la polea de la banda de transmisión Wp para determinar el momento alternante Ma. 43 Figura 23: Análisis de momento alternante máximo del tambor de corte Fuente: Captura de pantalla de MDSolids Conociendo todos los valores, se utiliza la ecuación 42 para determinar el diámetro mínimo para el eje del tambor de corte, se obtiene 12.08 mm. En el diseño, el diámetro mínimo toma un valor de 18 mm. El diámetro para el tambor de corte según Renda Blades (Cuadro 10) es el que se utiliza para comprobar los factores de seguridad calculados en el Cuadro 16. Se procede a calcular el diámetro mínimo del eje del rodillo superior, se asumieron las mismas longitudes que en el eje del tambor de corte, con la diferencia de que este tiene una longitud mayor en el área de poleas debido a que en este, se colocan dos, puesto que es el eje intermedio y ambas etapas de reducción se unen a él. Se realiza el diagrama de cuerpo libre, considerando el peso del rodillo y de ambas poleas, y se ingresan los datos a MD Solids®para determinar el momento alternante máximo. Figura 24: DCL eje rodillo superior Fuente: Captura de pantalla de Autodesk Inventor 44 Donde Wr es el peso del rodillo, Wp2 es el peso de la polea de la banda de la etapa uno (con el motor), Wp3 es el peso de la polea de la banda de la segunda etapa (con el tambor de corte), R3 y R4 son las reacciones de las chumaceras. Figura 25: Análisis de momento alternante máximo del rodillo superior Fuente: Captura de pantalla de MDSolids Para el momento flexionante medio (Tm), se toma el valor del torque del rodillo supe- rior determinado en la sección "Selección del motor" de 1.55 Nm. Se asume un factor de concentración de esfuerzo por fatiga de la flexión kf de 2.7, y para la torsión kfs de 2.2. El factor de seguridad que se utiliza es el calculado para los ejes (1.9). Conociendo todos los valores, se utiliza la ecuación 42 para determinar el diámetro mínimo para el eje del rodillo superior, se obtiene 12.49 mm. En el diseño toma un valor de 15 mm. Para el cálculo del diámetro del eje del rodillo inferior solo se toma en cuenta el peso del propio rodillo, se realiza el diagrama de cuerpo libre, y se ingresan los datos a MD Solids®, para determinar el momento alternante máximo. 45 Figura 26: DCL eje rodillo inferior Fuente: Captura de pantalla de Autodesk Inventor Donde Wi es el peso del rodillo inferior, R5 y R6 son las reacciones de las chumaceras. Figura 27: Análisis de momento alternante máximo del rodillo inferior Fuente: Captura de pantalla de MDSolids Para el momento flexionante medio (Tm), se utiliza el peso del rodillo inferior que tiene un diámetro máximo de 60 mm y un mínimo de 30 mm, de material acero inoxidable 304, se obtiene un momento de 0.66 Nm. Se asume un factor de concentración de esfuerzo por fatiga de la flexión kf de 2.7, y para la torsión kfs de 2.2. El factor de seguridad que se utiliza es el calculado para los ejes (1.9). 46 Conociendo todos los valores, se utiliza la ecuación 42 para determinar el diámetro mínimo para el eje del rodillo inferior, se obtiene 10.82 mm. En el diseño toma un valor de 15 mm. El factor de seguridad utilizado fue un cálculo preliminar utilizando el criterio de Ullman, para tener un análisis más certero, se calcula el factor de seguridad nf según el criterio ED- Goodman, el cual utiliza los esfuerzos alternantes y medios de los ejes, así como el límite de resistencia de fatiga y resistencia última a la tensión del material descritos en el Cuadro 15. Se determina también el factor de seguridad a la fluencia ny. Se utilizan las siguientes ecuaciones: σ′ a = 32kfMa πd3 σ′ m = [3(16kfsTm πd3 )2] 1 2 1 nf = σ′ a Se + σ′ m Sut ny = Sy σ′ max = Sy σ′ a+σ′ m Cuadro 16: Factores de seguridad criterio ED-Goodman Eje tambor de corte Eje superior Eje inferior σ′ a 1.202 24.49 62.50 σ′ m 0.088 0.005 0.007 nf 132.2 5.686 2.592 ny 411.5 18.64 8.495 Para obtener los resultados se utiliza el diámetro mínimo de diseño. Se observa en el Cuadro 16 que para el eje del tambor de corte, ambos factores de seguridad son muy su- periores al mínimo calculado por el criterio de Ullman (Cuadro 9), y al mínimo requerido por la planta de reciclaje (1.9), esto debido a que se está comprobando el diámetro dado por Renda Blades de 50 mm. Se observa también que para ambos ejes de alimentación, tan- to superior como inferior, los factores de seguridad calculados son superiores. Tomando en cuenta los criterios anteriores, se concluye que los factores de seguridad del diseño de los tres ejes son aceptables, se asegura una alta durabilidad de estos al tener factores de seguridad a la fluencia del material ny con valores superiores al factor de seguridad de distorsión y del criterio de Ullman. 10. Selección de chumaceras Luego de determinar las medidas de los tres ejes, se debe seleccionar las chumaceras para cada uno. Para esto se requieren los diámetros elegidos en la sección del eje donde se colocan las chumaceras, y el valor de las reacciones que estos provocan. Para el eje del tambor de corte se tiene un diámetro mínimo de 11.60 mm, para el eje de alimentación superior de 12.49 mm y para el eje de alimentación inferior de 10.82 mm. Debido a que el diámetro interior del tambor de corte es de 50 mm, se reduce en 70 % cada hombro, obteniendo un diámetro de 26.25 mm para el área de rodamientos, por lo que se elige un diámetro nominal de 25 mm y así mantener una distribución equitativa entre los diámetros del eje. Siguiendo esta misma línea de pensamiento, se elige un diámetro nominal de 25 mm para el eje superior y de 15 mm para el eje inferior de alimentación. 47 Con los diámetros nominales seleccionados, se elige para el eje del tambor de corte y para el eje superior, una designación SKF 6005 y para el eje inferior SKF 6002, ambos de tipo rígido de una hilera de bolas. Siguiendo el catálogo SKF, se obtiene la capacidad de carga básica dinámica C, y la carga límite de fatiga Pu para ambos modelos seleccionados (G. SKF, 2015). De los análisis de momento alternante máximo de cada eje calculados en la sección anterior, se pueden determinar las reacciones generadas por las chumaceras en cada eje para ambas chumaceras, izquierda y derecha. Se calcula la vida nominal básica de cada chumacera antes de que ocurra la primera seña de fatiga en el metal, se calcula mediante la ecuación: L10 = (CP ) 3 La vida nominal SKF mediante la ecuación: Lnm = a1 ∗ aSKF ∗ L10 Donde a1 es el factor de ajuste de la vida útil para mayor confiabilidad que se lee de la Tabla 1 del catálogo SFK, y aSKF es el factor SKF de modificación de la vida que se lee del diagrama 3 del catálogo (G. SKF, 2015). Cuadro 17: Vida nominal básica con confiabilidad de 90 % Eje de tambor de corte Eje de alimentación superior Eje de alimentación inferior D mín (mm) 11.60 12.49 10.82 D elegido (mm) 25 25 15 Designación 6005 6005 6002 C(kN) 11.9 11.9 5.85 Pu (kN) 0.275 0.275 0.120 Reacción derecha P (kN) 0.397 0.528 0.238 Reacción izquierda P (kN) 0.293 0.162 0.238 L10 derecho (millones de revoluciones) 26,932 11,442 125,000 L10 izquierdo (millones de revoluciones) 66,994 397,100 14,850 Lnm derecho (millones de revoluciones) 118,501 50,344 343,750 Lnm izquierdo (millones de revoluciones) 294,775 1,747,242 40,838 D. Simulación Se utiliza el software de análisis de elementos finitos ANSYS Workbench 2023 R1 ®para realizar una simulación del dado peletizador sometido a una presión generada por el plástico extruido, con el fin de determinar si el material y el diseño son aptos para este componente. 48 La simulación se hace utilizando el diseño de la Figura12. El material seleccionado ini- cialmente para este componente es acero inoxidable AISI 304, que es un acero austenítico con buena resistencia a la corrosión, no cambia sus propiedades en trabajos con temperaturas menores a 400°C (El Wahabi et al., 2003), lo que lo hace un material aplicable para el dado peletizador. Se realiza un análisis con acero herramienta de bajo contenido de carbono. 1. Tipo de análisis Se inicia el análisis con un sistema Static Structural, ya que el dado está fijo a la salida de la extrusora. Se procede a importar la geometría del dado y a eliminar radios y filetes que comprometen el tiempo de análisis del programa, esto se realiza editando en designmodeler, dentro de geometría. 2. Material Para poder realizar la simulación, es necesario conocer algunas propiedades del material, estas se obtienen de Matweb y se muestran en el siguiente Cuadro: Cuadro 18: Propiedades de AISI 304 Resistencia mínima a la tensión (MPa) Resistencia mínima a la fluencia (MPa) Módulo de Young (GPa) Coeficiente de Poisson 505 215 193 0.29 Luego de agregar los materiales, se procede a agregar el material correspondiente a cada pieza (la base y la boquilla), esto se hace en model - geometry. 3. Soportes, contactos y cargas Luego de cargar la geometría a simular, se colocan los soportes de la pieza. Estos son lo que impide el movimiento de la pieza, en el caso del dado peletizador es la parte trasera de la base, ya que esta es la que se atornilla a la salida de la extrusora, por lo que se coloca fixed support de condición frontera como se muestra en la Figura28. 49 Figura 28: Soporte fijo del dado peletizador Fuente: Captura de pantalla de ANSYS El siguiente paso es colocar los contactos, en este caso se tiene un solo contacto entre la base y la boquilla, se coloca un contacto bonded ya que estos dos elementos no se tienen que separar en ningún momento. Se muestra en la Figura29 Figura 29: Contacto bonded entre base y boquilla Fuente: Captura de pantalla de ANSYS En la sección de cargas, se coloca la presión ejercida por el tereftalato de polietileno saliendo de la extrusora, y dirigiéndose al dado peletizador. Esta se coloca como Pressure y el único parámetro que pide es la presión ejercida por el plástico, definida anteriormente como 0.588 MPa. Esta presión es la que se encuentra en la salida de la extrusora y que tiene 50 contacto con la base del dado peletizador como se muestra en la Figura30, sin embargo, cuando cambia el área y entra en la boquilla, esta presión aumenta a 9.56 MPa como se muestra en la Figura31. Figura 30: Pressure en base de dado peletizador Fuente: Captura de pantalla de ANSYS Figura 31: Pressure en boquilla de dado peletizador Fuente: Captura de pantalla de ANSYS 51 4. Mallado Se procede a cambiar el mallado de la base y la boquilla del dado, con el fin de obtener resultados más precisos. Para poder conocer la calidad de los resultados, se requiere de una variable de referencia, se selecciona la opción skewness que cuantifica la calidad del mallado con valores de 0 a 1, siendo 0 una excelente calidad y 1 una calidad pobre. En la primera iteración se utilizó el mallado predeterminado y se obtuvo un skewness promedio de 0.54, con la finalidad de mejorar la exactitud del cálculo se agregó el método sizing a ambas piezas, con un valor de 12 mm cada una, el skewness mejoró a 0.29, se intentó utilizar valores de sizing menores pero la limitación de la licencia estudiantil no lo permitió. Figura 32: Mallado en ambas piezas Fuente: Captura de pantalla de ANSYS 5. Resultados de la simulación El último paso dentro del software es agregar los resultados que se busca obtener con la simulación, con el fin de verific