Tesis / 0035 / I.M

DISEÑO DE UN PROTOTIPO PARA MEDIR LA ELASTICIDAD DE PELICULAS POLIMERICAS RESULTANTES DE PROCESOS AGROINDUSTRIALES EN UNIAGRARIA

ANDRÉS LEONARDO GÓMEZ VELANDIA HENRY CAMILO MARTÍNEZ SARMIENTO

FUNDACION UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA BOGOTA D.C. 2015

DISEÑO DE UN PROTOTIPO PARA MEDIR LA ELASTICIDAD DE PELICULAS POLIMERICAS RESULTANTES DE PROCESOS AGROINDUSTRIALES EN UNIAGRARIA

ANDRÉS LEONARDO GÓMEZ VELANDIA HENRY CAMILO MARTÍNEZ SARMIENTO

PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE: INGENIERO MECATRONICO

DIRECTOR DEL PROYECTO DE GRADO ING. FABIO LORENZO ROA CARDENAS INGENIERO MECÁNICO

CODIRECTOR DEL PROYECTO DE GRADO ING. MAURICIO A. SIERRA S. INGENIERO QUIMICO

FUNDACION UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA BOGOTA D.C. 2015

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Nota de Aceptación

Presidente del Jurado

Jurado

Jurado

Bogotá D.C., Junio del año 2015

3

Andrés Dedicatoria Agradezco primero que todo a Dios que me ha guiado en este camino tan importante, a mi Padre y mi Madre por su amor, comprensión y apoyo en esta formación; también a todas las personas que hicieron parte de la culminación de esta meta, a mi novia por su amor y ayuda durante este proceso siento que es un logro de los dos, y especialmente a mi hijo Thomas que me hizo reflexionar de lo importante que es ser alguien en la vida este logro es más que todo tuyo. Gracias.

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Camilo Dedicatoria Agradezco a mis padres y a mi hermano, por ser un apoyo constante y una motivación, siempre lo han sido, gracias por enseñarme a tener metas y que para llegar a ellas hay que trabajar con pasión, dedicación y constancia, así los sueños se hacen realidad, que la felicidad no solo está en la meta, también en el camino todo lo que he hecho en mi vida es por y para ustedes.

También agradezco a mis maestros y compañeros a quienes ahora considero amigos, de los que he aprendido cosas muy valiosas y con quienes he vivido experiencias únicas.

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AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan sus agradecimientos:

A la FUNDACION UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA, quien nos brindó la oportunidad de realizar la carrera de ingeniería Mecatrónica, para prestar un mejor servicio pensando en el sector primario y el cuidado del medio ambiente.

A nuestros maestros, Fabio Roa, Elizabeth Beltrán, Melisa Bautista, Gloria Palacio, quienes con su idoneidad y espíritu investigativo, hicieron posible la realización y culminación de nuestra carrera.

Al programa de ingeniería agroindustrial y al ingeniero Mauricio Sierra, por brindarnos su apoyo, conocimiento y lograr crear un equipo interdisciplinario para proponer y ejecutar ideas, desde diferentes puntos de la ingeniería.

Y a todas las personas que de una u otra manera colaboraron para el desarrollo de este trabajo.

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CONTENIDO Pรกg.

GLOSARIO RESUMEN INTRODUCCION

1. DEFINICION DEL PROBLEMA 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

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2. JUSTIFICACION 2.1. ACADEMICA 2.2. ECONOMICA 2.3. SOCIAL

18 18 18

3. PLANTEAMIENTO METODOLOGICO 3.1. DESARROLLO DEL PROYECTO CON METODOLOGIA ZOOP 3.1.1. ANALISIS DE PROBLEMAS 3.1.2. ANALISIS DE PARTICIPACION 3.1.3. ANALISIS DE OBJETIVOS 3.1.4. ANALISIS DE ALTERNATIVAS 3.1.5. MATRIZ DE MARCO LOGICO

19 19 19 20 20 20

4. OBJETIVO 4.1. OBJETIVO GENERAL 4.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

21 21

5. MARCO TEORICO 5.1. PELICULAS POLIMERICAS 5.2. CONCEPTOS 5.2.1. CAUCHO NATURAL 5.2.2. RECOLECCION DE LATEX 5.2.3. PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS 5.2.4. ENSAYO CARACTERIZACION DE LOS POLIMEROS

22 22 23 23 23 24

7

5.2.5. COMPORTAMIENTO ESFUERZO-DEFORMACION TIPICO 5.2.6. MODULO DE YOUNG 5.3. ANTECEDENTES DEL EQUIPO 5.4. NORMATIVIDAD 5.4.1. NORMA PARA LA CARACTERIZACIÓN DEL PRODUCTO 5.4.2. NORMA ISO37 5.4.3. TABLEROS ELÉCTRICOS 5.4.4. CALIBRACION 5.4.5. TORNILLO DE POTENCIA 6. DESARROLLO DEL PROYECTO. 6.1. ANALISIS DE PROBLEMAS 6.2. ANALISIS DE PARTICIPACION 6.3. ANALISIS DE OBJETIVOS 6.4. ANALISIS DE ALTERNATIVAS 6.5. MATRIZ DE MARCO LOGICO

24 25 27 27 28 29 30 30 32

33 35 37 38 39

7. CONSIDERACION Y ELECCIÓN DE LOS COMPONENTES DE DISEÑO DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A 7.1. ASPECTOS DE DISEÑO 7.2. ELECCIÓN DE EQUIPOS Y COMPONENTES DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A. 7.2.1. EQUIPO DE CONTROL DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A. 7.2.2. SENSORES DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A. 7.2.3. SISTEMA DE VISUALIZACION 7.2.3.1. INTERFAZ HUMANO – MAQUINA 7.2.4. TORNILLO DE POTENCIA 7.2.5. MATERIAL DEL ENVOLVENTE 7.2.6. MOTOR 7.2.6.1. MOTORREDUCTOS CORRIENTE CONTINUA

40 41 41 47 50 51 54 56 57 57

8. DISEÑO DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A. 8.1. DISEÑO ELÉCTRICO DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A. 8.1.1. CONEXIONES DE CONTROL 8.2. DISEÑO MECANICO DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A. 8.2.1. PARTES MECÁNICAS DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A.

8

61 63 66 68

8.2.2. ENVOLVENTE 8.3. DISEﾃ前 DE PROGRAMACION DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A.

69 70

9. COSTOS DEL PROYECTO DE DISEﾃ前 DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A 9.1. VIABILIDAD 9.1.1. VIABILIDAD FINANCIERA 9.1.2. VIABILIDAD DE RECURSOS HUMANOS 9.1.3. VIABILIDAD DE RECURSOS MATERIALES

81 81 81 81

9.2. IMPACTOS 9.2.1. IMPACTO AMBIENTAL 9.2.2. IMPACTO EN LA EDUCACION

82 82

9.3 COSTOS DIRECTOS E INDIRECTOS 9.3.1. COSTOS DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A.

82 84

10. RESULTADOS

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11. CONCLUSIONES

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12. RECOMENDACIONES

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13. REFERENCIAS

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LISTA DE TABLAS

TABLA 1. PARAMETROS DE LA NORMA ISO 37.

TABLA 2. ANALISIS DE PARTICIPACION TABLA 3. ANALISIS DE ALTERNATIVAS TABLA 4 .COMPARATIVA DEL SENSOR DE FUERZA DEL EQUIPO TABLA 5 .COMPARATIVA DEL SENSOR DE DEFORMACIÓN DEL EQUIPO TABLA 6. COMPARATIVA DEL SENSOR DE PROXIMIDAD DEL EQUIPO TABLA 7. RECOPILACION DE LOS SENSORES QUE SE ESCOGIERON TABLA 8. CARACTERISTICAS DEL HMI TABLA 9. PARAMETRO CARACTERISTICA DEL DOGA 111 TABLA 10. BASE PARA COMPARACION Y REQUERIMIENTOS TABLA 11. TABLA DE VARIABLES TABLA 12. COSTOS DIRECTOS E INDIRECTOS DE LA EJECUCIÓN DEL PROYECTO HASTA SU ETAPA DE DISEÑO TABLA 13. COSTOS DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION DE DISEÑO

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29 36 38 47 48 49 50 52 58 60 79 81 83

LISTA DE FIGURAS Pág FIGURA 1. CURVA CARACTERÍSTICA DEL MÓDULO DE YOUNG FIGURA 2. GRÁFICO TENSIÓN DEFORMACIÓN. FIGURA 3. DINAMÓMETRO FIGURA 4. ROSCA ACME FIGURA 5. ROSCA CUADRADA FIGURA 6. ARBOL DE PROBLEMAS FIGURA 7. ARBOL DE OBJETIVOS FIGURA 8. EJEMPLO MATRIZ DE MARCO LOGICO FIGURA 9. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL EQUIPO FIGURA 10. PLC TWIDO FIGURA 11. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA ESTRUCTURA PLC FIGURA 12. PLC TWIDO CON MÓDULO DE AMPLIACIÓN FIGURA 13. HMI MAGELIS XBTGT2330.

FIGURA 14. ROSCA CUADRADA FIGURA 15. TORNILLO DE POTENCIA FIGURA 16. DESARROLLO DE ROSCA PARA CÁLCULO DE TORNILLO FIGURA 17. ENVOLVENTE DEL EQUIPO FIGURA 18. MOTORREDUCTOR DOGA 111 FIGURA 19. DIMENSIONES DEL MOTOR DOGA 111 FIGURA 20. PLANO ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA FIGURA 21. CONEXIONES ENTRADAS FIGURA 22. CONEXIONES SALIDAS FIGURA 23. DISPOSICION DEL TABLERO ELECTRICO FIGURA 24. VISTA FRONTAL CON PUERTA FIGURA 25. MECANISMO FIGURA 26. VISTA POSTERIOR DEL ENVOLVENTE FIGURA 27. DIAGRAMA DE FLUJO GENERAL DEL PROGRAMA FIGURA 28. CONFIGURACIÓN DE HARDWARE EN TWIDO SUITE FIGURA 29. GRÁFICO DE LA ESCALA FIGURA 30. CONFIGURACIÓN DE ENTRADAS ANÁLOGAS FIGURA 31. CONFIGURACIÓN IP DEL PLC FIGURA 32. GRAFICO DE LARGO FINAL FIGURA 33. GRAFICA TENSION EN PROBETA FIGURA 34. VISTA FRONTAL MECÁNICA, RENDERIZADA

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25 26 30 32 32 34 37 39 41 42 43 45 53 54 54 55 56 57 58 63 64 65 66 67 68 70 71 72 73 74 74 75 77 86

FIGURA 35. VISTA FRONTALMECÁNICA SIN PUERTA, RENDERIZADA FIGURA 36. VISTA ISOMÉTRICA MECÁNICA SIN PUERTA, RENDERIZADA FIGURA 37.DETALLE FRONTAL DE UBICACIÓN MECÁNICA SIN PUERTA, RENDERIZADA FIGURA 38. DETALLE ISOMÉTRICO DE PÁNEL DE CONTROL, RENDERIZADO FIGURA 39. DETALLE ISOMÉTRICO DE MECANISMO, RENDERIZADO FIGURA 40. TENSIÓN DE VON MISES (PEEK) FIGURA 41. DESPLAZAMIENTOS RESULTANTES (PEEK) FIGURA 42. DEFORMACIÓN UNITARIA (PEEK) FIGURA 43. TENSIÓN DE VON MISES (POM) FIGURA 44. DESPLAZAMIENTOS RESULTANTES (POM) FIGURA 45. DEFORMACIÓN UNITARIA (POM)

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87 87 88 88 89 90 91 91 92 93 93

LISTA DE ANEXOS Pรกg ANEXO A. COMPILACION DE INFORMACION DE SENSORES DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A.

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ANEXO B. METODOLOGIA EXCLUIDA.

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ANEXO C. DIAGRAMAS DEL EQUIPO

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ANEXO D. MANUAL DE USUARIO DEL PROGRAMA

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ANEXO E. MATRIZ DE MARCO Lร GICO

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ANEXO F. SIMULACION PROBETA

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GLOSARIO

DISEÑO: Se refiere al área de Ingeniería, Es la creación de planos necesarios para que las máquinas, las estructuras, los sistemas o los procesos desarrollen las funciones deseadas.

Equipo M.E.P.P.U.A: (Modulo de Elasticidad en Películas Poliméricas de la Universidad Agraria).

MÓDULO DE YOUNG: Comportamiento de un material elástico (constante de elasticidad), según la dirección en la que se aplica una fuerza.

PROTOTIPO: Primer ejemplar de alguna cosa que se toma como modelo para crear otros de la misma clase.

SISTEMA: Es un objeto complejo cuyos componentes se relacionan con al menos algún otro componente.

ZOPP: En Alemán “ZielOrientierte ProjektPlanung”, Planificación de Proyectos orientada a Objetivos.

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RESUMEN

En Colombia el estudio y aplicación de los materiales amigables con el medio ambiente se ha presentado de manera importante, por ello en UNIAGRARIA (FUNDACION UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA), se realizan investigaciones en el área de Ingeniería en donde se involucra el material elástico, como necesidad por parte del programa de Ingeniería Agroindustrial esta adquirir un equipo que mida el parámetro de elasticidad Módulo de Young.

La adquisición de esta variable Modulo de Young se lleva a cabo por medio del Equipo M.E.P.P.U.A, (Modulo de Elasticidad en Películas Poliméricas de la Universidad Agraria, de ahora en adelante entiéndase como equipo de diseño en el proyecto de grado), el cual como solución al problema se diseñó tomando como base las necesidades específicas requeridas para las investigaciones en UNIAGRARIA. Para dar cumplimiento al Objetivo del proyecto, se hizo uso de la metodología ZOPP (en alemán ZielOrientierte ProjektPlanung, Planificación de proyectos orientada a objetivos), la cual planifica el proyecto a través de objetivos, de la cual se realizó como primera medida una investigación del comportamiento de las películas poliméricas, diferentes métodos usados para medir el Modulo de Young en las películas poliméricas; para después tener bases para el diseño de un prototipo en etapa mecánica, eléctrica y de programación, con el propósito de la medición del parámetro exigido en los estudios agroindustriales anteriormente señalados.

El diseño tiene como finalidad visualizar el comportamiento del parámetro con respecto al Modulo de Young, por una pantalla táctil que permita ver la grafica tensión deformación, contando así con un equipo fácil de usar gracias al manual de operaciones que traerá incluido para manejo de los estudiantes y creando así una ayuda al desarrollo de investigaciones en Colombia.

PALABRAS CLAVES. Equipo M.E.P.P.U.A (Modulo de Elasticidad en Películas Poliméricas de la Universidad Agraria), Prototipo, ZOPP, Diseño, Parámetro, Módulo de Young, Solución, Medición.

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INTRODUCCIÓN

En UNIAGRARIA en el programa de Ingeniería Agroindustrial, se encuentra la necesidad de tener un equipo que de confiabilidad en medición de parámetros para obtener el Módulo de Young de productos en etapa de desarrollo, para llevar a cabo en estudios de comportamientos de materiales resultantes de procesos agroindustriales llamados películas poliméricas, que tienen como uso característico la creación de nuevos materiales.

En consecuencia, se diseña el Equipo M.E.P.P.U.A, que tiene como objetivo generar de forma visual la medición del Modulo de Young, tras una metodología para el desarrollo del proyecto de Ingeniería, donde se desarrollan los temas de Investigación de las películas poliméricas, selección de componentes del diseño, diseño del equipo, costos y presupuesto, conclusiones, y manual de uso del software; con la finalidad de llegar al objetivo del proyecto de una forma correcta y aplicable.

El desarrollo de este proyecto de grado, se dispone partiendo de la visión del programa de Ingeniería Mecatronica de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia “Para el año 2021 el programa de Ingeniería Mecatrónica de UNIAGRARIA será reconocido por la calidad de la formación de sus profesionales y por sus aportes a la innovación de sistemas mecatrónicos que promuevan el desarrollo de las regiones y la ruralidad” 8.

De esta manera se quiere resaltar la importancia de los proyectos agroindustriales en el país, que deben ser un factor notable, de esta manera el estudiante en su necesidad de crear desde su etapa de formación debe tener en cuenta, normativas impuestas, y parámetros para llegar al diseño un nuevo producto con calidad, que permita un avance escalonado a nivel internacional en Ingeniería, como lo es la utilización de productos agroindustriales de forma innovadora en el país, frente a un marco internacional continuamente exigente.

Así pues aplicando conocimientos que generen ideas de solución a problemas reales de Ingeniería, en este caso el sector educativo Agroindustria del país; Como lo es contribuyendo por medio del diseño a la construcción de una máquina que colabore en las etapas de creación de un material con base en productos amigables con el ambiente, por ser uno de los pilares de Uniagraria.

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1. DEFINICION DEL PROBLEMA

1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En la Actualidad la Agroindustria ofrece estudios que van de la mano con los tratamientos químicos y físicos de materiales amigables con el medio ambiente, dentro de los tratamientos existentes esta el del caucho natural, el cual se estudia en la Fundación Universitaria Agraria de Colombia por parte del programa de Ingeniería Agroindustrial.

Para llevar a cabo el tratamiento del caucho natural es necesario tener un equipo que mida el módulo de Young, que según la metodología de tratamiento del polímero se pueda tener un dato de la medición, en cada prueba se debe cumplir con parámetros para saber cómo manipularlo y que se podría llegar a adicionar o quitar al polímero para mejorar su resistencia.

Debido a los anteriores tratamientos del polímero, se hace necesario diseñar un equipo que cumpla con las características de medición del modulo de Young, adquiriendo el parámetro de elasticidad de la película polimérica en estudio, así disminuir tiempo en operación del estudio que se esté realizando, ya que en la actualidad los estudiantes para medir dicho parámetro deben desplazarse a otras entidades educativas para tener el diagrama de deformación del polímero midiendo el módulo de Young, afectando factores como tiempo, dinero, entre otros.

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2. JUSTIFICACIÓN

La finalidad de la Ingeniería en general es llevar a cabo soluciones partiendo de problemas reales, en este proyecto de grado se expone esto; donde iniciando de un problema se lleva a cabo una solución por una metodología que encierra a manera general una técnica y una teoría, con base al diseño de la Ingeniería en UNIAGRARIA.

2.1. ACADEMICA. Debido a la necesidad de un equipo para medición del parámetro de elasticidad (Módulo de Young); se realizó el diseño del Equipo M.E.P.P.U.A para que posteriormente se pueda implementar. Para UNIAGRARIA mejoraría la calidad de las investigaciones en las diferentes áreas que lo requieran y se vería la adquisición de un equipo en los laboratorios, beneficiando a los estudiantes de la Universidad.

2.2. ECONOMICA La mejora económica de los estudiantes que llevan a cabo los estudios de los materiales agroindustriales, como una solución al problema, desde la ingeniería se realizó el diseño del Equipo M.E.P.P.U.A, para medir la elasticidad de películas poliméricas resultantes de procesos agroindustriales en UNIAGRARIA, al ver la necesidad involucrada en el desarrollo de las investigaciones, en la cual los estudiantes se debían desplazar a otras instituciones que si tuvieran maquinaria para la medición de la variable Modulo de Young, pagar el uso, aprender de su manejo y tomar la muestra de datos debido al tiempo de préstamo.

2.3. SOCIAL La propuesta de diseño del Equipo M.E.P.P.U.A da un impacto social importante, frente a los estudiantes interesados por la investigación de las películas poliméricas subproductos de prácticas agroindustriales, se ve una forma de trabajo de la Ingeniería Mecatrónica en la agroindustria para ayudar el desarrollo investigativo del país y de los estudiantes; ya que la ingeniería en si busca la optimización de factores que afecten a un producto en su finalidad.

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3. PLANTEAMENTO METODOLOGICO

3.1. DESARROLLO DEL PROYECTO CON LA METODOLOGIA ZOPP Se plantea la metodología ZOPP (en alemán ZielOrientierte ProjektPlanung) 9, es una metodología por la cual se planifica el proyecto orientado a objetivos, que principalmente lo que ofrece es una manera general y controlada de percibir las actividades que hacen parte del desarrollo del proyecto, evaluando de manera eficáz el proceso según los objetivos que se están imponiendo.

Se escogió esta metodología por que da una visión acertada y clara por medio de cumplimiento de objetivos, hasta cumplir con el Objetivo General y realizando actividades lo cual controla que todo lo impuesto se cumpla, es un método eficaz para un trabajo que requiere de muchas actividades para su consecución.

La metodología contempla: Análisis de Problemas, Análisis de participación, Análisis de Objetivos, y Análisis de Alternativas.

3.1.1. ANALISIS DE PROBLEMAS Mediante este primer paso se analiza el enfoque que se aplicará para el desarrollo del proyecto, con el alcance y los factores que influyen en el problema que se resolverá como Objetivo General del proyecto en ejecución.

Tiene como finalidad identificar los principales problemas, con respecto a la situación, ver de manera práctica el problema central, “relaciona causas y efectos del proyecto para toma de decisiones con viabilidad” .9.

3.1.2. ANALISIS DE PARTICIPACION Este segundo paso proporciona un panorama de los involucrados en el proyecto, teniendo en cuenta un calificador: Alto, Medio o Bajo.

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De esta manera se analiza a quien le beneficia el producto y a quien no, dando un estimado de que a cada persona involucrada así sea de una manera poco significativa, le produce efectos la realización del proyecto.

3.1.3. ANALISIS DE OBJETIVOS Este tercer paso permite una apreciación de lo que se alcanzará mediante la solución de los problemas en el transcurso de la ejecución del proyecto.

Se describe la situación futura, que será alcanzada mediante la solución de los problemas, se realizó este análisis con base a un Árbol de Objetivos, el cual tiene como función mostrar la formulación de las relaciones, medios y fines para dar una lógica al desarrollo del proyecto y tener una visualización clara de las posibles soluciones que puede generarse para acabar el problema.

3.1.4. ANALISIS DE ALTERNATIVAS Este es el paso a las soluciones tras la indagación y análisis se pueden inferir varios desarrollos y elegir el mas optimo y eficaz, teniendo en cuenta las siguientes etapas; que se dé cumplimiento a todo lo que sea base fundamental del Objetivo General del proyecto, recursos a disposición (capacidad instalada), probabilidad de alcanzar los Objetivos, relación coste / beneficio, y riesgos sociales.

3.1.5. MATRIZ DE MARCO LÓGICO Como última medida está la matriz de marco lógico, que contempla un análisis general de la relación entre la jerarquía del proyecto que son: la finalidad, Propósito, Resultados, y Actividades; con los Indicadores, Verificación y supuestos. Al tener lo anterior en un cuadro generara el desarrollo del análisis para llegar al cumplimiento del Objetivo General, mostrando así la importancia de cada tarea para cumplir con las metas que esta distinción propone.

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4. OBJETIVOS

4.1. OBJETIVO GENERAL o Diseñar un equipo que permita medir el Módulo de Young de películas poliméricas, fabricadas a partir de subproductos agroindustriales para ser utilizado en el desarrollo de investigaciones, que se llevan a cabo en el programa de ingeniería agroindustrial de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia.

4.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS o Revisión conceptual de las variables y los factores que influyen en el Modulo de Young en el diseño con respecto a películas poliméricas. o Diseñar un sistema para realizar la medición de las variables de acuerdo a los parámetros de diseño. o Desarrollar un programa para calcular y visualizar el Módulo de Young de la muestra, con su respectivo manual de funcionamiento.

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5. MARCO TEÓRICO

5.1. PELICULAS POLIMERICAS La investigación se lleva a cabo a partir de estudios que se hizo en laboratorios de Ingeniería Agroindustrial, los cuales se sustentan en investigaciones que se están presentes en la práctica que se debe hacer por medio del método del casting a los polímeros, para mejorar sus propiedades donde se evidencia la necesidad a la cual se está direccionando el proyecto.

Las películas poliméricas son desarrolladas a partir de proteína aislada de diferentes productos provenientes del sector agropecuario, como es el caso de la soya, suero lácteo, en el programa de ingeniería agroindustrial de Uniagraria se están desarrollando a partir de torta de Jatropha.

Son elaboradas utilizando el método de casting, el cual consiste en la disolución del polímero en solventes orgánicos como la acetona, para llevar la solución hasta una consistencia de gel, que es procesado con diferentes concentraciones de etanol, agua, para obtener una película microporosa. Existen otros métodos para la realización, como pueden ser: Disolución y colada con liberación de partículas, laminación de membranas, separación de fases, saturación con gas, espumado con alta presión y liberación de partículas, liofilización, unión de fibras, impresión tridimensional, entre otras “Desarrollo y caracterización de materiales biodegradables para regeneración ósea”, 3.

El caucho se puede denominar como una sustancia natural, con propiedades sintéticas que se caracteriza por su elasticidad favoreciendo a procesos industriales, repelencia al agua y{ resistencia eléctrica. El caucho natural se obtiene de látex, que se encuentra en algunas plantas. El caucho sintético se prepara a partir de hidrocarburos insaturados .4.

5.2. CONCEPTOS Es importante basarse en algunos conceptos para llegar a la finalidad de lo que se quiere como proyecto. Para esto se presentan las siguientes compilaciones de conceptos y teorías que por su compatibilidad tendrán un valor agregado desde la Ingeniería.

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Se precisan los siguientes términos en cuanto a los cauchos.

5.2.1. CAUCHO NATURAL En estado natural, el caucho aparece en forma de suspensión coloidal en el látex de plantas productoras del mismo. Esta planta es el árbol de la especie Hevea Brasiliensis, de la familia de las Euforbiáceas, originario del Amazonas. Otra planta productora de caucho es el árbol del hule, Castilloaelastica, originario de México, muy utilizado desde la época prehispánica para la fabricación de pelotas, instrumento primordial del juego de pelota, deporte religioso y simbólico que practicaban los antiguos mayas. Indonesia, Malaysia, Tailandia, China y la India producen actualmente alrededor del 90% del caucho natural .3.

5.2.2. RECOLECCIÓN DEL LÁTEX En las plantaciones lo que se hace es un corte diagonal en ángulo hacia abajo en la corteza del árbol. El corte tiene una extensión de un tercio o de la mitad de la circunferencia del tronco. El látex exuda desde el corte y se recoge en un recipiente, la cantidad de látex que se extrae de cada corte suele ser de unos 30 ml para después arrancar un trozo de corteza de la base del tronco para volver a tapar el corte, normalmente al día siguiente para que cuando los cortes llegan hasta el suelo, se deja que la corteza se renueve antes de practicar nuevos cortes 5.

5.2.3. PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS El caucho bruto en estado natural es un hidrocarburo blanco o incoloro.

El compuesto de caucho más simple es el isopreno o 2-metilbutadieno, cuya fórmula química es C5H8. A la temperatura del aire líquido, alrededor de -195 ºC, el caucho puro es un sólido duro y transparente. De 0 a 10 ºC es frágil y opaco, y por encima de 20 ºC se vuelve blando, flexible y translúcido. Al amasarlo mecánicamente, o al calentarlo por encima de 50 ºC, el caucho adquiere una textura de plástico pegajoso. A temperaturas de 200 ºC o superiores se descompone.

El caucho puro es insoluble en agua, álcali o ácidos débiles, y soluble en benceno, petróleo, hidrocarburos clorados y disulfuro de carbono. Con agentes oxidantes

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químicos se oxida rápidamente, pero con el oxígeno de la atmósfera lo hace lentamente 7.

5.2.4. ENSAYO Y CARACTERIZACIÓN DE LOS POLÍMEROS En la industria de los polímeros se ve una aceptación por parte del público por la garantía que ofrece en cuanto a calidad basada en el conocimiento de resultados positivos de ensayos fiables y a largo plazo. Por otro lado, el mal comportamiento en uso de algunos polímeros sintéticos está relacionado con fracasos que probablemente podrían haberse evitado mediante ensayos, diseño y control de calidad apropiados 2.

La American Society for testing and materials .8, a través de sus comisiones de pintura D-1 y de plásticos D-20, ha desarrollado numerosos ensayos normalizados a los que deberán referirse todos los fabricantes y usuarios de materiales poliméricos .10. Existen también numerosos grupos de cooperación en otras asociaciones técnicas el American National Standards Institute .24., la ISO, la BSI, la DNA en Alemania, y asociaciones equivalentes en países desarrollados del mundo entero. 2.

5.2.5. COMPORTAMIENTO ESFUERZO-DEFORMACION TIPICO Como se ha dicho antes, la mayoría de los ensayos físicos requieren medidas no destructivas. Para nuestros propósitos se pueden describir tres tipos de medidas de esfuerzos mecánicos. El cociente del esfuerzo aplicado y la deformación se denomina módulo de Young. Esta relación también se llama módulo de elasticidad y módulo de tracción. Se calcula dividiendo el esfuerzo por la deformación.

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FIGURA 1. CURVA CARACTERÍSTICA DEL MÓDULO DE YOUNG

Tomado de “Ciencia de los polímeros”4.

5.2.6. MODULO DE YOUNG El módulo de Young se basa en elasticidad longitudinal, es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material elástico, según la dirección en la que se aplica una fuerza. Este comportamiento fue observado y estudiado por el científico inglés Thomas Young .7.

Para un material elástico lineal e isótropo, el módulo de Young tiene el mismo valor para una tracción que para una compresión, siendo una constante independiente del esfuerzo siempre que no exceda de un valor máximo denominado límite elástico, y es siempre mayor que cero: si se tracciona una barra, aumenta de longitud .7.

Tanto el módulo de Young como el límite elástico son distintos para los diversos materiales. El módulo de elasticidad es una constante elástica que, al igual que el límite elástico, puede encontrarse empíricamente mediante ensayo de tracción del material. Además de este módulo de elasticidad longitudinal, puede definirse el módulo de elasticidad transversal de un material 6.

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Formula Modulo de Young.

(1)

FIGURA 2. GRÁFICO TENSIÓN DEFORMACIÓN.

Tomada de BILLMEYER, FRED.4 Para medir el módulo de elasticidad de las películas poliméricas, se debe estirar el material y obtener datos de variación de longitud y fuerza .6. el método consiste en ubicar una probeta entre dos mordazas que estiran el material, el estiramiento se da separando las dos mordazas con la fuerza aplicada 490 N, desde un motorreductor a un tornillo de potencia, se adquiere la tensión de la muestra con una célula de carga, y la variación de la longitud con un sensor de distancia, dichas variables junto con las medidas de la muestra son utilizadas por el programa, para calcular el módulo de elasticidad.

No es recomendable tomar esta prueba de forma manual ya que es necesario usar elementos como dinamómetros, metros, entre otros.

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5.3. ANTECEDENTES DEL EQUIPO El método para realizar las pruebas de control de calidad en los caucho latex está siendo llevado a cabo en la actualidad con diversos equipos que permiten la medición del módulo de elasticidad, como es el caso de la máquina universal de ensayos, que es utilizada para realizar pruebas de tracción.

En Colombia son utilizadas en la industria de los cauchos y resortes para garantizar la calidad de sus productos, también en algunas universidades son utilizadas con fines de investigación. En la Universidad Nacional de Palmira hay un equipo de este tipo, de la marca japonesa Shimadzu 5. Otro de los equipos que son utilizados para dicha medición son los texturómetros, que no están diseñados para realizar este tipo de medición, sin embargo son utilizados para estirar el material e identificar la variación de la longitud y la fuerza requerida, variables fundamentales para medir el módulo de elasticidad manualmente, como es el caso de la Universidad de la Sabana que cuenta con un texturómetro TA-XT2 de la empresa StableMicrosystem .4, este equipo solo puede llegar a ejercer una fuerza máxima de 5 Kilogramos - fuerza que no es suficiente para lograr un estiramiento en las películas, este es al que acuden los investigadores de Uniagraria, pero obtienen que al no ser un equipo adecuado tienen variación significativa entre el resultado y la práctica.

También existe otro tipo de equipos que permiten la evaluación del módulo de elasticidad utilizando otro método como la interferometría electrónica de moteado conocido como ESPI, que miden la deformación del material utilizando las ondas de luz como escala, este tipo de equipo es conocido como extensómetro interferómetrico o extensómetro óptico .5.

5.4. NORMATIVIDAD Dentro de la regulación internacional y nacional existen como control y seguridad parámetros normativos para cada actividad dentro de un producto, por ello se evidencia la siguiente normatividad pertinente para el diseño del producto.

27

5.4.1. NORMA PARA LA CARACTERIZACIÓN DEL PRODUCTO Métodos de prueba estándar para las características rubber- viscosidad, relajación de la tensión y de pre-vulcanización (viscosímetro Mooney) 1. Ámbito de aplicación 1.1 Estos métodos de ensayo cubren procedimientos para medir una propiedad llamada viscosidad Mooney. Viscosidad Mooney se define como el par de corte resistiendo la rotación de un disco de metal cilíndrico (o el rotor) incrustado en caucho dentro de una cavidad cilíndrica. Las dimensiones del viscosímetro de disco de cizallamiento, temperatura de ensayo, y los productores para determinar la viscosidad Mooney se definen en estos métodos de ensayo.

1.2 Cuando la rotación del disco se detuvo bruscamente, el par o el estrés sobre el rotor disminuye en algún tipo de función de caucho se está probando y el temperatura de la prueba. Esto se llama "relajación de la tensión" y estos métodos ensayo describe un método de prueba para la medición de esta relajación.

1.3 Cuando caucho compuesto se coloca en el viscosímetro Mooney a una temperatura a la que se puede producir la vulcanización, la reacción de vulcanización produce un aumento de par.

Estos métodos de ensayo incluyen procedimientos para medir la velocidad inicial de la vulcanización del caucho.

1.4 ISO 289, partes 1 y 2 también se describe la determinación de Monneyvicosity y características de vulcanización previas, Además de algunas diferencias insignificantes existen grandes differenes técnicas entre ISO 289 y este método de ensayo en que la norma ISO 289 no prevé preparación muestra en un molino, mientras que esta prueba antes de usar una prueba de viscosidad Mooney. Esto puede resultar en diferentes valores para algunos cauchos.

28

5.4.2. NORMA ISO37 Hace relación al método de la prueba. Ha sido preparado incorporando las especificaciones pertinentes de la norma de prueba internacional, con el gran conocimiento y experiencia aplicativa crear una rutina de prueba compatible con el estándar de fácil uso.

TABLA 1. PARAMETROS DE LA NORMA ISO 37 ACCESORIOS TÍPICOS PARA LA APLICACIÓN Tipo de mordaza de tracción: mordazas de autoapretado mordazas neumáticas (necesitan un equipo de control de aire) anilla de fijación con el husillo: diámetro de 1/4" para el tipo A, diámetro de 1/8" para el tipo B Perfil de la mandíbula: se recomiendan mandíbulas recubiertas de caucho para usar con cauchos termoplásticos y vulcanizados Extensometría: extensómetro de largo recorrido extensómetro de video con lentes de campo de visión (FOV) de 200mm Equipo de control de aire: equipo de control de aire con interruptores con funcionan con el pie Tomado de: Autores.

En Cuanto a Tableros Esta La Normatividad Nacional Avances En La Implementación Del Reglamento Técnico De Instalaciones Eléctricas - RETIE –

29

5.4.3. TABLEROS ELÉCTRICOS Aplica a los llamados cuadros, gabinetes, paneles, consolas o armarios eléctricos de baja y media tensión, principales, de distribución, de protección o de control que alojen elementos o aparatos de potencia eléctrica de 24 V o más o sean de uso exclusivo para este propósito, usados en las instalaciones objeto del RETIE, de baja o media tensión.

El fabricante o comercializador de los tableros de fabricación única, podrá reemplazar el certificado de tercera parte, por la declaración de fabricante, Debe utilizar productos de calidad debidamente certificada, incluir dentro de los protocolos de ensayos la información y pruebas necesarias para la verificación de los parámetros y requisitos establecidos en RETIE. La declaración del fabricante, deberá ser validada y suscrita por ingeniero electricista o electromecánico.

Debe ser revisada por el inspector de la instalación y dejará constancia de esto en el dictamen de inspección.

Tablero de fabricación única es aquel que no se vuelven a fabricar otro con las mismas especificaciones.

5.4.4. CALIBRACION Principalmente se debe utilizar un instrumento llamado Dinamómetro que es el que verifica las fuerzas generadas por el Equipo en el ensayo.

FIGURA 3. DINAMÓMETRO

Tomado de Evaluación de películas comestibles de almidón de yuca y proteína aislada de soya en la conservación de fresas, Nova”. 5.

30

NORMAS ISO 7500 1 Y 2 Las normas ISO 7500, parte 1 y 2, hacen referencia a la verificación de las máquinas para realizar ensayos estáticos uniaxiales de materiales metálicos.

NORMA ISO 7500 Máquinas de ensayo de tracción/compresión: Verificación y calibración del sistema de medición de fuerza. 7500, 22

Norma ISO 7500 2 Máquinas de ensayos de fluencia en tracción - Verificación y calibración del sistema de medición de fuerza.

Las anteriores normas exigen la utilización de dinamómetros calibrados y clasificados según la norma ISO 376. La clase de precisión necesaria depende de la precisión de la máquina.

Aunque las normas ISO 7500 1 y 2 se han definido para los materiales metálicos, su utilización se extiende últimamente a otros tipos de materiales para los que no existe ninguna norma específica.

NORMA EN 12390-4 La norma europea EN 12390 parte 4 hace referencia a la verificación de las máquinas utilizadas en ensayos con Hormigón endurecido.

Norma EN 12390 4 Resistencia a la compresión - Características de las máquinas de ensayo Desde el punto de vista de las fuerzas, esta norma específica dos tipos de verificación:

31

La fuerza de compresión generada por la máquina de ensayo sobre la probeta, cuyas características metrológicas se miden con un dinamómetro de compresión previamente calibrado y clasificado según la norma ISO 376.

La transferencia de la fuerza de compresión a la probeta probada. Esta verificación exige un sensor de compresión particular denominado “cilindro de deformación ". (ISO376, 2012) 5.4.5. TORNILLO DE POTENCIA. Como parte de diseño del equipo es indispensable tener claro la teoría y el cálculo del tornillo de potencia, ya que este suministra el cambio directo es una maquina es cuanto a un movimiento rotacional a uno lineal, de esta forma se transmite potencia.

En cuanto a la rosca del tornillo, necesariamente para potencia se debe usar las formas de rosca acmé y cuadrada, ya que son mecanismos irreversibles “McGrawHill”, 25.

FIGURA 4. ROSCA ACME

Tomado de de: “Zapata”.40.

FIGURA 5. ROSCA CUADRADA

Tomado de de: “Zapata”.40.

32

Para el diseño de un tornillo de potencia se debe tener en cuenta diferentes aspectos que tiene esta herramienta, como lo son: Paso: es la distancia existente desde un punto sobre un filete hasta el punto correspondiente sobre el ángulo adyacente.

Avance: es la distancia que avanza el tornillo relativo a la tuerca en una rotación.

Para un tornillo de rosca sencilla, el avance es igual al paso. Para un tornillo.

Rosca doble el avance es el doble del paso, etc.

El ángulo de la hélice - está relacionado con el avance y el radio medio - por la ecuación: (1) En algunos cálculos se usara el ángulo que mide la pendiente del perfil de la rosca. Esta relación con el ángulo en la sección axial y el ángulo de la hélice como: (2)

6. DESARROLLO DEL PROYECTO

6.1. ANALISIS DE PROBLEMAS El problema central del proyecto es el siguiente, en UNIAGRARIA existe la necesidad de adquirir un equipo, para realizar pruebas que permitan la adquisición del módulo de Young, de materiales resultantes de subproductos agroindustriales generados en investigaciones llevadas a cabo por el programa de ingeniería agroindustrial.

En la actualidad los estudiantes que requieran medir dicho módulo deben solicitar permisos y realizar pagos a otras instituciones por la utilización de equipos que permitan dicha medición, por lo tanto deben cancelar el valor por el uso, transportarse hasta el laboratorio, aprender el uso del equipo, para luego hacer los ensayos; todo este proceso requiere de tiempo y dinero, retrasando y dificultando las investigaciones que impactan directamente el medio ambiente y en algunos casos el desarrollo rural.

33

FIGURA 6. ARBOL DE PROBLEMAS.

Tomado de: Autores.

En la FIGURA 6, se contempla un problema central que está rodeado de causas y efectos, donde las causas están en la parte posterior de la figura en color rojo y los efectos están en la parte superior con color verde, al compilar esta información se resuelve que las causas que contemplan el problema se basan en la necesidad del equipo y el por qué adquirirlo por parte de UNIAGRARIA, teniendo el problema causa que por parte de las investigaciones en cuanto al tiempo y dinero que se debe gastar para sacar la muestra y llevar a cabo los estudios de las películas poliméricas.

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6.2. ANALISIS DE PARTICIPACION En la TABLA 2, en forma horizontal están los aspectos necesarios para el análisis de manera que muestren su significancia con respecto al proyecto: INVOLUCRADOS: Hace referencia a los diferentes grupos de personas u organizaciones que estarán sometidos al análisis participativo.

ESTUDIANTES DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL (BENEFICIADOS): El grupo de estudiantes de Ingeniería Agroindustrial que estudian las películas poliméricas en UNIAGRARIA. COMUNIDAD UNIAGRARISTA: Se refiere al grupo de estudiantes de UNIAGRARIA, que no están relacionados con los estudios de las películas poliméricas del programa de Ingeniería Agroindustrial.

REALIZADORES: Son los desarrolladores del proyecto, aplicando la ingeniería a una problemática real.

LABORATORIOS DE UNIAGRARIA: Espacio donde se necesita el equipo, es donde se evidenciara la mejora para las investigaciones agroindustriales.

INVESTIGADORES DEL FENOMENO (EXTERNOS DE UNIAGRARIA): Se relaciona a los investigadores que tengan relación con el módulo de Young en otras instituciones.

CONSUMIDORES INDIRECTOS: Son los involucrados que tendrán un impacto indirecto, a la obtención del equipo los beneficiados de las investigaciones agroindustriales.

CALIFICADOR: Muestra un nivel significativo de nexo entre el involucrado y el proyecto, de esta manera se determina que grupos de personas se beneficiaran directa o indirectamente con el proyecto.

PROBLEMA: Asunto que requiere de una solución, la razón de llevar a cabo el proyecto y el porqué de cada involucrado.

IMPACTO: Resultado estimado del desarrollo del proyecto.

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TABLA 2. ANALISIS DE PARTICIPACION INVOLUCRADOS

CALIFICADOR

PROBLEMA

IMPACTO

ESTUDIANTES DE INGENIERIA AGROINDUSTRIAL (BENEFICIADOS)

ALTO

NECESIDAD DE EQUIPO

OBTENCION DEL EQUIPO

COMUNIDAD UNIAGRARISTA

MEDIO

EQUIPO PARA OTRO TIPO DE ESTUDIO

BENEFICIO INDIRECTO

REALIZADORES

ALTO

CONTRIBUCION A LAS INVESTIGACIONES

APLICACIÓN DE LA INGENIERIA A UN PROBLEMA REAL

LABORATORIOS EN UNIAGRARIA

ALTO

EQUIPOS NO ADECUADOS PARA LA MEDICION DEL MODULO DE YOUNG

FORTALECIMIENTO DE EQUIPOS DE LABORATORIO EN UNIAGRARIA

INVESTIGADORES DEL FENOMENO (EXTERNOS DE UNIAGRARIA)

ALTO

POCOS EQUIPOS EN COLOMBIA QUE BRINDEN LA MEDICION DEL MODULO DE YOUNG

ANTECEDENTES PARA INVESTIGACIONES DE FENOMENOS ASOCIADOS.

CONSUMIDORES INDIRECTOS

BAJO

BENEFICIO BAJO DE EFICACIA EN TIEMPO UN PRODUCTO A DE OBTENCION DE BASE DE NUEVOS MATERIALES PRODUCTOS A BASE AGROINDUSTRIALES DE MATERIALES AGROINDUSTRIALES

Tomado de: Autores.

La TABLA 2 da una vista general a los involucrados en el proyecto tanto los beneficiados directamente como los beneficiados indirectamente, también los que contribuyen al desarrollo del proyecto, obteniendo así una justificación didáctica de la realización del proyecto en un marco social beneficiando al estudio de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia específicamente en el programa de Ingeniería Agroindustrial.

36

6.3. ANALISIS DE OBJETIVOS En el árbol de objetivos, tras la relación de medios y fines se efectúa una visión más clara para obtener alternativas que lleven a una solución, que es la finalidad del proyecto, de esta manera concluir con que camino optar en el momento de relacionar todo lo analizado anteriormente y tener un desarrollo óptimo y eficaz.

Alcance del Proyecto: El proyecto será llevado a cabo hasta el diseño del prototipo, el cual dará parámetros que permitirá tensar la película polimérica, y posteriormente la visualización por medio de un software; los planos del mismo y manuales del software para utilización.

FIGURA 7. ARBOL DE OBJETIVOS.

Tomado de: Autores.

37

Del anterior análisis en la FIGURA 7. Se determinan los objetivos del proyecto, los cuales tienen como principales metas, el diseño, consulta de lo pertinente al modulo de Young, la importancia ya que determina un alcance por objetivos y da una expectativa real de lo que se obtendrá al final del proyecto.

6.4. ANALISIS DE ALTERNATIVAS TABLA 3. ANALISIS DE ALTERNATIVAS ALTERNATIVAS PRIMERA (A DESARROLLAR)

DESCRIPCION

MEDIOS

DISEÑO DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A, CON PLANOS, PROGRAMACION Y MANUAL DE USUARIO.

-DISEÑO EQUIPO.

DEL -INCENTIVACION EN EL ESTUDIO DE LOS POLIMEROS. -DESARROLLO DEL PROGRAMA PARA LA OBTENCION DE UN ADQUISICION DE LA EQUIPO A LARGO VARIABLE MODULO PLAZO, PARA MEDIR EL DE YOUNG. MODULO DE YOUNG. ELABORACION PLANOS EQUIPO.

SEGUNDA (EXCLUIDA)

IMPLEMENTACION DE UN EQUIPO QUE PERMITA MEDIR LA VARIABLE MODULO DE YOUNG, CON PLANOS, PROGRAMACION Y MANUAL DE USUARIO.

FINES

DE COMPETITIVIDAD DEL FRENTE A OTRAS INSTITUCIONES QUE ESTEN EN ESTUDIOS SIMILARES.

-DISEÑO Y -INCENTIVACION EN EL CONSTRUCCION DEL ESTUDIO DE LOS EQUIPO. POLIMEROS. -DESARROLLO DEL OBTENCION DE UN PROGRAMA PARA LA EQUIPO PARA MEDIR EL ADQUISICION DE LA MODULO DE YOUNG. VARIABLE MODULO DE YOUNG. COMPETITIVIDAD FRENTE A OTRAS ELABORACION DE INSTITUCIONES QUE PLANOS DEL ESTEN EN ESTUDIOS EQUIPO. SIMILARES. CONSTRUCCION DEL EQUIPO Y PUESTA EN MARCHA.

Tomado de: Autores.

38

En la anterior clasificación de alternativas previstas en la TABLA 3, se encuentran dos opciones del análisis hecho, las cuales se basan en implementar el Equipo M.E.P.P.U.A, o dejarlo hasta la etapa de diseño.

En este caso el proyecto desarrollara el equipo únicamente hasta el diseño, el cual dará parámetros que permitirán llegar a la medición por medio del método que existe y con el cual se diseño el Equipo M.E.P.P.U.A, y posteriormente la visualización por medio de un software; los planos del mismo y manual de usuario del software para su funcionamiento.

Por lo anterior la alternativa segunda (excluida) no se lleva a cabo pero se plantea ver ANEXO B, ya que se basa en la implementación del equipo para la puesta en marcha, hasta esa meta no va el proyecto actual, pero se puede optar por esta alternativa a largo plazo.

6.5 MATRIZ DE MARCO LOGICO La metodología ZOPP como última instancia contempla una matriz de marco lógico de cuatro columnas (ver ANEXO E), donde se especifica los siguientes aspectos: En la orientación Vertical está la Jerarquía del Proyecto, que se refiere al contenido de finalidad, objetivos y actividades que se deben desarrollar para llegar a cumplir con el Objetivo General del proyecto. De este se desglosan los aspectos en forma horizontal que son Indicadores de desempeño, medios de verificación, y supuestos.

FIGURA 7. EJEMPLO MATRIZ DE MARCO LOGICO

Tomado de “ZOOP- MML”.9.

39

Todo lo anterior pone a disposición un conjunto de acontecimientos FIGURA 8, que al estar enlazados y cíclicamente estipulados dan un panorama general de lo que será el proyecto, y lo que se debe cumplir para tener consecución en el objetivo general (ver ANEXO E).

7. CONSIDERACION Y ELECCIÓN DE LOS COMPONENTES DE DISEÑO DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A

7.1.

ASPECTOS DE DISEÑO.

Para la medición del módulo de Young de películas poliméricas, se deben tener en cuenta factores clave en el diseño del Equipo M.E.P.P.U.A. Se busca corregir aspectos encontrados en otras máquinas que interrumpen el camino hacia el propósito que se busca, esto para optimizar la medición en películas poliméricas fabricadas a partir de subproductos agroindustriales.

Los aspectos a tener en cuenta son:

o Las películas poliméricas son materiales elásticos pero delgados, pueden estirarse hasta 80 cm durante el proceso, por ello se requiere que en el diseño del mecanismo que aplique la tensión, debe tener como mínimo un desplazamiento (entre las mordazas) de 90 cm. o La velocidad con la que se debe aplicar la tensión es fija, por lo tanto en el diseño se contemplo un motorreductor de 25 RPM, que trasmite el movimiento rotatorio a un tornillo de potencia para finalmente convertirlo en un movimiento lineal. o Para obtener el módulo de Young, no es necesario llegar hasta una ruptura en el material, ya que dicho módulo es la pendiente de la zona elástica en la cual el material tiene una deformación, pero esta no es permanente.

40

7.2. ELECCIÓN DE EQUIPOS Y COMPONENTES DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A. Se averiguo y evaluó diferentes tipos de componentes y equipos que podrían cumplir las necesidades del equipo, se realizó una comparación y se eligió la opción que mejor se acopla a los requisitos del equipo.

FIGURA 9. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL EQUIPO.

Tomado de: Autores.

7.2.1. EQUIPO DE CONTROL DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A. Para el control del equipo se requiere de un procesador que permita activar y desactivar, los diferentes componentes del prototipo, también debe ser capaz de realizar cálculos necesarios para hallar los valores que requiere el proceso mediante operaciones matemáticas y recibir los valores de las variables físicas, en sí en forma de analogía debe ser el “cerebro” del equipo.

En el mercado existen diferentes sistemas de control que se acoplan a las necesidades del prototipo, a continuación se expone el producto comercial que mejor se acopla a los requerimientos.

CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC).

Un controlador lógico programable, también es conocido como PLC, es un dispositivo electrónico capaz de gestionar circuitos y automatismos de forma

41

programada, en la actualidad son utilizados en la industria, domótica, equipos de laboratorio.

Los PLC, están diseñados para procesar de forma eficiente señales provenientes de multitud de variables físicas en procesos industriales, y actuar en consecuencia. Pueden procesar grandes cantidades de señales al mismo tiempo, dependiendo del modelo y referencia del PLC. El controlador lógico programable FIGURA 10, es encargado de procesar señales de lectura y escritura, a través de interfaces de entrada y salida.

FIGURA 10. PLC TWIDO.

Tomado de “Repaired- PLC INDUSTRIALES”,39

42

FIGURA 11. DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA ESTRUCTURA DE UN PLC.

Tomado de “Electrónica”38 Como la aplicación es pequeña, se utilizará un controlador lógico programable compacto, lo que significa que contiene todos sus elementos en la misma envolvente, como son los módulos de entradas y salidas, la CPU, la fuente de alimentación, entre otras que se exponen a continuación: UNIDAD CENTRAL DE PROCESOS: Está constituida básicamente por el microprocesador y la memoria su misión es procesar la información que obtiene de los módulos de entradas y actuar sobre el módulo de salidas, en función de las instrucciones del programa, debe detectar errores del equipo, y señalizarlos o tomar medidas para corregirlos.

Tiene un interruptor run/stop que enciende o apaga la ejecución del programa, esto para efectos de mantenimiento y montaje, brindando seguridad y versatilidad.

La unidad central de procesos tiene dos tipos de memoria, la primera es la memoria RAM, es volátil y se borra cuando el equipo se queda sin alimentación eléctrica y la segunda es la memora EPROM, no es volátil siempre se mantiene 43

así no se cuente con la alimentación eléctrica. En la mayoría de los casos, la memoria RAM cuenta con una batería para guardar la información allí almacenada temporalmente.

FUENTE DE ALIMENTACIÓN: El objetivo de la fuente es convertir la corriente alterna proveniente de la red eléctrica, en corriente continua, en el caso de este proyecto es necesario convertir 110 VAC de la red a 24 VDC, al ser un PLC compacto tiene la fuente de alimentación embebida, para alimentar los circuitos internos del controlador.

ENTRADAS Y SALIDAS: Son estructuras, que permiten realizar una conexión para recibir y enviar señales del PLC, usualmente se encargan de adaptar el voltaje de funcionamiento de los diferentes dispositivos electrónicos que se le conecta, y aislar eléctricamente el circuito de potencia del circuito de control.

Las entradas tienen como función recibir información de las señales procedentes de un proceso o máquina, en este proyecto, deben recibir las señales de fuerza, desplazamiento, presencia y demás.

Las salidas tienen como fin realizar activaciones o desactivaciones de actuadores, relés, bobinas, entre otros.

Para el proyecto se eligió un PLC compacto TWIDO TWLCAE4DRF marca Schneider Electric, soporta un voltaje de alimentación de máximo 230VAC y funciona perfectamente a 110VAC corriente a la que se tiene acceso fácilmente en la red eléctrica, cuenta con 24 entradas digitales de 24 VCC, 14 salidas de relé a 2A, reloj, fecha y hora. Tiene puerto Ethernet, que es de vital importancia para poder establecer una red de comunicaciones con otros componentes, como puede ser un HMI o un computador.

El PLC por defecto no trae entradas analógicas, pero debe adicionar un módulo de ampliación referencia TM2AMM6HT marca Schneider Electric, con 4 entradas analógicas y dos salidas de 4 a 20 mA, para recibir las señales de fuerza y desplazamiento.

44

FIGURA 12. PLC TWIDO CON MÓDULO DE AMPLIACIÓN.

Tomado de: Autores.

El módulo de ampliación FIGURA 12 incluye el conversar A/D, para digitalizar las señales análogas para posteriormente ser procesadas por el controlador.

Las principales ventajas del PLC TWIDO son: • Puede realizar operaciones en tiempo real, de una forma correcta y sin errores.

• Está diseñado para ambientes pesados, ofrece cierta robustez que evita daños por golpes, movimientos, “humedad o vibraciones a las que será sometido”.32.

•

Posee herramientas de desarrollo gratuitas y con completa documentación.

•

La programación se realiza en lenguaje LADDER, un lenguaje más gráfico.

Posee registros de estado, permiten identificar el estado del PLC, y verificar su correcto funcionamiento, en caso de no ser así, toma medidas correctivas programadas, teniendo así una protección del PLC. Por facilidad en el montaje, tiene lo necesario para funcionar embebido, no se debe colocar transformadores, fuentes, módulos de procesamiento, entre otros, ventaja en cuanto a costos, espacio y tiempo.

45

Se consideró este PLC, por que se adapta perfectamente a las necesidades del proyecto, es un controlador económico y práctico, se puede conseguir en el mercado a bajos precios y con mucha facilidad. Además Schneider Electric, ofrece el software de programación de forma gratuita, por motivos de espacio al ser un módulo pequeño y por su gran rendimiento y resistencia.

46

7.2.2. SENSORES DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A. A continuación se muestra la comparación de los sensores que se tuvieron en cuenta en la revisión, el análisis que respalda esta comparación se deben ver en el ANEXO A de este documento, para que sea entendible el porqué se escogió cada sensor.

TABLA 4 .COMPARATIVA DEL SENSOR DE FUERZA DEL EQUIPO. SENSORES DE FUERZA MEPPUA

SENSIBILIDAD

PRECISIÓN

PARAMETRO DE MEDICIÓN

VIABILIDAD

OBSERVACIÓN

GALGA EXTENSIOMETRICA TM5SEAISG

MEDIA

MEDIA

85 A 5000 OHMIOS

MEDIA

CELULA DE CARGA

MEDIA

MEDIA

4 a 20 mA

ALTA

NO ESTA CERTIFICAD A PARA SER USADA CON PRODUCTO S DE CONSUMO. TRANSFOR MA LA MAGNITUD MECANICA EN ELECTRICA.

Tomado de: Autores (ver ANEXO A) Un sensor de fuerza se utiliza directamente para determinar la tensión en la muestra, variable importante para la medición del módulo de Young.

47

TABLA 5 .COMPARATIVA DEL SENSOR DE DEFORMACIÓN DEL EQUIPO SENSORES DE DEFORMACION MEPPUA

SENSIBILIDAD

PRECISIÓN

PARAMETRO DE MEDICIÓN

VIABILIDAD

OBSERVACIÓN

POT SERIE CM22

MEDIA

BAJA

AMPERIO MEDIA VARIACION DE RESISTENCIA DE 200 mm PULSOS MEDIA LINEALES.

El costo es moderado y se puede tener en cuenta para un montaje un poco más sencillo Útil en un considerable deslazamiento.

ENCODER MEDIA LINEAL MAGNETICO SENSOR ALTA FOTOELECTRICO

MEDIA

ALTA

0 a 10 V

BAJA

Elevado costo, Muy alto el rango de medición.

SENSOR POR CINTA

ALTA

4 a 20 mA

ALTA

Robustez, poco propenso al error, protección IP67.

ALTA

Tomado de: Autores (ver ANEXO A)

Es necesario saber cuánto se desplaza la mordaza que estira el material, para ello, se requiere la distancia que recorre para realizar cálculos internos en el sistema de control, para identificar el valor exacto de la deformación de la muestra.

Para tomar el valor de la distancia existen diferentes sensores y métodos que permiten dicha medición, a continuación se presentan algunos y se elige el que mejor se acopla a las características requeridas por el sistema.

48

TABLA 6. COMPARATIVA DEL SENSOR DE PROXIMIDAD DEL EQUIPO SENSORES DE PROXIMIDAD MEPPUA

SENSIBILIDAD

PRECISIÓN

PARAMETRO DE MEDICIÓN

VIABILIDAD

OBSERVAC IÓN

CAPACITIVO

MEDIA

MEDIA

PNP

BAJA

INDUCTIVO

MEDIA

BAJA

0 a 10 v

BAJA

ULTRASÓNICO

MEDIA

MEDIA

0 a 10 v

MEDIA

FINALES DE CARRERA

ALTA

ALTA

Salida Digital.

ALTA

No es práctico el uso en esta aplicación, no cuenta con mucha exactitud.

Bajo costo, larga vida de operación.

No necesita contacto para funcionar, Robustez Bajo costo haciendo óptimo el acoplamient o del sensor al sistema.

Tomado de: Autores (ver ANEXO A)

Este tipo de sensor tiene una operación muy buena ya que sin necesidad de contacto por medio de un espacio magnético (generalmente) o por accionamiento, se puede llegar obtener la señal.

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TABLA 7. RECOPILACION DE LOS SENSORES QUE SE ESCOGIERON. TIPO DE SENSOR SENSOR DE FUERZA

NOMBRE DEL SENSOR CELULA DE CARGA

SENSOR DE DEFORMACION

SENSOR CINTA

SENSOR DE PROXIMIDAD

FINALES DE CARRERA

RAZON POR LA QUE SE ESCOGIO

Por su robustez, y da una salida de 4 – 20 mA Precisión en la variable y evita manera notable el error.

Robustez, accionamiento mecánico.

COSTO $ 115.000.00

$

54.900.00

$

23.500.00

Tomado de: Autores.

Nota: estos precios se tienen en cuenta en el capítulo de COSTOS DEL PROYECTO DE DISEÑO DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A. 7.2.3. SISTEMA DE VISUALIZACIÓN. Es necesario establecer un canal de comunicación entre el usuario y el prototipo, para mantener cierto control del equipo por parte del usuario y conocer resultados y variables que son necesarias durante el proceso. Este sistema debe ser capaz de:

1

Recibir información importante para el proceso por parte del usuario, por medio de una entrada de datos, factor importante para el desarrollo de la prueba.

2

Debe tener mandos, para controlar el equipo y darle instrucciones para su funcionamiento.

3

Debe poder adquirir específicamente el módulo de Young que es el propósito de la máquina, comunicar al usuario el valor de este.

4

Debe comunicar fallas al usuario, para evitar daños graves en la máquina y para facilitar el mantenimiento, reduciendo tiempo y dinero.

50

A continuación se exponen distintas opciones que permiten alcanzar cada uno de los factores expuestos anteriormente, y se elige la opción que se adapta de mejor forma al proyecto.

7.2.3.1. INTERFAZ HUMANO - MÁQUINA. Con la interfaz humana – máquina el usuario puede interactuar con el proceso, estableciendo una comunicación entre el usuario y el prototipo. Debe ser fácil de entender y manipular de una forma intuitiva.

Una adecuada interfaz busca obtener el estado del proceso con una mirada por parte del usuario, debe garantizar que: 

El observador comprenda la situación presentada y pueda captar la información de forma rápida.



Existen condiciones para que el usuario tome decisiones correctas de forma rápida.



Que los equipos e utilicen de forma óptima y segura.



Brindar confiabilidad al usuario.



Principalmente las funciones de una interfaz humana – máquina son:



Indicar el estado del proceso.



Tratamiento e indicación de las alertas en caso de fallas.



La ejecución de acciones de mando.

Para ello se propone una IHM Magelis marca Schneider Electric con referencia XBTGT2330, la cual cuenta con una pantalla táctil que facilita el entendimiento del usuario, al brindarle una solución más gráfica e intuitiva.

Tiene las siguientes características:

51

TABLA 8. CARACTERISTICAS DEL HMI CARACTERISTICAS Pantalla Táctil cuenta con 65536 colores.

Resolución 320 x 240 pixeles.

Tamaño 5.7 pulgadas de esquina a esquina.

133 MHz. Procesador Memoria Memoria de SRAM de 512 KB con una batería para almacenar la información en caso de un corte de la alimentación eléctrica.

Memoria de Aplicación La memoria de la aplicación es flash EPROM de 16 MB. Comunicación Posee un puerto RJ45 para crear una red TCP/IP y establecer la comunicación con el PLC TWIDO. Alimentación Requiere de alimentación eléctrica de 24 VDC con un consumo de 26 W. Tomado de “schneider”, 36

52

FIGURA 13. HMI MAGELIS XBTGT2330.

Tomado de schneider, 36

Algunas de las ventajas de este dispositivo son las siguientes: o Tiene un bajo precio y es de fácil adquisición en el mercado. o Las herramientas de desarrollo son gratuitas y fáciles de conseguir, programas como VijeoDesigner. o Su manejo por parte del usuario es intuitivo y sencillo de entender. o Se realizan gráficos explicativos e indicativos para mostrar al usuario el estado del proceso y las diferentes funciones que cumple.

Se eligió este dispositivo para crear el canal de comunicación entre el usuario y la máquina, se considera según las características que posee, que cumple con los requisitos necesarios para la máquina, influyendo fuertemente en la optimización brindando al usuario la información que necesita y cuando la necesita.

53

7.2.4. TORNILLO DE POTENCIA El tornillo, se diseñó para que sea capaz de desplazar una carga máxima, de 50Kg sin que se desenrosque la tuerca, reduciendo la tensión en la probeta y generando un error. En la figura 15, se indica la forma de la rosca cuadrada donde: p: Paso de la rosca d: Diámetro del tornillo dm: Diámetro medio del tornillo dr: Diámetro raíz del tornillo FIGURA 14. Rosca cuadrada

Tomado de: Autores Para calcular el tornillo se tuvieron en cuenta los siguientes valores, expuestos en la figura 16. :

FIGURA 15. Tornillo de potencia

Tomado de: “ZAPATA”.40.

54

El tornillo se calculó utilizando la fórmula 1 y el figura 16, de la siguiente manera: (1) Figura 16. Desarrollo de rosca para cálculo de tornillo

Tomado de: Autores La fuerza máxima que se requiere aplicar a la probeta es equivalente a la generada por un peso de 50Kg colgando de la probeta, lo cual en fuerza es 490N calculado como se expone en la fórmula 2.

(2)

Para conocer el valor del ángulo

de avance se utiliza la fórmula 3.

(3)

Para conocer el valor del ángulo

entre la fuerza normal y la fuerza resultante de

avance se utiliza la fórmula 4, para ello se requiere el coeficiente de fricción que tiene el material con el cual está hecho el tornillo, se diseñó en acero con coeficiente de 0.53.

55

(4) Donde

es el ángulo y

la fuerza de fricción.

Reemplazando los valores en la fórmula 1, se obtiene lo siguiente:

Es necesario un motor con un torque de por lo menos 4.3 Nm para ejercer la fuerza que se espera, a través del tornillo.

7.2.5. MATERIAL DEL ENVOLVENTE FIGURA 17. ENVOLVENTE DEL EQUIPO.

Tomado de: Autores.

El envolvente del equipo debe ser resistente y por el ambiente de operación en el que estará expuesto debe ser anticorrosivo, compacto y que garantice que los elementos mecánicos estarán aislados de un desajuste por elementos externos.

56

Por ello se escogió la lamina cold rolled calibre 16 con tratamiento anticorrosivo que responde a las características de que son con acabado interior y exterior con pintura electroestática texturizada, por normatividad debe ser de cuerpo construido en una sola pieza, con cerraduras de manija llave rasante y cerradura tipo brístol, acceso frontal, IP54.

De esta manera convierte al Equipo M.E.P.P.U.A. en un instrumento que se puede implementar en la mayoría de laboratorios sin efectos negativos frente a diferentes eventualidades que pueda ser parte.

En cuanto a proveedor de este tipo de carcasas para el ensamble en Colombia se cuenta con la empresa COFRECOL, con sede en la ciudad de Bogotá D.C., “COFRECOL”. 20.

7.2.6. MOTOR

El motor es una de los elementos principales del diseño del prototipo ya que permite la ejecución y movimiento vertical para medir el parámetro modulo de Young, es importante igualmente tener algunas cosas en cuenta en el instrumento que se vaya a utilizar que permita buen movimiento y con facilidad en el ensamble y programación en la puesta en marcha del proyecto.

7.2.6.1. MOTORREDUCTOR CORRIENTE CONTINUA. FIGURA 22. MOTORREDUCTOR DOGA 111

Tomado de MOTORS, 30.

57

Este tipo de motores de corriente continua son de excitación independiente por imanes permanentes, lo que permite una construcción compacta y de variadas aplicaciones.

Son motorreductores que están constituidos por un motor fraccional de corriente y un reductor por vis sinfín o planetario, ensamblados entre sí formando un solo sistema.

Es usado normalmente en aplicaciones que requieran de alimentación independiente, en cuanto a su facilidad de usar en equipos pequeños con utilidades muy específicas se da un punto a favor en el peso y dimensiones reducidas en su contextura, buena potencia en cuanto a velocidad, en el momento de operación es silencioso, momento de inercia mínimo que da paradas instantáneas fácilmente.

TABLA 9. PARAMETRO CARACTERISTICA DEL DOGA 111 PARAMETRO CARACTERISTICA Voltaje de trabajo.

4.2 a 24V DC

VELOCIDAD.

25 R.p.m.

Intensidad nominal

2A

Intensidad arranque

3A

Tomado de (MOTORS, 2011)

FIGURA 19. DIMENSIONES DEL MOTOR DOGA 111

Tomado de MOTORS, 30.

58

Por su funcionalidad es usado este motor en el diseño del prototipo por que se obtiene un motor de bajo coste que cumple con los parámetros exigidos por el diseño y tiene una velocidad ofrecida que va acorde con la finalidad del proyecto es fácilmente acoplable a el diseño por sus dimensiones.

59

8. DISEÑO DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A

El prototipo es una máquina con funcionamiento mecánico, el cual es activado y controlado por un sistema eléctrico y requiere de programación para lograr las diferentes funciones y objetivos que se proponen.

A continuación se presentan los diseños eléctrico, de programación, mecánico y se explica cómo se busca hacer la sinergia que permita la armonía de todos ellos en conjunto.

Para lo cual es indispensable explicar uno por uno los elementos que se tuvieron en cuenta para el diseño y los que se dejaron de lado ya sea por costo, precisión de funcionamiento o diferentes factores que no se tomaron convenientes para el Equipo M.E.P.P.U.A. Se utiliza un método investigativo basado en la siguiente tabla.

TABLA 10. BASE PARA COMPARACION Y REQUERIMIENTOS. CONCEPTO

REQUERIMIENTOS DE DISEÑO

VENTAJAS

REGULACION Nacional

El diseño del equipo se basa en la Instrumentación electrónica ya que es la parte principal que se encarga del diseño y manejo de los equipos electrónicos y eléctricos, en este caso para su uso en mediciones.

La instrumentación electrónica se aplica en el sensado de procesamiento de la información proveniente de variables físicas y químicas, a partir de las cuales realiza el monitoreo y control de procesos, empleando dispositivos de control y tecnologías electrónicas.

Control PLC Sensores Fuerza Deformación Desplazamiento Proximidad Visualización Pantalla táctil

Manejo de variables acondicionándolas con elementos electrónicos con finalidad en el control.

Visualización de un parámetro físico o químico.

Facilidad en industriales.

los

procesos

Codificación de señales según su uso.

Uso de la electrónica Equipos industriales.

NORMA ISO 10012 2003 sistemas de gestión de la medición

Incertidumbre mediciones

en

las

en

Conocimiento de elementos electrónicos eficaces para tratamiento de señales pertenecientes a fenómenos físicos.

Capacidad de uso de software simulando elementos cesantes para diseño de ámbitos electrónicos haciendo uso de la instrumentación

60

NORMA IESOMEC17025 sistema de gestión de laboratorios de ensayo y calibración

Internacional Instituto coreano de investigación de patrones y ciencia (KRISS) Centro nacional de metrología de México CENAM

FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A Se propone, un prototipo capaz de medir el modulo de Young a muestras de películas poliméricas, con características similares a cauchos y plásticos. Este equipo debe estar en la capacidad de realizar la medición, para ello es necesario lo siguiente: La muestra, debe ser ubicada por el usuario, por lo tanto el prototipo debe tener un sistema de sujeción, que permita sostener de forma correcta la muestra durante la prueba, y debe garantizar la seguridad de la integridad física del usuario.

Para la prueba es necesario estirar el caucho, aplicando tensión a la muestra el equipo debe estar en la capacidad de realizar esta acción durante el tiempo necesario para hallar el módulo de Young, es decir durante la zona elástica del gráfico tensión – deformación.

Para calcular el módulo de Young se requieren algunas variables físicas provenientes de la muestra (tensión y deformación de la probeta), el prototipo debe poder capturarlas y procesarlas.

El proceso requiere cálculos para llegar al valor final del módulo de Young, por lo tanto debe tener un sistema de control, que además de realizar las operaciones matemáticas necesarias, debe controlar todo el sistema.

Para mandos que se le dan al prototipo por parte del usuario y los resultados de las operaciones matemáticas, es necesario que exista un canal de comunicación entre la persona y la máquina, que permita visualizar los resultados de una forma fácil y entendible.

8.1. DISEÑO ELÉCTRICO DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A. El equipo requiere electricidad para su funcionamiento, ya que componentes como el motor, sistema de control, accionamientos entre otros, necesitan de esta para realizar sus funciones.

Los elementos electrónicos que contiene el MEPPUA, necesitan ser energizados y alimentados con diferentes voltajes, entre los cuales se evidencian los siguientes: - 24VDC, para alimentar entradas y salidas del PLC, para energizar la pantalla táctil IHM, entre otros, para obtener este voltaje se requiere una fuente.

61

-

110VAC a 60Hz, esta es la energía que se encuentra disponible en la red eléctrica, de allí se tomará para alimentar el PLC, el Swith Ethernet y la fuente de 24VDC.

Alimentación eléctrica. (Anexo C (plano alimentación eléctrica)) Para el funcionamiento de todos los componentes eléctricos y electrónicos del equipo, es necesario crear una conexión entre el equipo y la red eléctrica. Para ello se empleará una clavija macho que permita obtener la línea de 110VAC a 60Hz, el neutro y la tierra, proporcionados por la red eléctrica, de esta forma se puede conectar y utilizar en diferentes lugares de una forma práctica.

Con 110VAC de entrada se alimentarán directamente el PLC, el Switch Ethernet y la fuente de 24VDC. El PLC y el Switch Ethernet, estarán protegidos cada uno por un breaker con protección al cortocircuito de 2A respectivo, y la fuente de 24VDC será protegida por un breaker con protección al cortocircuito de 3A ya que proveerá la energía para el motor DC el cual requiere más amperaje para su funcionamiento.

Todos los elementos conectados a 110VAC deben estar conectados a una línea de protección eléctrica que permita descargar las sobrecargas eléctricas a la tierra.

Desde la fuente de 24VDC de 3A, se conectan la pantalla táctil HMI la cual es protegida por un breaker con protección al cortocircuito de 2A, las entradas serán alimentadas desde un grupo de borneras las cuales estarán conectadas a un breaker de las mismas características del mencionado anteriormente para la pantalla.

Para ver la distribución y las conexiones eléctricas del equipo se recomienda revisar el (PLANO ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA)

62

FIGURA 20. PLANO ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA

Tomado de: Autores.

Para la fuente eléctrica se utilizó un convertidor AC/DC para convertir la energía de 110VAC a 24VDC, las conexiones relacionadas a la red de 24VDC se presentan en el Item 8.1.1. de este documento.

8.1.1. CONEXIONES DE CONTROL

ENTRADAS. Son conexiones eléctricas que permiten enviar señales hacia las entradas del PLC, para realizar este cableado, se debe utilizar cable 18AWG el cual resiste hasta 10A, se recomienda utilizar cable negro para 24VDC, cable rojo para 0VDC y cable verde para tierra. Como se mencionaba anteriormente las borneras alimentan los diferentes elementos que producen las señales de entrada al conmutar. Para observar las entradas que se llevaran al PLC ver ANEXO C (DIAGRAMA DE CONEXIONADO CONTROL-ENTRADAS) Para conectar las entradas del PLC, es necesario conectar una referencia, el cual en este caso serán los 0VDC desde la fuente los cuales serán distribuidos como un común en todas las entradas, de esta forma solo es necesario entregar en la entrada 24VDC de la misma fuente para cerrar el circuito.

63

FIGURA 21. CONEXIONES ENTRADAS.

Tomado de Autores.

SALIDAS Las salidas, son conexiones eléctricas que permiten enviar señales desde el PLC hasta un elemento final que se requiera, para realizar este cableado, también se debe utilizar cable 18AWG el cual resiste hasta 10A, se recomienda utilizar cable negro para 24VDC, cable rojo para 0VDC y cable verde para tierra.

Para conectar las salidas se debe establecer una referencia común de 24VDC, esta conexión ira desde la fuente hasta el COM2 y COM3, ya que allí se encuentran las salidas por relé que son las que se van a utilizar.

Para la protección de las salidas se debe implementar un breaker con protección al cortocircuito de 3A, para evitar daños en los equipos, las salidas ofrecen 24VDC al elemento final, el cual debe estar conectado a 0VDC para ejecutar su función.

Para observar las salidas que se llevaran al PLC ver ANEXO C (DIAGRAMA DE CONEXIONADO CONTROL-SALIDAS)

64

FIGURA 22. CONEXIONES SALIDAS.

Tomado de Autores.

UBICACIÓN DE LOS DISPOSITIVOS ELÉCTRICOS Los elementos eléctricos irán ubicados dentro de un tablero cuyas características se especifican en la sección de diseño mecánico de este documento. El doblefondo del tablero será dividido en tres partes, separadas con canaleta ranurada la cual aparte de crear espacios en el tablero tambien sirve para proteger y organizar los cables que se interconectan entre los diferentes dispositivos.

Dicha canaleta debe ser de 4cms de ancho. Los elementos estarán soportadas en un pedazo de riel din, en la primera parte del tablero iran los elementos de control, comunicaciones y alimentación, es decir, el PLC, la fuente de 24 VDC y el switch Ethernet. En la segunda parte iran los breakers, las borneras de alimentación y los contactores, y en la tercera parte iran las entradas, salidas, y tierra. Ver FIGURA 23 para ver la distribución.

65

FIGURA 23. DISPOSICIÓN DEL TABLERO ELÉCTRICO.

Tomado de Autores.

8.2 DISEÑO MECANICO DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A.

El equipo para llevar a cabo la medición, requiere del estiramiento de la muestra, debe ser capaz de aplicar a la misma una fuerza de hasta 490N, esta debe ser aplicada linealmente.

Para el movimiento lineal, se debe utilizar un tornillo de potencia rosca cuadrada de 1 metro de largo, con un diámetro de una pulgada, tendrá una disposición vertical estará sujetado por dos cojinetes uno en la parte superior y el otro en la parte inferior, la tuerca del tornillo debe tener acoplado un soporte que sostendrá la mordaza móvil, esta es la encargada de aplicar la tensión al material.

La mordaza fija, se encontrará en la parte superior del equipo, la cual cuelga de la célula de carga y así se medirá la tensión en la muestra. La célula de carga irá acoplada a un soporte ubicado en el techo del tablero, por medio de un conjunto ojal varilla para eliminar las fuerzas horizontales que se puedan aplicar.

66

Las dos mordazas deben tener caras dise帽adas para concentrar toda la fuerza de agarre a lo largo de una sola l铆nea perpendicular a la direcci贸n de la tensi贸n de ensayo.

FIGURA 24. VISTA FRONTAL CON PUERTA.

Tomado de: Autores.

67

8.2.1. PARTES MECÁNICAS DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A. FIGURA 25. MECANISMO.

Tomado de: Autores.

En la FIGURA 25. Se pueden observar los componentes mecánicos del equipo y de acuerdo a su numeración se presentan a continuación.

Mordaza fija (superior) (8): un miembro fijo o esencialmente inmóvilesaquel que lleva una mordaza ubicado en la parte superior de lamáquina, eu cual cuelga de una célula de carga, para medir la tensión en la muestra.

-

Mordazamóvil(inferior)(7):unmiembromóvilesaquelquellevaunasegun da mordaza ubicado en la parte inferior de la máquina, el cual vaatener un desplazamiento vertical haciaabajo, el cual es proporcionado por el juego de tornillo y tuerca de potencia.

-

Mecanismo de arrastre (6): le da movimiento y velocidad constante alamordazamóvilconrespectoalamordazafija,yconstadeunmotor conelsistema reductor de velocidad corona sinfín (1) y tornillo de potencia(4).

68

-

Cojinetes (2 - 12): Es el soporte que mantiene el tornillo en su lugar y le permite girar libremente sobre su propio eje, de acuerdo al giro provocado por el motor.

-

Finales de carrera (3-9): La ubicación de los finales de carrera se debe establecer durante el montaje, en el límite máximo y mínimo que puede alcanzar el mecanismo de arrastre.

-

Célula de carga (11): Esta contiene en sus dos extremos un juego ojal viga para su acoplamiento, esto evitará el movimiento horizontal y eliminara la mayoría de las fuerzas aplicadas que no sean verticales.

8.2.2.

ENVOLVENTE.

El envolvente, es la parte que soporta y da protección exterior al equipo deben ser tres tableros unidos fabricados en lámina coldrolled calibre 16, acabado exterior e interior con pintura electroestática texturizada con cerraduras de manija, llave rasante y cerradura tipo bristol. Todos los tableros deben tener doble fondo en acero inoxidable, para facilitar los montajes necesarios.

Debe cumplir con la norma IP 54, debe ser resistente al polvo, y la salpicadura de agua en diferentes direcciones.

Las medidas de los tableros deben ser como las que se exponen a continuación: - El tablero trasero contiene los equipos eléctricos y debe tener las siguientes medidas: 76.2 cms de alto, 56.3 cms de ancho, y 20 cms de profundo.

- El tablero del medio, posee el mecanismo que permite la separación de las dos mordazas y así aplicar la tensión a la muestra, allí se encuentran los sensores, actuadores y otros, es necesario que en la puerta tenga una ventana de vidrio de seguridad para observar el estiramiento de la muestra, debe tener las siguientes medidas: 120 cms de alto, 56.3 cms de ancho y 20 cms de profundo.

- Tablero delantero, allí se encuentra la pantalla táctil, los botones de mando y los pilotos de visualización, debe tener como mínimo las siguientes medidas: 15 cms de alto, 56.3 cms de ancho y 20 cms de profundo.

Se recomienda ver los planos de (anexo C) cofre vista posterior, cofre vista frontal, cofre vista superior y lateral, para entender la ubicación y forma del envolvente.

69

FIGURA 26. VISTA POSTERIOR DEL ENVOLVENTE

.Tomado de Autores 8.3. DISEÑO DE PROGRAMACION DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A.

Para la programación se recomienda realizarla por el método de desarrollo incremental, realizando el programa por partes y verificando que cada parte no contenga errores, luego realizar un programa general que una todas las partes y estas funcionen perfectamente.

A continuación se presentan las configuraciones que se deben hacer en el hardware y, la forma de obtener cada una de las variables. También se presenta la lógica de la programación a través de un diagrama de flujo para facilitar el entendimiento.

La programación del sistema se realizó con el software TWIDO SUITE de Schneider Electric, para realizar las funciones, etapas y operaciones del programa, se tuvo en cuenta la secuencia lógica mostrada a continuación por un diagrama de flujo.

70

Figura 27. DIAGRAMA DE FLUJO GENERAL DEL PROGRAMA. INICIO

INGRESO DE DATOS DE PROCESO

UBICACIÓN DE PROBETA

SI

¿ESTA LA PROBETA?

NO

FALLA 1. NO HAY PROBETA

CERRAR PUERTA

¿ESTÁ CERRADA LA PUERTA?

NO

FALLA 2. PUERTA ABIERTA

SI

¿TODOS LOS DATOS SON VÁLIDOS?

NO

FALLA 1. DATOS INVÁLIDOS

SI

INICIAR MEDICIÓN

CAPTURAR DATOS. TENSIÓN EN LA PROBETA Y DEFORMACIÓN

GRAFICAR

RESULTADOS DEL ENSAYO

CALCULAR MÓDULO DE YOUNG

FIN

Tomado de: Autores.

Se debe configurar el programa con las características del controlador, PLC TWLCAE4DRF, un controlador lógico programable, marca Schneider Electric, con 23 entradas digitales y 15 salidas digitales, un puerto Ethernet para comunicación Modbus TCPIP.

71

También se debe configurar un módulo de entradas analógicas, para las medidas de desplazamiento y fuerza, señales proporcionadas de 4 a 20 mA, para se establece un módulo de ampliación T2MAMM6HT, que cuenta con 4 entradas análogas, de las cuales dos deben ser utilizadas, y las otras dos serán de reserva.

FIGURA 28. CONFIGURACIÓN DE HARDWARE EN TWIDO SUITE.

Tomado de: Autores El módulo de ampliación con entradas análogas debe ser configurado para tener una medida exacta, para ello es necesario establecer que se recibirán medidas de 4 a 20mA, las cuales gracias a una conversión pueden ser leídas en el controlador como un número entre -32768 y 32767, ya que es el rango establecido de fabrica para recibir valores de señales análogas. Para establecer la escala hace falta calcular el número mínimo y máximo que puede tomar, ésta fue calculada con el procedimiento mostrado a continuación.

Se conoce que la ecuación de la recta es, De la cual, y es igual al punto en y donde cruza la recta.

72

(3)

FIGURA 29. GRÁFICO DE LA ESCALA.

Tomado de: Autores.

En la Figura 29, se observa la recta cómo se comporta, es necesario identificar el valor de x cuando y es cero, para establecer el rango de un material lineal.

Se obtuvo para X un valor de -7500 puntos el cual es el valor mínimo que puede tomar la lectura, en teoría 4mA deben ser leídos como -7500 puntos y 20mA como 30000 puntos, con estos valores se deben configurar las entradas analógicas.

73

FIGURA 30. CONFIGURACIÓN DE ENTRADAS ANÁLOGAS.

Tomado de: Autores.

La configuración de la IP, es necesaria para instaurar la comunicación entre el PLC, el IHM, y el computador. La dirección IP del PLC es 192.168.100.2 con la máscara de subred 255.255.255.0 y dirección de la pasarela 192.168.100.1.

Figura 31. CONFIGURACIÓN IP DEL PLC.

Tomado de: Autores.

A este punto el PLC ya está configurado para el funcionamiento esperado, se puede proceder a la programación del mismo con la secuencia.

Para realizar la medición, se deben capturar las variables necesarias para calcular el módulo de young, según la fórmula, estas variables físicas son adquiridas por medio del usuario, y los diferentes medidores analógicos. Para el cálculo, las variables a tener en cuenta son:

74

El objetivo es obtener el valor del módulo de elasticidad longitudinal del material, para ello se obtienen las variables anteriormente presentadas de la siguiente forma: LONGITUD DE LA MUESTRA Para obtener el valor de esta variable, el usuario debe medir la muestra a lo largo, e introducir el valor en milimetros en el campo “Largo probeta” de la interfaz humano máquina, esto es necesario porque el usuario puede fabricar la muestra con el largo que desee. Este valor, será grabado en el registro del PLC %MW10.

LONGITUD FINAL DE LA MUESTRA Para obtener el valor de esta variable, se utilizará un sensor análogo que entrega una señal de 4 a 20 mA con un rango de medición de 0mm a 1250mm, la entrada es leida en %IW1.1, la cual se escala como se muestra anteriormente en la configuración de las entradas análogas.

Se dice que 4 mA equivale a -7500 puntos y 20 mA 30000 puntos, por lo tanto se debe realizar un cálculo que realice la conversion de dicho valor a milimetros, dicha escala se hace de la siguiente forma.

FIGURA 32. GRAFICO DE LARGO FINAL

Tomado de: Autores.

75

Se calcula la ecuación de la recta de la siguiente forma:

Este valor, será grabado en el registro del PLC %MW11. %MW11 = %IW1.1 VARIACIÓN DE LA LONGITUD Esta variable se calcula restando la longitud final de la muestra a la longitud inicial de la muestra, se puede observar el valor de la variación de la longitud en milímetros en la interfaz humano máquina. Este valor, será grabado en el registro del PLC %MW12.

%MW12 := %MW11 - %MW10 AREA DE SECCIÓN TRANSVERSAL El valor de la sección transversal es un valor dado en mm² y puede ser obtenido de dos formas: El usuario lo ingresa en el campo “Área de sección transversal” en el HMI, este valor debe ser escrito en mm², esta opción es en caso de que sea una muestra de la cual se conozca el área, para lo cual no es necesario calcularla.

76

El usuario debe medir el espesor de la muestra, y el ancho, e ingresarlo en milímetros en el campo “Espesor” y “Ancho” disponible en el HMI. En este caso el PLC debe calcular el área de sección transversal mediante la siguiente fórmula.

(4)

Los valores del espesor y el ancho se guardan en los registros %MW16 y %MW17 respectivamente, el valor del área de sección transversal, será almacenado en el registro %MW15. %MW15 = %MW16 * %MW17 TENSIÓN EN PROBETA Este valor será medido, utilizando un medidor de fuerza tipo célula de carga, el cual arroja una señal de 4 a 20 mA leída en la entrada %IW1.0, la cual se escala como se muestra anteriormente en la configuración de las entradas análogas.

Se dice que 4 mA equivale a -7500 y 20 mA 30000, por lo tanto se debe realizar un cálculo que realice la conversion de dicho valor a kilogramos ya que el valor que arroja el medidor es de peso, dicha escala se hace de la siguiente forma.

FIGURA 33. GRAFICA TENSION EN PROBETA

Tomado de: Autores.

77

Se calcula la ecuación de la recta de la siguiente forma:

El valor del peso será almacenado en el registro %MW13. %MW13 = 0.00266 * %IW1.0 + 20.2 Como se requiere el valor de la tensión en la probeta, es necesario pasar el valor de kilogramos a un valor de fuerza como Newtons, para ello se utiliza la fórmula de la segunda ley de Newton: (5)

Se reemplaza el valor del peso y la aceleración, donde la aceleración es la de la gravedad, este cálculo queda de la siguiente manera:

La operación que debe ser incluida en la programación del PLC debe ser como se expone a continuación, almacenando el valor de la Tensión en probeta en el registro %MW14. %MW14 = %MW13 * 9.8

78

DEFORMACIÓN UNITARIA Esta variable se calcula dividiendo la variacion de la longitud entre la longitud inicial, este valor será almacenado en el registro %MW18, se puede observar el valor de la variación de la longitud en milímetros en la interfaz humano máquina.

(6)

%MW18 := %MW12 / %MW10 PRESIÓN EJERCIDA SOBRE EL ÁREA DE SECCIÓN TRANSVERSAL Esta variable se calcula dividiendo el valor de la fuerza entre el área de sección transversal, se puede observar el valor de la variación de la longitud en N/m²en la interfaz humano máquina. Este valor, será grabado en el registro del PLC %MW19, y será calculado como se observa a continuación.

(7)

%MW19 := %MW14 / %MW15

MÓDULO DE ELASTICIDAD LONGITUDINAL O MÓDULO DE YOUNG El valor del módulo de young se obtiene de la división entre la presión ejercida sobre unidad de área y la deformación unitaria, valores tomados dentro de la zona elástica donde debe ser constante, el resultado será almacenado en el registro %MW20, se puede observar el valor del módulo de young en la interfaz humano máquina.

(8)

%MW20 := %MW19 / %MW18

79

TABLA 11. TABLA DE VARIABLES TABLA DE VARIABLES ITEM DESCRIPCIÓN 1 Longitud de la muestra 2 Longitud final de la muestra 3 Variación de la longitud 4 Peso 5 Fuerza 6 Área de sección transversal 7 Espesor 8 Ancho 9 Deformación unitaria 10 Presión ejercida sobre el área de sección transversal 11 Módulo de elasticidad Tomado de: Autores.

80

DIRECCIÓN %MW10 %MW11 %MW12 %MW13 %MW14 %MW15 %MW16 %MW17 %MW18 %MW19 %MW20

9. COSTOS DEL PROYECTO DE DISEÑO DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A. Se realizo una investigación partiendo de la elección de equipos y componentes, Recursos humanos, desgaste de instrumentos usados derivado del tiempo, teniendo en cuenta también todo lo concerniente a gastos del proyecto directo e indirecto.

Primero que todo se hace un análisis de la viabilidad de la adquisición del prototipo ya en construcción en diferentes aspectos que denominen costo para el interesado.

9.1. VIABILIDAD 9.1.1. VIABILIDAD FINANCIERA: La viabilidad financiera en el proyecto depende directamente del usuario ya que al tener un sistema de estas características no es necesario tener que ir a otras instituciones a tomar pruebas de tensión y pagar por dichas muestras, con una inversión de 4’028.000.oo pesos, se reduce el costo de la prueba, acelera la productividad de los materiales que dependen de este factor, dando una solución directa al tiempo de investigación y ejecución.

9.1.2. VIABILIDAD DE RECURSOS HUMANOS: En este punto es importante poner como referencia la automatización conocimientos previos en programación y en la normatividad del material que se desea analizar teniendo así un análisis en ingeniería básica del sistema que será ejecutado por estudiantes de Ingeniería Mecatrónica para llegar al objetivo general.

9.1.3. VIABILIDAD DE RECURSOS MATERIALES: Los materiales están asociados en una construcción de buena calidad, teniendo en cuenta sensores del equipo escogidos por especificación, costo, y robustez, tornillo de potencia, carcasa del equipo, elementos mecánicos, piezas mecánicas,. Haciendo de este un sistema más confiable y fácil de usar por el usuario a la hora de la adquisición del modulo de Young.

9.2. IMPACTOS Sin dejar por fuera los impactos significativos que el costeo de este proyecto puede generar al adquirir el Equipo M.E.P.P.U.A, en su etapa de fabricación.

81

9.2.1. IMPACTO AMBIENTAL: El proyecto es de alto impacto ambiental ya que el sistema está ayudando mediante principios de la electrónica, la automatización y la teoría de mecánica a una evolución directa a procesos agroindustriales que son en pro del medio ambiente con productos agroindustriales.

9.2.2. IMPACTO EN LA EDUCACIÓN: En la Fundación Universitaria Agraria de Colombia – Uniagraria se llevan a cabo procesos investigativos en la planta piloto directamente del programa de Ingeniería Agroindustrial, dichas investigaciones pasan por distintas fases las cuales tienen un problema de estancamiento cuando se trabaja con las películas poliméricas se debe medir un módulo de elasticidad, la medición de esta variable es muy cara para un estudiante ya que son máquinas especializadas y que poco se encuentran en otras instituciones, es un gran aporte a disminuir el tiempo teniendo una maquina propia para más estudios y avances en la institución que llevan a tener un estudiante más preparado y proactivo.

9.3. COSTOS DIRECTOS E INDIRECTOS Los costos directos e indirectos de proyecto están relacionados a las actividades que se lleven a cabo para este casi en concreto son las siguientes: o Investigación de los factores que afectan la medición del modulo de Young. o Identificación de las variables que influyen en el módulo de elasticidad. o Identificación de materiales e instrumentación que se utilizara en el proyecto. o Diseño del prototipo y planos. o Diseño del programa Software. o Elaboración del manual. o Presentación del informe final.

El costo directo es aquel costo que se puede relacionar a la producción del equipo, así que solo puede encontrarse en la contabilidad de costos del producto como tal, el costo indirecto son los costos que afectan a la producción del equipo, puede entenderse como gastos administrativos para ejecutar el proyecto.

82

TABLA 12. COSTOS DIRECTOS E INDIRECTOS DE LA EJECUCIÓN DEL PROYECTO HASTA SU ETAPA DE DISEÑO DESARROLLADORES DEL PROYECTO RELACION COSTOS COSTO COSTO FINANCIADORES CANTIDAD UNIDAD UNITARIO TOTAL DESCRIPCION A. COSTOS DIRECTOS Transporte en la ciudad por 264 Transporte 11 meses por 1.700,00 448.000,00 estimado bus semana fue necesario 3 A.1. Transporte dias Aprox. 464 464 impresiones impresiones 200,00 92.800,00 estimado por adelantos A.2. Papelería del proyecto Pantalla táctil para 5 Elementos programación, 20.000,00 100.000,00 A.3. Equipos, elementos de pruebas sensores para materiales y pruebas, PLC suministros prueba.

A.4. Personal Elaboradores Desarrolladores 2 Personas 500.000,00 500.000,00 Mano de Obra del proyecto del proyecto.

Asesoría de Ingeniero Eléctrico para Ingeniero 1 Ingeniero 100.000,00 100.000,00 forma y Eléctrico contenido de la A.5. Asesorías parte técnica con Profesional del proyecto Planos Planos, 6 Impresión manual y No aplica 54.000,00 A.7. Entregables Estimado Empastada demás en físico Anexos.

TOTAL COSTES 1’294.800,00 DIRECTOS

83

RELACION COSTOS FINANCIADORES CANTIDAD B. COSTOS INDIRECTOS

11 B.1. Costo de luz

UNIDAD

COSTO UNITARIO

COSTO TOTAL

DESCRIPCION

Costo de Recibo 250.000,00 consumo kw/h según Kw/h No aplica aprox estimado de las de consumo pruebas.

PC Costo de cada involucrados computador por 1’000.000 2’000.000,00 en el depreciación en proyecto el tiempo Costo de recibo Recibo 40.000 484.000,00 de Internet

2 B.2. Equipos de Computo B.3. Costo de 11 Internet TOTAL COSTES 2.734.000,00 INDIRECTOS TOTAL Cuatro Millones Veintiocho mil Ochocientos pesos Moneda GENERAL DE COSTO Colombiana ( ) APROXIMADO .Tomado de: Autores.

4’028.800

9.3.1. COSTOS DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A. Los costos de materiales para la construcción del prototipo están sujetos a diferentes cambios según sea el proveedor o la depreciación de costo con respecto al tiempo, se expone en la siguiente tabla los costos actuales de los materiales.

84

TABLA 13. COSTOS DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION DE DISEÑO. Valor ELEMENTOS cantidad Valor Total Unidad TORNILLO DE POTENCIA 1 $ 120.000 $ 120.000 $ 40.000 GUÍAS METÁLICAS 2 $ 80.000 MORDAZA MÓDULO DE PESAJE POR TENSIÓN

2

RODAMIENTOS SENSOR POR CINTA WB12 DE ASM FINALES DE CARRERA CABLE ELÉCTRICO 12 AWG CABLE UTP PULSADOR CARCASA MOTORREDUCTOR DOGA 111 HMI MAGELIS XBTGT2330 COMPONENTES ELECTRÓNICOS PLC TWIDO OTROS TOTAL Tomado de: Autores.

12 1 2 3 10 5 1 1 1

85

1

1

$ 43.500 $ 115.000 $ 4000 $ 54.900 $ 23.500 $ 1.600 $ 800 $ 7.200 $ 300.000 $ 480.000 $ 450.000 Global $ 760.000 Global

$87.000 $115.000 $ 48.000 $ 54.900 $ 47.000 $ 4.800 $ 8.000 $ 36.000 $ 300.000 $480.000 $ 450.000 $ 150.000 $ 760.000 $ 150.000 $2.890.700

10. RESULTADOS Elaboración de las simulaciones.

Se realizó un modelo del equipo, a través, del software SolidWorks, hizo un estudio de movimiento, en el cual se puede observar el desplazamiento mecánico que tienen los diferentes componentes, y como se comportan. A continuación se presentan imágenes renderizadas de tal modelo, donde se pueden observar diferentes características físicas y algunos detalles del equipo.

FIGURA 34. Vista frontal mecánica, renderizada.

Tomado de: Autores

86

FIGURA 35. Vista frontalmecánica sin puerta, renderizada.

Tomado de: Autores FIGURA 36. Vista isométrica mecánica sin puerta, renderizada.

Tomado de: Autores

87

FIGURA 37.Detalle frontal de ubicación mecánica sin puerta, renderizada.

Tomado de: Autores FIGURA 38. Detalle isométrico de pánel de control, renderizado.

Tomado de: Autores

88

FIGURA 39. Detalle isométrico de mecanismo, renderizado.

Tomado de: Autores Simulaciones de medición.

En las simulaciones de medición se utilizaron 2 diferentes materiales, sometidos a una carga de (50N).

El proceso de medición del Polieteretercetona (PEEK) es el siguiente: Se tomó una película de 2 mm de espesor, después de tener definidas las dimensiones del elemento, se procede a realizar la sujeción, es decir, se deja uno de los extremos fijo; simulando la mordaza superior del equipo. Una vez se tienen estas condiciones, se aplica la carga, en la misma dirección de la gravedad, aparentando ser el movimiento lineal que es aplicado por el tornillo, el cual imprime la fuerza de (50N).

Con estos datos, se procede a ejecutar la simulación, que arroja en primera instancia la tensión de Von Mises (Ver figura 39), la cual es una cantidad de tensión calculada a partir de los componentes de la tensión. Aunque una tensión

89

de von Mises en un nodo no define exclusivamente el estado de tensión en ese nodo, proporciona información adecuada para evaluar la seguridad del diseño para múltiples materiales dúctiles. A diferencia de los componentes de la tensión, la tensión de von Mises no tiene dirección. Está completamente definida por la magnitud con unidades de tensión. La tensión de von Mises es utilizada por el criterio de fallos para evaluar los errores en los materiales dúctiles. 22 Figura 40. Tensión de Von Mises (PEEK)

Tomado de: Autores.

A continuación se muestra la gráfica de desplazamiento resultante, referentes al material que ha sido simulado (PEEK). 22 En ambos casos, el simulador genera una barra con convenciones de colores, es decir, en paralelo a la deformación que está sucediendo, el programa realiza un análisis termográfico, donde puede evidenciar la concentración de esfuerzos.

90

Figura 41. Desplazamientos resultantes

(PEEK).

Tomado de: Autores.

Luego, se muestra el gráfico de deformación unitaria, valor importante que es medido y calculado por el MEPPUA. Figura 42. Deformación unitaria (PEEK)

Tomado de: Autores.

Se recomienda ver el Anexo F. El cual muestra el informe generado por SolidWorks luego de la simulación.

El proceso de medición del POM Acetal Copolymer es el siguiente: Se tomó una película de 2 mm de espesor, después de tener definidas las dimensiones del elemento, se procede a realizar la sujeción, es decir, se deja uno 91

de los extremos fijo; simulando la mordaza superior del equipo. Una vez se tienen estas condiciones, se aplica la carga, en la misma dirección de la gravedad, aparentando ser el movimiento lineal que es aplicado por el tornillo, el cual imprime la fuerza de (50N).

Con estos datos, se procede a ejecutar la simulación, que arroja en primera instancia la tensión de Von Mises, la cual es una cantidad de tensión calculada a partir de los componentes de la tensión. Aunque una tensión de von Mises en un nodo no define exclusivamente el estado de tensión en ese nodo, proporciona información adecuada para evaluar la seguridad del diseño para múltiples materiales dúctiles. A diferencia de los componentes de la tensión, la tensión de von Mises no tiene dirección. Está completamente definida por la magnitud con unidades de tensión. La tensión de von Mises es utilizada por el criterio de fallos para evaluar los errores en los materiales dúctiles. 22 Figura 43. Tensión de Von Mises (POM)

Tomado de: Autores.

A continuación en la figura 44 se muestra la gráfica de desplazamiento resultante, referentes al material que ha sido simulado (POM).

En ambos casos, el simulador genera una barra con convenciones de colores, es decir, en paralelo a la deformación que está sucediendo, el programa realiza un análisis termográfico, donde puede evidenciar la concentración de esfuerzos.

92

Figura 44. Desplazamientos resultantes (POM).

Tomado de: Autores.

Luego, se muestra en el gráfico de deformación unitaria, valor importante que es medido y calculado por el MEPPUA. Figura 45. Deformación unitaria (POM)

Tomado de: Autores.

Se recomienda ver el Anexo f, en el cual se muestran los informes generados por SolidWorks luego de la simulación, donde se especifican los valores y características expuestas anteriormente.

93

11. CONCLUSIONES •

Se realizo una búsqueda de conceptos, de lo que realmente influye en el modulo de elasticidad, y se llego por medio de teorías matemáticas a conocer el parámetro elástico de un material.

•

Se diseño un sistema que realiza la medición del Modulo de Young, cumpliendo con las necesidades planteadas por el programa de Ingeniería Agroindustrial de Uniagraria.

•

Se desarrollo un programa que calcula el Modulo de Young del material, y se visualiza por la pantalla el valor práctico, expuesto a la prueba.

94

12. RECOMENDACIONES



Extender las funcionalidades del Equipo M.E.P.P.U.A, para realizar un ensayo de tracción con las variables que se pueden medir en el mismo.



Trabajar en la implementación y construcción del Equipo M.E.P.P.U.A, partiendo del diseño ya establecido en este trabajo.



Analizar y utilizar la metodología expuesta para la construcción del Equipo M.E.P.P.U.A, explicada en el capítulo 6 (Desarrollo del proyecto), de este trabajo. (ANEXO B).



Estudiar la posibilidad de llegar a medir otras variables pertenecientes a factores ambientales, como es el caso de la temperatura ambiente, humedad relativa, presión, entre otros.

95

REFERENCIAS [1]

LÓPEZ, JOSÉ FERNANDO, Novedoso equipo permitirá evaluar materiales con mayor precisión, Agencia de noticias universidad nacional,http://www.agenciadenoticias.unal.edu.co/ndetalle/article/noved oso-equipo-permitira-evaluar-materiales-con-mayor-precision.html, 2104-2014.

[2] Ingeniería de producción agroindustrial nuestros recursos, Laboratorio de propiedades físicas, consultado el día 21/04/2014,http://www.unisabana.edu.co/carreras/ingenieria-deproduccion-agroindustrial/nuestros-recursos/ [3] J.A Rayas, R. Rodriguez y A. Martínez, Medición del módulo de Young en el hule látex usando ESPI, Revista Mexicana de física, 2003.

[4] BILLMEYER, FRED, Ciencia de los polímeros, 2001.

[5] SAAVEDRA H., NATALY, ALGECIRA, NESTOR, Evaluación de películas comestibles de almidón de yuca y proteína aislada de soya en la conservación de fresas, Nova – publicación científica en ciencias biomédicas, ISSN:1794-2470 VOL.8 No. 14, 2010.

[6] ESCOBAR, D., SALA, A., SILVERA, C., HARISPE, R., MARQUEZ, R., Películas biodegradables y comestibles desarrolladas en base a aislado de proteínas de suero lácteo: estudio de dos métodos de elaboración y del uso de sorbato de potasio como conservador, Revista del laboratorio tecnológico del Uruguay No. 4, 2009.

[7] NAVARRO TORO, M.,Desarrollo y caracterización de materiales biodegradables para regeneración ósea, Tesis doctoral, UPC 2005.

[8] UNIAGRARIA, PROGRAMA DE INGENIERIA MECATRONICA, MISION Y VISION, PAGUINA WEB, http://www.uniagraria.edu.co/ 2013.

[9] ZOPP, ZielOrientierte ProjektPlanung, Caracteristicas de la metodología Zopp, 2010.

[10] Nicholson, J. W. (2006). The Chemistry of Polymers, 3ra ed. University of Greenwich. ISBN 0-85404-684-4.

[11] PEPPERL+FUCHS. (2012). RESUMEN DE PRODUCTOS PARA AUTOMATIZACION. Obtenido de http://files.pepperlfuchs.com/selector_files/navi/productInfo/doct/tdoct0903f_spa.pdf [12]Puigdomènech, P. (s.f.). Enciclopedia de las Ciencias; Las plantas, el mundo de la botánica, . Ediciones Orbis S.A, 1986; pg. 13.

[13]SAAVEDRA H., N. A. (s.f.). Evaluación de películas comestibles de almidón de yuca y proteína aislada de soya en la conservación de fresas - publicación científica en ciencias biomédicas, . 2010.: , ISSN: 17942470 VOL.8 No. 14.

[14] SENSING. (s.f.). Sensores de fuerza. Obtenido de http://www.sensoresde-medida.es/sensing_sl/SENSORES-Y-

96

TRANSDUCTORES_35/Sensores-de-fuerza---C%C3%A9lulas-decarga_69/ [15] Zapata, J. F. (s.f.). DISEÑO DE ELEMENTOS DE MAQUINA. UNIVERSIDAD DE PIURA. [16]7500, I. (2002). CALIBRACION DE MAQUINAS DE ENSAYO. [17] Almeria, U. d. (Dirección). (2013). Ensayo de tracción - Resistencia de Materiales [Película].

[18] Anbinder, P. S. (2011). Caracterización, evaluación y aplicaciones de películas poliméricas activas. . pp. 159. ISSN 978-950-34-0810-0.

[19] Automation, O. (2012). Modulos de Expancion.

[20] BILLMEYER. (2001). CIENCIA DE LOS POLIMEROS. FRED. [21] Bradley, A. (2005). Finales de carrera de uso general.

[22] Ford, Advanced Mechanics of Materials, Longmans, London, 1963.

[23]efector200. (2011). 01D100.

[24]Electrónica, a. d. (s.f.). aplicaciones de plc. Obtenido de http://plicacionesdeplc.blogspot.com/2011/03/estructura-de-un-plc.html [25] ElectronicCoby. (2009). Pot Serie CM22.

[26]NAVARRO TORO, M. (2005.). Desarrollo y caracterización de materiales biodegradables para regeneración ósea, . Tesis doctoral, UPC .

[27]NAVARRO TORO, M. (2005.). Desarrollo y caracterización de materiales biodegradables para regeneración ósea, Tesis doctoral, . UPC .

[28]Nicholson, J. W. (2006). The Chemistry of Polymers, 3ra ed. University of Greenwich. ISBN 0-85404-684-4.

[29]Nicholson, J. W. (2006). The Chemistry of Polymers, 3ra ed. University of Greenwich. . ISBN 0-85404-684-4.

[30]PEPPERL+FUCHS. (2012). RESUMEN DE PRODUCTOS PARA AUTOMATIZACION. Obtenido de http://files.pepperlfuchs.com/selector_files/navi/productInfo/doct/tdoct0903f_spa.pdf [31] PEREIRA, U. T. PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES. En METALOGRAFIA (pág. UNIDAD 2). PEREIRA: METALOGRAFIA. [33] PMIB3, A. (2010). Encoder incremental magnético PMIS3.

[34] POSITAPE. (2012). Datasheet WB12.

[35] schneider, C. (2012). Sensores Industriales.

[36] schneidercatalog. (2011). Sensores Industriales.

[37] SENSING. (s.f.). Sensores de fuerza. Obtenido de http://www.sensoresde-medida.es/sensing_sl/SENSORES-YTRANSDUCTORES_35/Sensores-de-fuerza---C%C3%A9lulas-decarga_69/ [38] TOLEDO, M. (2014). Pesaje preciso y repetible . MEXICO. [39] Viloria, J. R. (2001). PRONTUARIO DE NEUMATICA INDUSTRIAL. [40] Zapata, J. F. DISEÑO DE ELEMENTOS DE MAQUINA. UNIVERSIDAD DE PIURA.

ANEXO A. 97

COMPILACION DE INFORMACION DE SENSORES DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A. SENSOR DE FUERZA DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A. Un sensor de fuerza se utiliza directamente para determinar la tensión en la muestra, variable importante para la medición del módulo de Young.

GALGAS EXTENSIOMETRICAS Son aquellas que permiten determinar los esfuerzos ejercidos sobre el elemento, que es posible tras una deformación resultante del mismo, por ello la fuerza de tracción se generan en dicha galga, se verifica por medio de una variación en la resistencia eléctrica.

Figura A.1. GALGA EXTENSIOMETRICA TM5SEAISG

Tomado de (Automation, 2012)

Esta galga extensiométrica, su rango de medición es de 85 a 5000 ohmios, tiene una resolución del conversor digital de 24 bits, la eficacia de la medición depende de la distancia en que se use.

Figura A.2. GALGA EXTENSIOMETRICA DE 6 POSICIONES.

98

Tomado de (Automation, 2012) Este sensor, no fue el elegido para el diseño por la interacción que debe existir por el usuario en cuanto a calibración por prueba que se haga, teniendo en cuenta las propiedades de la probeta y calibrando para cada caso según sea el requerimiento. Otro motivo por el cual no se le da la elección, es porque la señal que ofrece es un voltaje, y se requiere que el sensor arroje una señal de 4 a 20 mA, por las razones que se expusieron anteriormente.

Además de que no está certificado para ser utilizado con productos de consumo, y lo que motiva a este diseño son los productos provenientes de productos de consumo.

CÉLULA DE CARGA Se emplean para comprobar y medir cantidad de presión en una superficie que se hace en un ensayo, además transforma la magnitud mecánica en magnitud eléctrica, fuerza ejercida en voltaje.(SENSING, s.f.)

Figura A.2. MÓDULO DE PESAJE POR TENSIÓN SWS310 CON CELDA DE CARGA SLS410

99

Tomado de (TOLEDO, 2014) También conocida como Celda de Carga tipo Viga Z, es uno de los tipos de Celdas de Carga más popular. Fue originalmente diseñado para aplicaciones en línea para convertir básculas mecánicas a digitales, remplazando el resorte u otros componentes en línea.

Figura A.3. CELDA DE CARGA VIGA Z

Tomado de (TOLEDO, 2014) Este sensor Celda de carga Viga z, fue el escogido para el diseño del prototipo gracias a las ventajas de su utilización que es debido a su alta precisión, bajo costo y facilidad de instalación. Lo que facilita su operación en el equipo ya que este instrumento está diseñado para trabajar linealmente que es como se tomara la muestra en el momento de la prueba.

La célula de carga está equipada con un conjunto de ojal y varilla, diseñada para medir únicamente fuerzas verticales, ninguna presión o fuerza horizontal interferirá en la medida que arroja la celda, además impide que existan movimientos en el eje horizontal.

100

Soporta máximo 50Kg de peso, es decir 490 N de tensión, con una sensibilidad nominal de 3.000 ± 0.25% , salida de 4 a 20 mA. Figura A.4. ACOPLAMIENTO DEL MÓDULO DE PESAJE POR TENSIÓN CON LA CENDA DE CARGA Z.

TOMADO DE (TOLEDO, 2014) Figura A.5. MÓDULO DE PESAJE POR TENSIÓN.

Tomado de (TOLEDO, 2014)

SENSOR DEFORMACIÓN DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A. Es necesario saber cuánto se desplaza la mordaza que estira el material, para ello, se requiere saber la distancia que recorre para realizar cálculos internos en el sistema de control, para identificar el valor exacto de la deformación de la muestra.

101

Para tomar el valor de la distancia existen diferentes sensores y métodos que permiten dicha medición, a continuación se presentan algunos y se elige el que mejor se acopla a las características requeridas por el sistema.

POTENCIÓMETROS Es un dispositivo electromecánico de los más comunes el cual tiene una resistencia de valor fijo en la cual existe un cursor que al rotarlo el cual permite dividirlo eléctricamente.

Desde cualquier punto de vista el potenciómetro puede medir diferentes magnitudes físicas que incluyan el desplazamiento.

(FERNANDEZ, s.f.)

Figura A.6. POTENCIOMETRO SERIE CM22

Tomado de (ElectronicCoby, 2009) Este sensor de distancia, es muy común en la industria para determinar la distancia según la necesidad y objetivos de una maquina en cuanto a control.

Corresponde a unos parámetros característicos que son un estándar de conmutador de 20mm, temperatura de trabajo entre los -25° C a 70° C, y con corriente de salida de 4 a 20 mA. TABLA A.1. POTENCIÓMETROS, SERIE CM22

Tomado de (ElectronicCoby, 2009)

102

No fue escogido este sensor por la poca precisión que maneja y por el poco tiempo de vida en operación, aunque el costo es moderado y se puede tener en cuenta para un montaje un poco más sencillo y que no exija de una muestra muy precisa.

ENCODERS LINEALES El elemento principal es una cinta flexible que tiene una sucesión de polos magnéticos; se monta sobre una superficie, que puede ser plana o curvada. Un sensor, unido a la parte móvil de la máquina se desplaza paralelamente a la cinta y detecta el paso de los polos magnéticos; genera una señal igual a la de un encoder. Puede ser incremental o absoluto. (MAGLINE, s.f.)

Figura A.7. ENCODER INCREMENTAL MAGNÉTICO PMIS3

Tomado de (PMIB3, 2010) Está pensada para la medida de posición y distancia lineal en todos diferentes rangos, ya que la cinta magnética actúa como regla de medida.

Tabla A.2. CARACTERÍSTICAS Y PARÁMETROS DEL ENCODER INCREMENTAL MAGNÉTICO PMIS3.

Características

Parámetros

Rango de Medida

Hasta 60000mm con una cinta de una sola pieza.

Resolución

Hasta una micra.

Señal de Salida

Tipo de Encoder TTL (5V) y HTL (1030V)

103

Protección

IP67

Opciones de Montaje

Perfil bajo y alto, cabezal guiado, etc.

Tomado de (PMIB3, 2010) Figura A.8. DIMENSIONES DE ENCODER INCREMENTAL MAGNÉTICO.

Tomado de (PMIB3, 2010)

El instrumento se compone del cabezal magnético PMIS3, que lee la cinta. En dicho conjunto se puede configurar todo, resolución, tipo de salida, longitud de cable, longitud de cinta, etc.

No fue escogido por su costo elevado, además el montaje no requiere de un encoder de estos parámetros por estética en el diseño aunque podría ser útil en un montaje que requiera de un considerable deslazamiento de la elongación del material.

SENSOR FOTOELÉCTRICO Es un elemento electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz.

Requiere de un emisor que genera la luz, y un receptor que percibe la luz generada por el emisor. Todos los modos de sensado se basan en este funcionamiento. Su diseñado es especialmente para la detección, clasificación y

104

posicionado de objetos; la detección de formas, colores y diferencias de superficie, incluso bajo condiciones ambientales extremas.

Figura A.9. SENSOR FOTOELECTRICO 01D100

Tomado de (efector200, 2011)

Las ventajas de este tipo de sensores con respecto al diseño del prototipo son el rango de medición, ya que tiene un alcance de hasta 10 m, tiene alimentación por corriente directa con configuración PNP, es de bajo consumo y de fácil configuración para puesta en marcha dentro de un producto.

105

Tabla A.3. SENSOR FOTOELÉCTRICO O1D100

Tomado de (efector200, 2011)

106

Figura A.10. DIMENSIONES DEL SENSOR FOTOELÉCTRICO O1D100.

Tomado de (efector200, 2011)

Este sensor, no fue elegido por su elevado costo, además se considera sobredimensionado para el tipo de aplicación que ser requiere ya que su rango de medición es de 0 a 10m, cuando solo se requiere un sensor de máximo 0 a 1.5m.

SENSOR DE DISTANCIA POR CINTA Este sensor por cinta denominado WB12 de ASM, permite alcanzar los 4m, por lo que está especialmente aplicable para aplicaciones de bajo y medio rango de operación, donde también se dispone de poco espacio, puesto que el formato es muy compacto y muy robusto gracias a su alto grado de protección, es fuerte para trabajo a la intemperie, ya que puede soportar hasta inmersión temporal.

La forma de trabajo es por medio de una cinta de acero inoxidable se enrolla en el interior del sensor, en un tambor compacto, y es mantenida en tensión cuando se extrae, gracias al muelle de retorno conectado directamente al eje del compacto.

Este movimiento es transmitido a un elemento sensor magnético, que puede brindar diferentes tipos de señales analógicas y digitales, según los requisitos de la aplicación.

Figura A.11. SENSOR POR CINTA WB12 DE ASM.

Tomado de (POSITAPE, 2012)

107

Caracter铆sticas principales: Rango m谩ximo: 4000mm, con pasos intermedios.

Linealidad: 0.1%. (0.05% opcional).

Salidas anal贸gicas: 0.5-4.5V, 0.5-10V o 4-20mA a tres hilos.

Salidas digitales: SSI o CANopen.

Protecci贸n: IP67

Tabla A.4. CARACTERISTICAS DE SENSOR DE CINTA.

Tomado de (POSITAPE, 2012

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Figura A.12. DIMENSIONES SENSOR DE CINTA.

Tomado de (POSITAPE, 2012) Este tipo de sensor es el que se escogió para el diseño de el equipo ya que se acomoda a las exigencias del prototipo por su precisión en la variable que se pretende adquirir y evitando de manera notable el error con respecto a la toma de la muestra del modulo de elasticidad de la película. Además presenta la robustez esperada y un grado de protección al ingreso IP 67.

SENSOR DE PROXIMIDAD DEL EQUIPO M.E.P.P.U.A. Este tipo de sensor tiene una operación muy buena ya que sin necesidad de contacto por medio de un espacio magnético (generalmente) o por accionamiento, se puede llegar obtener la señal.

SENSOR CAPACITIVOS Para este caso se ve posible un sensor capacitivo de posición, utilizado básicamente como un condensador variable el cual en base a dos plaquetas propias del sensor da la posición.

109

Figura A.13. SENSOR CAPACITIVO DE PROXIMIDAD.

Tomado de (Proxitron, 2011)

Se podría considerar como un condensador variable, las ventajas de la utilización de este dispositivo es la adquisición del fenómeno sin necesidad de contacto como en el caso del final de carrera, tiene una gran vida de operación, sirve para acoplar en sistemas robustos, temperaturas altas.

Tabla A.5. DATOS TÉCNICOS SENSOR CAPACITIVO DE PROXIMIDAD.

110

Tomado de (Proxitron, 2011) Figura A.14. DIMENSIONES DEL SENSOR CAPACITIVO.

Tomado de (Proxitron, 2011)

No se eligió este sensor por la inexactitud en cada muestra que se vaya a hacer en el equipo, ya que toca hacer una adecuación por cada prueba en el potenciómetro que al ser puesto por el operario lo hará menos practico y no cumpliría con la misión del proyecto que es hacer la prueba lo más fácil posible para el usuario.

SENSOR INDUCTIVO Función similar a la capacitiva mitad han sido diseñados para trabajar generando un campo magnético y detectando las pérdidas de corriente de dicho campo generadas al introducirse en él los objetos de detección férrica y no férricos.

Figura A.15. SENSOR INDUCTIVO XSA-V11373

Tomado de (schneider, 2012)

111

Figura A.16. SEÑALES DEL SENSOR INDUCTIVO.

Tomado de (schneider, 2012)

Tabla A.6. DATOS TÉCNICOS DEL SENSOR INDUCTIVO.

Tomado de (schneider, 2012)

Son una solución en materia de costos la adquisición de este sensor, comercialmente sus usos más comunes son para controlar el deslizamiento de un mecanismo, en vida de operación son uno de los más duraderos por su contextura.

112

SENSOR ULTRASÓNICO Son sensores detectores de proximidad que trabajan libres de acciones mecánicas y que detectan objetos a distancias grandes. El sensor emite impulsos ultrasónicos y estos reflejan en un objeto, el sensor recibe el eco producido y lo convierte en señales eléctricas, las cuales son elaboradas en el aparato de valoración. Estos sensores trabajan solamente en el aire, y pueden detectar objetos con diferentes formas, superficies y de diferentes materiales.

Figura A.17. SENSOR DE ULTRASONIDO XX5-18A3.

Tomado de (schneidercatalog, 2011) Estos sensores son capaces de detectar sin tener contacto con cualquier objeto sin importar el material, color, grado de transparencia, etc.

Las ventajas más representativas son el no necesitar contacto físico con los objetos, que se puede trabajar con cualquier tipo de material sin importar sus características, tiene un ajuste simple y efectivo, y puede utilizarse en el área industrial con equipos robustos.

113

Tabla A.7. CARACTERÍSTICAS SENSOR DE ULTRASONIDO XX5-18A3.

Tomado de (schneidercatalog, 2011)

La razón por la cual no fue elegido este sensor es por el fenómeno de operación que lo rige el cual no es tan preciso al ambiente al que estará expuesto el equipo, por ello es indispensable para la utilización de este sensor tener el ambiente del equipo sin perturbaciones ya que se trata de una onda y un eco que depende de que el canal de comunicación sea optimo para tomar una medida verídica para hallar el Modulo de Young.

SENSOR FINAL DE CARRERA. Los sensores final de carrera,son elementos que se necesitan para identificar el final o el principio del recorrido en las partes móviles del prototipo, también se requiere uno para identificar el estado de la puerta, para así conocer si se encuentra abierta o cerrada, y garantizar que la integridad del operario no será afectada durante el proceso. Cuando el elemento móvil llega al final del recorrido hace contacto y emite una señal que realizara la configuración que se tenga programada existen eléctricos, neumáticos, y mecánicos.

114

Figura A.17. FINALES DE CARRERA DE USO GENERAL.

Tomado de (Bradley, 2005) Interruptor de final de carrera de uso general para una amplia variedad de aplicaciones.

Una de las ventajas es facilidad de montaje en las superficies de la carcasa.

Las ventajas de uso de este sensor son por facilidad de instalaci처n, funciona para un sistema robusto, ante altas tensiones trabaja perfectamente.

Maneja una temperatura de 0 a 40째C (32 a 104째F)

Figura A.18. DIMENSIONES DEL FINALES DE CARRERA DE USO GENERAL.

Tomado de (Bradley, 2005)

115

Pero la razón por la cual se eligió para este proyecto es por su dependencia de fuerza para conmutar y enviar el dato, ya que es un equipo tan robusto y que necesita de precisión por el tipo de medición que se debe hacer con poco rango de error además de su tiempo de vida en operación, con bajo costo y fácil adquisición.

Cumple con lo requerido por el Equipo M.E.P.P.U.A, por lo tanto es el que se usa para el diseño del mismo, teniendo en cuenta facilidad de adquisición y bajo costo haciendo óptimo el acoplamiento del sensor al sistema.

116

ANEXO B. METODOLOGIA EXCLUIDA Para la Segunda alternativa se debe añadir una metodología para gestión y ejecución de cada tarea si se está orientando a la construcción, a forma de ejemplo se puede verificar este proyecto de la siguiente manera: Como primera medida se debe realizar una lista de actividades, por tiempos específicos los cuales deben ir acorde de una forma cíclica, teniendo como aspectos de relación si son actividades predecesoras o no, para continuar con el proyecto.

Tabla B.1. Lista de actividades.

NOMBRE DE ACTIVIDAD ACTIVIDAD A Recopilación de Información acerca del Modulo de Young.

B Identificación de las variables que influyen en el módulo de Young.

C D E F G H

Modelo del prototipo y planos.

Selección de materiales.

Compra de materiales.

Construcción del prototipo parte mecánica y electrónica.

Diseño del programa.

Implementación del programa en la electrónica.

I

Elaboración del manual.

J

Presentación del informe final.

Tomado de: Autores.

Se realiza una tabla donde se evidencia las actividades predecesoras es decir las que deben cumplirse para poder dar paso a la siguiente actividad.

117

Tabla B.2. RELACION ENTRE ACTIVIDADES PREDECESORAS PARA CREACION DE LA RUTA CRÍTICA. ACTIVIDADES PREDECESORAS A -B -C A,B D C E C F E G F G H I D J H,I Tomado de: Autores.

Tabla B.3. RELACION ACTIVIDADES CON DURACION DEL PROYECTO. DURACIÓN ACTIVIDAD (SEMANAS) Recopilación de Información A 6 acerca del Modulo de Young.

Identificación de las variables que B 2 influyen en el módulo de Young.

C Modelo del prototipo y planos.

5 D Diseño de prototipo 3 Selección y Compra de E 2 materiales.

Construcción del prototipo parte F 6 mecánica y electrónica Programación y control G 5 (MODELADO) H Implementación del programa 5 Elaboración del Informe y manual I 3 de Operaciones J Presentación del informe final 1 Tomado de: Autor.

118

Tabla B.4. CRONOGRAMA RESULTANTE Actividad

Mes Mayo

Mes Junio

Mes Julio

Mes Agosto

Recopilaciรณn de Informaciรณn acerca del Modulo de Young Identificaciรณn de las variables que influyen en el mรณdulo de Young.

Modelo del prototipo y planos.

Diseรฑo de prototipo Selecciรณn y Compra de materiales.

Construcciรณn del prototipo parte mecรกnica y electrรณnica Programaciรณn y control (MODELADO) Implementaciรณn del programa Elaboraciรณn del Informe y manual de Operaciones Presentaciรณn Informe final

del

Tomado de: Autores.

119

Mes Mes Mes Septiembre Octubre Noviembre

Tabla B.5. RUTA IMPLEMENTACIÓN.

CRÍTICA

DEL

PROYECTO

Tomado de: Autores.

120

EN

LA

ETAPA

DE

El esquema de ruta critica da una vision general de un analisis metodico por el cual se puede indagar de que actividades cumplen con una linea de favorabilidad al proyecto en el menor tiempo, aunque no se cumplan algunas de las actividades es necesario llegar siempre a la satisfaccion del proyecto a la culminacion por la ruta que sea escogida.

Esta metodología es supuesta y abierta a modificaciones, por parte del profesional que quiera implementar el Equipo M.E.P.P.U.A, donde se deberá excluir actividades ya realizadas como la investigación, identificación de variables, planos, programación; para remitirse directamente a la ejecución del ensamble.

121

ANEXO C. PLANOS DEL EQUIPO

122

123

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125

126

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128

129

ANEXO D.

EQUIPO M.E.P.P.U.A MANUAL DEL USUARIO PROGRAMA

DISEÑO DE UN PROTOTIPO PARA MEDIR EL MÓDULO DE YOUNG EN PELÍCULAS POLIMÉRICAS RESULTANTES DE PROCESOS AGROINDUSTRIALES EN UNIAGRARIA.

130

PANTALLA TÁCTIL La pantalla táctil, es el medio por el cual se pueden visualizar y modificar las variables necesarias para calcular el módulo de Young de la muestra que se quiere medir.

Al encender el prototipo, la pantalla inicia con la siguiente información.

Esta pantalla es importante porque es un stand by, indica que el prototipo está esperando a que el usuario inicie el proceso, en este punto la máquina se encuentra detenida.

131

Al tocar el botón iniciar, se da comienzo al programa que permite medir las películas poliméricas, el cual lleva al siguiente panel en el que se ingresan datos sobre el largo de la probeta y el área de sección transversal de la misma, valores que son requeridos por el programa para el cálculo del módulo de Young.

Para ingresar los datos el usuario debe tocar con un dedo o algún elemento sólido el campo con el texto que indica la variable a modificar, al realizar dicha acción se despliega un teclado numérico, en el cual se debe digitar el número en milímetros.

Luego de que los dos campos estén llenos con la información correcta, se procede a tocar el campo “aceptar” el cual almacenará la información y dará continuidad al proceso.

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En este panel, se procede a ubicar la probeta en las mordazas, para realizar esta acción se debe asegurar un extremo de la muestra en la mordaza fija, que es la de la parte de abajo, y luego proceder a asegurar el otro extremo de la muestra en la otra mordaza, para realizar esto se puede subir o bajar la mordaza móvil tocando los botones, la muestra debe quedar templada pero no debe realizar ningún esfuerzo.

Se puede observar la distancia en tiempo real entre las mordazas, para continuar las dos mordazas deben estar cerradas, de lo contrario no será posible habilitar el botón aceptar.

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Al entrar en este panel, indica que ya está todo el sistema configurado para iniciar la medición correctamente, cuando se toca el botón iniciar empieza el estiramiento de la muestra y los cálculos se realizan en tiempo real. La medición se puede detener en cualquier momento con el botón detener.

En el campo “módulo de young” se puede observar el valor del módulo de Young de la muestra. También se pueden observar las demás variables que influyen en tal valor, esto se hace tocando el campo “ver variables”, para ir al siguiente panel.

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En este panel se puede observar el comportamiento de cada una de las variables que influyen en el módulo de Young, para realizar cálculos o demás usos que el usuario le pueda dar. Estos valores no son modificables, ya que fueron medidas reales obtenidas por medio del sistema, se puede observar un gráfico de tensión – deformación, para observar cómo es el comportamiento del material durante la zona elástica, también se pueden observar diferentes variables adicionales típicas de un gráfico de este tipo, aunque no estén contempladas dentro del alcance del proyecto.

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En este panel se observa el gráfico tensión deformación que resulta de las medidas tomadas durante el proceso, este gráfico es importante para conocer el comportamiento elástico del material, pero no es primordial ya que el objetivo del prototipo es encontrar el módulo de Young.

Al tocar el campo “volver” se regresa al panel anterior, para revisar las variables, o se puede tocar el campo “inicio” para borrar todos los datos y regresar al inicio para empezar una nueva medición.

En cualquier momento se puede oprimir el botón del paro de emergencia el cual detendrá cualquier movimiento que esté realizando la máquina, para evitar accidentes.

Se debe presionar el botón físico “encender” para que el programa se ejecute e iniciar la secuencia, este botón es el que habilita la lógica de programación, de lo contrario la máquina no se moverá ni almacenará datos.

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2015

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ANEXO E. MARCO LÓGICO PARA DESARROLLO DEL PROYECTO Jerarquía del proyecto

Indicadores de Desempeño

Medios de Verificación

Supuestos

A.1.1 Verificación dada por A.1 Percepciones de los exposición del caso por parte estudiantes interesados en el del docente encargado del desarrollo del proyecto A. Contribuir en el estudio de estudio de Películas -Cambio en la normatividad de materiales Agroindustriales en la Poliméricas. caracterización de los Fundación Universitaria Agraria polímeros excluyendo el A.2 Porcentaje de de Colombia con un proyecto A.2.1 Verificación en el Modulo de Young. estudiantes que requieren el enfocado a la ingeniería documento final por análisis Equipo para optimizar los aplicada. de problemas donde se estudios. optimiza en factor tiempo de los estudios para llegar al diseño del equipo.

Fin:

Propósito: B. Diseño de un equipo que permita medir el Módulo de Young de películas poliméricas fabricadas a partir de subproductos agroindustriales para ser utilizado en el desarrollo de investigaciones que se llevan a cabo en el programa de ingeniería agroindustrial de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia

B.1 Variación en el tiempo ejecución de los estudios de películas poliméricas por estudiantes del programa Ingeniería Agroindustrial.

de las los de

B.1.1 Verificación por medio del capítulo de Películas Poliméricas en el documento final del proyecto de grado del diseño del equipo.

- Cambio de estudios por los estudiantes de Ingeniería Agroindustrial por adquisición del equipo.

B.2 Variación en el costo de transportes y demás factores que afectan la investigación de las películas poliméricas y dificultan los resultados en los estudios del programa de Ingeniería Agroindustrial de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia, antes y después del estudio del proyecto.

B.2.1 Verificación con el cumplimiento del objetivo orientado a la ayuda de los estudiantes en estudios Agroindustriales de la Fundación Universitaria Agraria de Colombia, donde se producirá un efecto en costos de impulso de tareas en el estudio de las películas poliméricas.

-Omisión del modulo de Young en los estudios concernientes con los polímeros por parte de los estudiantes de Ingeniería Agroindustrial.

B.3 Variación en efectividad de desarrollo de estudios Agroindustriales en la Fundación Universitaria Agraria de Colombia.

B.3.1 Verificación a largo plazo de un efecto directo como es la precisión del estudio de las películas poliméricas eliminando factores negativos que impedían su realización en bajo óptimos pasos desde un solo lugar de estudio.

-Cambio ambiental que no permita llevar a cabo el proyecto en el sector que está diseñado.

Resultados: C.A. Revisión conceptual de las C.A.1.

Recopilación de variables y los factores que conceptos de la caracterización influyen en el diseño y de los polímeros. programación del equipo con respecto a la adquisición del

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C.A.1.1 Verificación por medio del marco teórico del libro de proyecto de grado, donde se explica el estudio que se realiza y conceptos

-Mayor interés de la caracterización del polímero acorde con lo dispuesto por los estudios de materiales agroindustriales de Uniagraria.

-Ambiente de operación del equipo diferente al que se acordó inicialmente y que no sea compatible con el material del equipo.

modulo de Young.

necesarios acerca películas poliméricas.

Verificación por C.A.2. Una Recopilación de C.A.2.1 conceptos de la fórmula que medio de aplicación de la permite medir la variable del formula en la programación, que ofrece una formula modulo de Young. tensión deformación característica para visualiza la grafica en zona elástica de el modulo de Young.

C.A.3.

Una Grafica característica de tensión – deformación del modulo de Young que permite ver el comportamiento ante el fenómeno.

C.A.3.1 Verificación por el estudio realizado de la caracterización de polímeros principalmente en la medición e importancia del modulo de Young donde se evidencia una grafica de comportamiento de material que es factible para toma de decisiones en estudios agroindustriales.

C.B.1. Un Plano eléctricos del Equipo que mide el Modulo de C.B.1.1. Verificación en los Young. entregables del proyecto donde se realizo un diseño de plano eléctrico del equipo

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con sus elementos.

C.B. Diseño de un equipo para C.B.1. Plano Mecánicos del realizar la medición de las Equipo que mide el modulo de variables de acuerdo a lo Young. formulado por el Modulo de Young.

respectivos

C.B. 1.1 Verificación en los entregables del proyecto donde se realizo un diseño de plano Mecánico del equipo con sus respectivos dimensionamiento y teniendo en cuenta el material y el lugar en el que operara.

C.B.2.

Compilado de C.B.2.1.

Capítulo de Normatividades para el diseño Normatividad en el libro final, del Equipo.

Métodos de prueba estándar para las características rubber- viscosidad, relajación de la tensión y de prevulcanización (viscosímetro Mooney), RETIE, ISO 37, ISO 7500, etc.

C.C. Desarrollar un programa para calcular y visualizar el C.C.1. Un Diseño del programa C.C.1.1. Dentro de la parte de ejecución del proyecto se Módulo de Young de la muestra, por software. evidencia la lógica del con su respectivo manual de programa donde se usa la funcionamiento. investigación previa de la caracterización del polímero para encontrar la variable modulo de Young.

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C.C.2. Calidad en la interfaz C.C.2.1. Verificación por el Humano Maquina donde es de Manual de Usuario se puede fácil uso. evidenciar y verificar la calidad de la interfaz por su fácil uso que compromete a una ejecución en tiempo corto.

C.C.3. Un manual de Usuario que tendrá como fin el correcto uso del programa para efectuar lo esperado del mismo.

Actividades: C.A.1.1.

Identificación del comportamiento del material al ser tensado por el método de prueba del equipo para medir el modulo de Young.

C.A.1.1.1.

Costo de Investigación de los materiales para la identificación de caracterización de los polímeros.

C.A.1.2. Evaluación de la grafica

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C.C.3.1. Como entregable del proyecto está el manual de usuario para el correcto funcionamiento de la pantalla táctil programada y generar la grafica tensión deformación con unos pasos muy básicos.

-Interés por los estudiantes de UNIAGRARIA en tener en cuenta estudios con la caracterización del modulo de Análisis en el capítulo de elasticidad. costos, verificadas por tablas contenidas en el libro final del proyecto en donde se -Interés por aprender el uso evidencia las dos para actividades relacionadas posibilidades existentes si con la adquisición de la bien es en el caso de diseño variables del Modulo de o en el caso de construcción Young por estudiantes de del equipo.

Uniagraria.

tensión – Deformación del modulo de Young para llevar a C.A.1.2.1.

Costo en cabo el diseño del equipo. desplazamiento transporte por concepto de investigación basado en otros equipos para construcción del prototipo que C.B.1.1. Realización de plano mida el modulo de Young. eléctrico.

En el capítulo de análisis de costos contenido en el libro final del proyecto se evidencia que fue visitada la Universidad Sabana donde cuentan con esta máquina tomados como una base C.B.1.1.1. Costo de diseño de para el diseño del equipo de los planos eléctricos, tanto Uniagraria. internos como externos y de materiales utilizados en la actividad.

Verificación del costo de los planos eléctricos se da en el C.B.1.2.1. Costo de diseño de capítulo de costos del libro los planos Mecánicos, tanto final del proyecto donde se C.B.1.2.

Realización de plano internos como externos y de explica lo involucrado en el materiales utilizados desarrollo de los planos.

Mecánico.

Verificación del costo de los planos mecánicos se da en C.C.1.1.1 Costo del diseño de el capítulo de costos del libro software con interfaz para el final del proyecto donde se usuario del equipo para C.C.1.1. Diseño del programa y medición del modulo de Para el diseño del software manual del mismo. elasticidad. se puede remitir para su verificación al capítulo de C.C.1.1.2. Costo de elaboración costos del proyecto en la y estructura del manual etapa del diseño donde en la basándose en la lógica de tabla _ habla de el costo de funcionamiento. materiales usados para el

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diseño como simulación de C.C.1.1.3. Costo del informe los factores físicos que final donde se muestra a afecta la medición del generalidad la ejecución y modulo de elasticidad. verificación del alcance del proyecto, como un diseño del equipo que mide el modulo de La verificación del costo del Young. libro final se puede dar en el capítulo de costos del proyecto donde en la tabla _ de costos directos e indirectos se evidencia el costo en la parte de entregables.

Tomado de: Autores.

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