DISEÑO DE UN ALIMENTADOR DE CHAPA METÁLICA QUE SE ADAPTE A LA PRENSA DE TROQUELADO EXISTENTE EN LA EMPRESA GABINETES Y RACKS PH&ES, CON EL FIN DE REDUCIR LOS TIEMPOS DE TROQUELADO
DE RIEL CHANEL EN UN 40%.
EDWAR FABIÁN PÉREZ ALZATE ANDRÉS FELIPE ROMERO BARRETO
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C
DISEÑO DE UN ALIMENTADOR DE CHAPA METÁLICA QUE SE ADAPTE A LA PRENSA DE TROQUELADO EXISTENTE EN LA EMPRESA GABINETES Y RACKS PH&ES, CON EL FIN DE REDUCIR LOS TIEMPOS DE TROQUELADO
DE RIEL CHANEL EN UN 40%.
EDWAR FABIÁN PÉREZ ALZATE ANDRÉS FELIPE ROMERO BARRETO
Trabajo de grado para optar al título de ingeniero mecánico
Director de proyecto Germán Sicachá Rojas
Ingeniero mecánico
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C
CONTENIDO
GLOSARIO ... 11
RESUMEN ... 12
INTRODUCCIÓN ... 13
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 14
1.1. OBJETIVOS ... 15
1.1.1. Objetivo general ... 15
1.1.2. Objetivos específicos ... 15
2. GENERALIDADES DE LA EMPRESA ... 16
2.1. Misión ... 16
2.2. Visión ... 16
2.3. Organigrama ... 16
3. MARCO TEÓRICO ... 18
3.1. CHAPA METÁLICA ... 18
3.2. PROCESOS DE FABRICACIÓN DE CHAPA METÁLICA ... 19
3.2.1. Laminación plana ... 19
3.2.2. Embutición profunda ... 19
3.3. EQUIPOS UTILIZADOS EN LA FABRICACIÓN DE CHAPA METÁLICA ... 19
3.3.1 Troquelado. ... 19
3.3.2. Tipos de troqueles ... 20
3.3.3. Prensa ... 20
3.4. ALIMENTADORES DE CHAPA PARA PRENSA ... 21
3.5. DISEÑO MECÁNICO ... 23
3.5.1. Fases del diseño mecánico ... 23
3.5.2. Elementos comunes en el diseño mecánico ... 24
3.6. AUTOMATIZACIÓN ... 24
3.7. PRINCIPIOS DE NEUMÁTICA ... 25
3.7.1. Actuadores neumáticos: Cilindros ... 26
3.7.2. Válvulas neumáticas ... 26
3.8. TÉCNICAS DE CREATIVIDAD ... 27
3.8.2. Lista de atributos ... 27
3.8.3. Seis sombreros para pensar ... 28
3.9. DESPLIEGUE DE LA FUNCIÓN DE CALIDAD “QFD” ... 28
3.10. DISEÑO CONCEPTUAL ... 28
3.10.1. Análisis funcional ... 28
4. ESTUDIO PRELIMINAR ... 30
4.1. DISTRIBUCIÓN DE PLANTA (PRIMER NIVEL) ... 30
4.2. EL RIEL CHANEL ... 30
4.3. PROCESO DE FABRICACIÓN ... 31
4.3.1. Equipos requeridos para el proceso... 31
4.3.2. Descripción del proceso de fabricación ... 34
4.3.3. Especificaciones de la troqueladora ... 36
4.3.4. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL PROCESO ACTUAL DE TROQUELADO ... 37
4.3.5. Riesgos laborales de un operario al troquelar ... 38
4.3.6. Disponibilidad operativa ... 38
4.4. ESTUDIO DE LA DEMANDA ACTUAL Y PROYECCIÓN A CORTO PLAZO. 39 4.4.1. Demanda actual del producto en estudio. ... 39
5. DATOS DEL PROCESO ACTUAL ... 40
5.1. TIEMPO DE REGLAJE DE LA PRENSA PARA TROQUELADO DE RIEL CHANEL ... 40
5.2. TIEMPO DE TROQUELADO PARA RIEL CHANEL ... 40
5.3. PROMEDIO DE ERROR HUMANO EN EL PROCESO DE FABRICACIÓN DE RIEL CHANEL ... 42
5.4. COSTOS OPERATIVOS Y UTILIDAD POR UNIDAD DE RIEL CHANEL 42 5.5. CONSIDERACIONES A PARTIR DE LOS DATOS DE PROCESO ACTUALES ... 43
5.6. ASPECTOS A PRIORIZAR EN EL DISEÑO ... 43
6. EJECUCIÓN DE METODOLOGÍAS DE DISEÑO... 45
6.1. DESPLIEGUE DE LA FUNCIÓN DE CALIDAD (QFD) ... 45
6.1.1. Tormenta de ideas para definición de los “Qué” ... 45
6.1.3. Asignación de coeficientes de peso a los “Qué” ... 47
6.1.4. Análisis de competencia ... 47
6.1.5. Establecimiento de los “cómo” y su correlación... 47
6.1.6. Evaluación de los “Cómo” en base al estudio de la competencia ... 47
6.1.7. Puntuación final y conclusiones ... 48
6.2. ANÁLISIS FUNCIONAL ... 48
6.2.1. Modelo de la caja negra ... 48
6.2.2. Análisis funcional... 49
6.2.3. Caja gris ... 49
6.2.4. Check list ... 50
6.2.5. Seis sombreros para pensar ... 50
6.3. JERARQUIZACIÓN POR SUBSISTEMAS ... 51
6.4. INTEGRACIÓN DE CONCEPTOS ... 51
6.5. SÍNTESIS DE LAS METODOLOGÍAS DE DISEÑO APLICADAS ... 52
6.6. PLANTEAMIENTO DE POSIBLES SOLUCIONES PARA EL DISEÑO DEL SISTEMA DE ALIMENTACIPIN DE CHAPA METÁLICA ... 52
6.6.1. Propuesta 1: Mecanismo simple de 4 barras ... 52
6.6.2. Propuesta 2: Sistema de actuadores neumáticos ... 53
6.6.3. Propuesta 3: Sistema de brazos rotativos y bandas transportadoras ... 53
6.7. MATRIZ DE EVALUACIÓN DE PROPUESTAS ... 53
7. DISEÑO DETALLADO... 55
7.2. COMPROBACIÓN DE LA FUERZA DE TROQUELADO ... 56
7.3. ESPECIFICACIÓN DEL CICLO DE OPERACIÓN DEL SISTEMA ... 56
7.4. DEFINICIÓN DE LAS LIMITANTES DE ESPACIO ... 57
7.5. SELECCIÓN DE CILINDROS NEUMÁTICOS ... 59
7.5.1. Selección de cilindro neumático para accionamiento del pedal ... 59
7.5.2. Selección de cilindro neumático pisador ... 60
7.5.3. Selección de cilindro neumático para sistema de avance... 61
7.5.4. Estimación de la velocidad de los cilindros ... 61
7.6. DISEÑO DEL SISTEMA DE CABLEADO LÓGICO ... 62
7.7. DISEÑO DEL SOPORTE PARA EL CILINDRO DE ACCIONAMIENTO DEL PEDAL ... 62
7.9. DISEÑO DEL SISTEMA PISADOR ... 68
7.9.1. Sistema pisador principal ... 68
7.9.2. Sistema pisador auxiliar ... 70
7.10. PLACA SOPORTE Y ANCLAJE A MÁQUINA ... 72
8. DATOS DEL PROCESO CON LA IMPLEMENTACIÓN DEL ALIMENTADOR DE CHAPA METÁLICA ... 77
8.1. TIEMPO DE TROQUELADO DE RIEL CHANEL CON EL ALIMENTADOR ... 77
8.1.1 Tiempo muerto por lote de producción ... 77
8.1.2. Error humano en el proceso de troquelado riel chanel ... 77
8.2. TIEMPO PROMEDIO DE PRODUCCIÓN ... 77
8.3. COSTOS OPERATIVOS Y UTILIDAD DE RIEL CHANEL CON EL ALIMENTADOR DE CHAPA METÁLICA ... 78
8.4. INVERSIÓN EN EL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE CHAPA METÁLICA ... 78
8.4.1. Estimación de costos de fabricación ... 79
8.5. ANÁLISIS COMPARATIVO DE COSTO DE PRODUCCIÓN Y UTILIDAD MENSUAL: PROCESO ACTUAL VS PROCESO MEJORADO ... 80
9. CONCLUSIONES ... 82
10. RECOMENDACIONES ... 84
BIBLIOGRAFÍA ... 85
LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1 Ubicación de la empresa PH&ES ... 16
Ilustración 2 Organigrama general de la empresa PH&ES. ... 17
Ilustración 3 Chapa Metálica ... 18
Ilustración 4 Troquel Simple ... 20
Ilustración 5 Troquel Progresivo ... 20
Ilustración 6 Esquema Prensa Mecánica ... 21
Ilustración 7 Alimentador de Pinzas ... 21
Ilustración 8 Alimentador de Rodillos ... 22
Ilustración 9 Sistemas de Potencia Mecánica ... 22
Ilustración 10 Operación Automática por Leva Lineal ... 23
Ilustración 11 Fases de diseño mecánico ... 23
Ilustración 12 Diseño conceptual ... 28
Ilustración 13 Modelo de caja negra ... 29
Ilustración 14 Distribución del primer nivel de la planta de producción de la empresa PH&ES (medidas en metros) ... 30
Ilustración 15 Modelo en tres dimensiones de un tramo de riel chanel. ... 31
Ilustración 16 Cortadora manual de lámina metálica. ... 32
Ilustración 17 Cortadora eléctrica de lámina metálica ... 32
Ilustración 18 Troqueladora de 30 Ton ... 33
Ilustración 19 Troquel para ranura de riel chanel ... 33
Ilustración 20 Dobladora manual de lámina metálica ... 34
Ilustración 21 Dobladora eléctrica de lámina metálica ... 34
Ilustración 22 Diagrama de flujo del proceso de fabricación de riel chanel ... 35
Ilustración 23 Modelo de la caja negra para el proceso de diseño del alimentador de chapa metálica. ... 49
Ilustración 24 Modelo de caja gris para el proceso de diseño del alimentador de chapa metálica. ... 49
Ilustración 25 Tablas de conceptos para combinación. ... 51
Ilustración 26 Mecanismo simple de cuatro barras ... 52
Ilustración 27 Sistema de actuadores neumáticos ... 53
Ilustración 28 Sistema de brazos rotativos y bandas transportadoras ... 53
Ilustración 29 Sistema de alimentación de chapa metálica ... 55
Ilustración 30 Secuencia de trabajo del sistema de cilindros neumáticos ... 57
Ilustración 31 Dimensiones generales del troquel para ranura ... 57
Ilustración 32 Modelo de la troqueladora. Se muestra la zona de trabajo ... 58
Ilustración 33 Dimensiones de la mesa de trabajo en la troqueladora ... 58
Ilustración 34 Ubicación de riel chanel con respecto al troquel ... 59
Ilustración 36 Modelado del soporte para fijación de cilindro neumático para
accionamiento del pedal ... 62
Ilustración 37 Condiciones de giro del cilindro neumático del pedal ... 63
Ilustración 38 Posición inicial y final del cilindro neumático de accionamiento del pedal. ... 63
Ilustración 39 Soportes para adaptación del cilindro neumático al pedal y anclaje a piso ... 64
Ilustración 40 Sistema de avance de chapa metálica ... 65
Ilustración 41 Alineación del centro del cilindro con el centro del punzón de troquelado ... 65
Ilustración 42 Determinación de altura de instalación del cilindro de avance ... 66
Ilustración 43 Doblez de acceso de lámina metálica a 15° ... 66
Ilustración 44 Sistema de alineación ... 67
Ilustración 45 Adaptación de bujes de bronce ... 67
Ilustración 46 Descripción del sistema de alineación de tira metálica ... 68
Ilustración 47 Sistema pisador principal ... 68
Ilustración 48 Ubicación del cilindro pisador ... 69
Ilustración 49 Descripción del sistema de prensado ... 70
Ilustración 50 Sistema pisador de lámina auxiliar ... 71
Ilustración 51 Placa soporte y bridas de sujeción ... 73
Ilustración 52 Cavidad para instalación de tornillo de cabeza cilíndrica ... 73
Ilustración 53 Descripción del bastidor y sistema de anclaje ... 74
Ilustración 54 Esfuerzos de Von Misses en brida de sujeción central ... 74
Ilustración 55 Factor de seguridad de la brida de sujeción central ... 75
Ilustración 56 Esfuerzo de Von Misses en bridas de sujeción lateral ... 75
Ilustración 57 Factor de seguridad de las bridas de sujeción lateral ... 76
Ilustración 58 Sistema de alimentación de riel chanel ... 76
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Características del riel chanel ... 31
Tabla 2 Dimensiones de corte para fabricación de riel chanel según el calibre. ... 35
Tabla 3 Comparación de tiempo de corte de chapa metálica de acuerdo al equipo utilizado y el calibre de lámina. ... 35
Tabla 4 Resumen de tiempo de fabricación de riel chanel... 36
Tabla 5 Especificaciones técnicas de la troqueladora. ... 37
Tabla 6 Evaluación del estado de la troqueladora. ... 37
Tabla 7 Ventajas y desventajas del proceso actual de troquelado en la empresa PH&ES. ... 38
Tabla 8 Promedio del tiempo de reglaje de la troqueladora para producción de riel chanel en la empresa PH&ES ... 40
Tabla 9 Promedio de tiempo utilizado por los operarios en el troquelado de riel chanel ... 41
Tabla 10 Promedio de tiempo muerto por lote de producción de riel chanel. ... 41
Tabla 11 Promedio de unidades de riel chanel dañadas por lote de producción... 42
Tabla 12 Costo de operación y utilidad para suplir la demanda actual de riel chanel en la empresa PH&ES ... 43
Tabla 13 Check list para generación de ideas ... 50
Tabla 14 Escala de ponderación de propuestas ... 54
Tabla 15 Evaluación de propuestas ... 54
Tabla 16 Estimación del tiempo total del ciclo de operación del sistema alimentador .. 61
Tabla 17 Tabla de características del resorte seleccionado ... 72
Tabla 18 Tiempo de troquelado con alimentador de chapa metálica ... 77
Tabla 19 Tiempo de producción de riel chanel con alimentador de chapa metálica ... 78
Tabla 20 Costos de producción y utilidad mensual con el sistema de alimentación de chapa metálica ... 78
Tabla 21 Costo total de materiales del alimentador de chapa metálica ... 80
Tabla 22 Costo total del proyecto ... 80
LISTA DE ANEXOS
Anexo 1. Tiempos utilizados por operario y día en el troquelado de riel chanel. Anexo 2. Costos operativos y utilidad aproximada para la fabricación y venta de riel chanel en la empresa PH&ES.
Anexo 3. Despliegue de la función de calidad QFD.
Anexo 4. Descomposición funcional del alimentador de chapa metálica. Anexo 5. Seis sombreros para pensar.
Anexo 6. Jerarquización por subsistemas del alimentador de chapa metálica. Anexo 7, Resultados más sobresalientes del método de combinación de conceptos. Anexo 8. Afinidad de los conceptos seleccionados con respecto a los requisitos de PH&ES.
Anexo 9. Nomogramas: Selección de cilindros neumáticos, selección de cilindro neumático de accionamiento de pedal, estimación de carrera máxima por pandeo de cilindro neumático de accionamiento de pedal, selección de cilindro pisador de chapa metálica, selección de cilindro de avance de chapa metálica.
Anexo 10. Dimensiones y especificaciones de actuadores neumáticos y sus accesorios. Anexo 11. Esquema neumático de funcionamiento del sistema de alimentación de chapa metálica.
Anexo 12. Diagrama de lógica cableada del sistema de alimentación de chapa metálica. Anexo 13. Planimetría.
Anexo 14. Especificaciones de materiales.
Anexo 15. Parámetros de diseño de resorte del sistema pisador auxiliar, parámetros de diseño del resorte pisador del sistema pisador auxiliar, factores numéricos para cálculo de índice del resorte, constantes para cálculo de índice del resorte, tabla de diseño de resortes helicoidales.
Anexo 16. Costos operativos para la fabricación de riel chanel con la implementación del sistema de alimentación de chapa metálica.
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GLOSARIO
Actuador: Dispositivo inherentemente mecánico cuya función es proporcionar fuerza para mover o “actuar” otro dispositivo mecánico. La fuerza que provoca el actuador puede provenir de tres fuentes: La presión neumática, la presión hidráulica, y la fuerza motriz eléctrica.
Chapa metálica: Lámina delgada de metal que se utiliza para las construcciones mecánicas, en este caso, la fabricación del riel chanel.
Costos operativos: Son los gastos que surgen de la operación de un negocio. Para el presente proyecto, los costos operativos son todos aquellos rubros en que incurre la empresa PH&ES para producir el riel chanel únicamente.
Diseño detallado: Fase del diseño en la que se elabora toda la información gráfica que conduce a la fabricación. En este diseño se presentan todas las especificaciones, criterios y forma de operación, así como las pruebas que deben ser controladas, requerimientos y tratamientos del material para un completo y funcional ensamble del proyecto.
Metodologías de diseño: Sistemas de acciones o formas de proceder que permiten identificar y valorar los requisitos del cliente, conocer el producto y sistema productivo, y estimar lo costos de las propuestas que se ajusten a las necesidades de cada proyecto. Modularidad: Capacidad que tiene un sistema de ser estudiado, visto o entendido, como la unión de varias partes que interactúan entre sí y que trabajan solidariamente para alcanzar un objetivo común, realizando cada una de ellas una tarea necesaria para la consecución de dicho objetivo.
PLC: Dispositivo electrónico que puede ser programado por el usuario y se utiliza en la industria para resolver problemas de secuencias en la maquinaria o procesos, ahorrando costos en mantenimiento y aumentando la confiabilidad de los equipos.
Riel chanel: Riel utilizado para la instalación de bandejas y componentes, en repisas metálicas, destinadas para uso eléctrico.
Sistema de alimentación: Dispositivo que permite el suministro de materia prima a una máquina.
Troquelar: Imprimir y sellar en una pieza de metal por medio de un troquel.
Troquel: Pieza metálica con filo cortante que se utiliza para hacer figuras recortadas
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RESUMEN
El presente documento muestra el procedimiento de diseño de un alimentador de chapa metálica como una opción a la optimización de tiempos de producción de riel chanel en la empresa Gabinetes y racks PH&ES. Se aplican lineamientos de ingeniería de diseño, estudio básico de tiempos, principios de estática, resistencia de materiales, dinámica de cuerpos y los conocimientos adquiridos durante el desempeño profesional; enfocados en desarrollo de equipos para el sector colombiano, procesos de manufactura, selección de elementos normalizados, evaluación de presupuesto, entre otros.
El objetivo del proyecto es disminuir el tiempo de producción de riel chanel, enfocándose en el proceso de troquelado, manteniendo los estándares de calidad que caracterizan los productos fabricados por la empresa PH&ES y reduciendo el riesgo de accidente.
Los alimentadores de chapa metálica facilitan la operación de múltiples operaciones de la industria, en este caso, el troquelado de los rieles chanel. A partir de las necesidades identificadas para el proceso con el personal vinculado a la empresa, se diseña un sistema mediante la evaluación de distintas soluciones, teniendo en cuenta las condiciones presupuestales, facilidad de montaje (modularidad) y operativa, aumento de la eficiencia del proceso, independientemente de la experiencia del operario, reducción de tiempos muertos y protección del usuario.
Después se presenta la información recopilada para la evaluación del proyecto y se explica la forma en la cual se usó para la toma de decisiones.
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INTRODUCCIÓN
El auge de la industria metalmecánica colombiana está aumentando, por tal motivo, las empresas deben ser competitivas y sobresalir frente a las demás si desean permanecer activas en el mercado actual, los bajos niveles de producción, elevados costos operativos y las innumerables deficiencias de calidad, son los factores que más afectan a las empresas. La automatización de procedimientos es una alternativa para solucionar o amortiguar estos problemas, permitiendo minimizar tiempos y reducir costos a partir de una inversión e incluso mejorar la calidad de los productos.
Hoy en día existen muchas formas de alimentación de chapa metálica que se aplican de forma eficiente a las necesidades específicas de cada empresa, definidas para aplicaciones múltiples y grandes rangos de operación en cuanto a espesor de lámina, ancho admisible y paso, sin embargo, las PYMES siguen llevando a cabo este proceso de forma manual. PH&ES desea automatizar su línea de producción con un equipo que les permita reducir los tiempos de troquelado de chapa metálica en un 40%, sin sacrificar la calidad del producto o hacer una mala inversión económica.
Por tanto, este proyecto nace de la búsqueda de mejora continua en la empresa PH&ES para optimizar sus procesos, ser más eficientes en la entrega de productos a sus clientes y la identificación del riesgo en el cuál se encuentran los colaboradores de la misma al llevar a cabo el procedimiento de troquelado de chapa metálica. Todas las decisiones de diseño se fundamentan en los estudios de ingeniería realizados y la experiencia de los operarios y directivos, teniendo como premisa la viabilidad del proyecto frente a las condiciones físicas, espaciales y económicas definidas por PH&ES. La solución al problema planteado es una tarea compleja ya que involucra investigación, estudio de las condiciones específicas de la empresa y competencias en diseño y desarrollo de sistemas mecánicos automatizados.
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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
GABINETES Y RACKS PH&ES es una empresa colombiana ubicada en el mercado desde el 3 de julio de 2015, se dedica a la fabricación de estructuras metálicas aplicadas en instalaciones eléctricas (a partir de ahora EMAIE), como los son gabinetes, racks, canaletas para cableado tipo escalera, bandejas porta cable y demás. Sus instalaciones se encuentran en la ciudad de Bogotá, específicamente en la Carrera 13ª N° 19-40. El principal objetivo de la empresa es satisfacer la demanda de las estructuras en el sector de instalaciones eléctricas y de redes del país, inicialmente abarcando el mercado local de la ciudad de Bogotá.
En el campo de las EMAIE, el riel chanel se utiliza como soporte de bandejas y componentes en las repisas metálicas, esto con el fin de facilitar el ensamble de partes y disminuir el uso de uniones soldadas. Es una pieza metálica en forma de canal, con una matriz de ranuras iguales y equidistantes que normalmente se hacen bajo el proceso de troquelado de chapa metálica. La empresa en cuestión lleva a cabo este proceso de forma manual y dispone de una persona que se encarga de llevar a cabo la operación de troquelado de las ranuras en una tira de material que después de otros procesos de manufactura se transforma en el canal metálico. Basados en la demanda de este componente en el comercio local y en el uso para la producción de EMAIE, la entidad desea reducir los tiempos en un 40% de este proceso y minimizar el peligro de accidentes por atrapamiento mecánico por la interacción continua del operador con la prensa, así como el riesgo a largo plazo de esta labor repetitiva.
El problema se puede describir como la reducción en el tiempo de producción de un componente estructural de alta demanda en el proceso productivo de la empresa, este tiempo oscila entre cinco a seis minutos y dependen de la experiencia o agilidad en la manipulación directa del operario, una persona nueva en el proceso puede tardar hasta ocho minutos, con esta medición de tiempos se determinó que una persona capacitada podría llegar a troquelar doce tramos de riel chanel en una hora, mientras que un aprendiz procesaría siete en el mismo periodo de tiempo.
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1.1. OBJETIVOS
1.1.1. Objetivo general
● Diseñar un alimentador de chapa metálica que se adapte a la prensa de troquelado existente en la empresa GABINETES Y RACKS PH&ES, con el fin de reducir los tiempos de troquelado de riel chanel en un 40%.
1.1.2. Objetivos específicos
● Hacer una evaluación preliminar del proceso de fabricación de riel chanel, enfocado a la etapa de troquelado.
● Establecer tiempos promedio de reglaje de la troqueladora, fabricación de riel chanel y tiempos muertos involucrados en el proceso.
● Evaluar los costos operativos de fabricación de riel chanel actuales y compararlos con los resultados de la propuesta seleccionada.
● Plantear posibles soluciones al problema de tiempos de producción de riel chanel en la empresa GABINETES Y RACKS PH&ES, y seleccionar la más favorable de acuerdo a las necesidades de la entidad.
● Implementar metodologías de diseño que permitan diseñar el alimentador de acuerdo a las necesidades identificadas.
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2. GENERALIDADES DE LA EMPRESA
GABINETES Y RACKS PH&ES es una empresa colombiana del sector industrial ubicada en el mercado desde el 3 de julio de 2015. Se dedica a la fabricación de estructuras metálicas utilizadas en instalaciones eléctricas (gabinetes, racks, canaletas para cableado tipo escalera, bandejas porta cable y demás).
Sus instalaciones se encuentran en la ciudad de Bogotá, en la Carrera 13ª N 19-40. Ilustración 1 Ubicación de la empresa PH&ES
Fuente: Google maps. 2.1. Misión
Satisfacer la demanda de estructuras utilizadas para instalaciones eléctricas, a través de la fabricación y comercialización de sus productos, garantizando el bienestar de los miembros de la organización y mejorando la rentabilidad.
2.2. Visión
Para el año 2020, estar dentro de las empresas líderes del mercado nacional en el sector de estructuras metálicas utilizadas en instalaciones eléctricas, contando con un gran portafolio de productos certificados y estandarizados, con personal calificado y conciencia de excelente servicio al cliente.
2.3. Organigrama
17
Ilustración 2 Organigrama general de la empresa PH&ES.
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3. MARCO TEÓRICO
3.1. CHAPA METÁLICA
La chapa metálica se puede describir como un metal más delgado que la placa de metal, pero más grueso que la hoja o lámina.
En el conformado de chapa metálica, la forma final de una pieza se hace a partir de una chapa metálica plana. La forma deseada se consigue a través de la deformación plástica, sin sufrir ningún mecanizado como el fresado. En muchos casos, una cierta cantidad de deformación elástica deriva en springback que sucede cuando el conformado está completo.1
Ilustración 3 Chapa Metálica
Fuente: chapa metálica. 2017. Disponible en
http://www.panelsandwichmurcia.com/index.php/productos/chapa-metalica.
Según la DIN 8582, el proceso se divide según la tensión que suele aparecer en la hoja: ➢ Conformado bajo condiciones de compresión.
➢ Conformado bajo la combinación de condiciones de resistencia y compresión. ➢ Conformado bajo condiciones de resistencia.
➢ Conformado bajo condiciones de doblado. ➢ Conformado bajo condiciones de cizallamiento.
➢ El conformado de la hoja puede realizarse usando herramientas mecánicas, con aire o líquidos, magnéticamente o con explosivos. Procesos especiales de conformado de chapa metálica incluyen conformado súper plástico y press hardening, así como el conformado en caliente de aluminio y magnesio.
1 AUTOFORM ENGINEERING GMBH. Conformado de chapa metálica. {En línea}. {17 febrero de 2017}.
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3.2.PROCESOS DE FABRICACIÓN DE CHAPA METÁLICA
Ésta puede ser moldeada y formada dependiendo del uso que se le vaya dar, y normalmente está fabricada mediante los procesos de embutición profunda o laminación plana2.
3.2.1. Laminación plana
En este proceso el metal se alimenta mediante un rodillo que reduce el espesor del metal, permitiendo hacer grandes piezas de chapa metálica y producir gran variedad de espesores. Dependiendo del espesor que se requiera, éste debe alimentarse mediante muchos rodillos para hacerlo suficientemente plano. En la mayoría de los casos, los rodillos se accionan mecánicamente y deben ejercer fuerzas muy grandes que produzcan láminas metálicas uniformes.
3.2.2. Embutición profunda
Es uno de los métodos más comunes de fabricación de láminas de metal, y consiste en hacer presión en el metal hasta que su espesor se reduce lo suficiente. Mediante el uso de un punzón que ejerce una cantidad calculada de energía en el metal.
Cada punzón, generalmente, sólo comprime un cierto tamaño de metal, por lo que se utilizan varios tamaños de prensa para la fabricación de diferentes tamaños de chapas metálicas. Los punzones pueden ser de accionamiento hidráulico o conducidos por otros medios mecánicos. Sin embargo, para cambiar el grosor de la chapa metálica que se está fabricando, el punzón debe tener presiones ajustables. Este proceso reduce el espesor del metal mientras aumenta sus otras dos dimensiones, lo que crea una hoja de metal sin pérdida de material.
3.3. EQUIPOS UTILIZADOS EN LA FABRICACIÓN DE CHAPA METÁLICA
3.3.1 Troquelado.
Operación mecánica que se realiza en frío, mediante unas herramientas de corte llamados punzones y el conjunto de una prensa en el cual se posiciona un troquel o matriz, existen diferentes tipos de deformación plástica en este proceso, como perforaciones, doblado (deformaciones permanentes), embutido, estampado, corte entre otros, en este proceso no se modifica la masa ni la composición química de las piezas, las ventajas de este proceso son grandes capacidades de producción, al ser un proceso en serie tiene bajo costo de fabricación y se consigue la misma calidad en todas las piezas.
2CANTELI, J.A, CANTERO, J.L, MIGUÉLEZ, M.H. Diseño Orientado a la fabricación. Universidad Carlos III
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3.3.2. Tipos de troqueles
Se consideran dos tipos de troqueles, los troqueles simples y los troqueles progresivos, los primeros realizan una operación en la misma hoja con un solo recorrido, se encuentra limitado a formas relativamente simples, son procesos relativamente lentos y presenta costos elevados de la matriz cuando son complejas. En la ilustración 4 se puede observar un troquel simple y sus partes más representativas que componen el conjunto para realizar un agujero en la cinta o tira de material.
Ilustración 4 Troquel Simple
Fuente: GROOVER, Mikell. Fundamentos de Manufactura Moderna. 3ed. México. McGraw Hill, 2007, 1038p.
Los troqueles progresivos tienen el mismo principio de los troqueles simples, pero estos realizan dos o más operaciones en la lámina con cada golpe de la prensa y están compuestos por varias estaciones realiza diferentes operaciones con el requerido avance. En la ilustración 5 se realiza punzonado, muescado, doblado y perforado, cuando la chapa llega a la última posición se encuentra separada y completa de la lámina.
Ilustración 5 Troquel Progresivo
Fuente: GROOVER, Mikell P. Fundamentos de Manufactura Moderna. 3ed. México. McGraw Hill, 2007, 1038p.
3.3.3. Prensa
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la sección estacionaria que lleva el nombre de placa transversal, estas máquinas son accionadas mediante fuerza mecánica o hidráulica, se diferencian por la capacidad que es la disposición para manejar la fuerza y la energía para realizar el trabajo de troquelado determinando su tamaño físico y la velocidad de producción, el sistema de potencia es la clase de fuerza que usa y la forma en la que es trasmitida a la parte móvil de la máquina y la forma del armazón se refiere a la construcción física de la prensa, las formas más comerciales son de escote o en “C” y de lados rectos, en la ilustración 6 se pueden observar los componentes de una prensa troqueladora típica accionada por una transmisión mecánica.
Ilustración 6 Esquema Prensa Mecánica
Fuente: GROOVER, Mikell P. Fundamentos de Manufactura Moderna. 3ed. México. McGraw Hill, 2007, 1038p.
3.4. ALIMENTADORES DE CHAPA PARA PRENSA
En el mercado actual existen diferentes tipos de mecanismos para alimentar la tira de lámina en el troquel y le da el avance requerido para el proceso, el objetivo es poner en marcha una estrategia de fabricación para producir más y mejor, como primer ejemplo están los alimentadores de última generación dotados de un servomotor y un control numérico computarizado que realiza una elevada precisión de avance de la lámina, se usan en prensas automáticas y están diseñados para materiales blandos, hay de os tipos de arrastre, el de alimentación por pinzas y el de banda de rodillo, son graduables automáticamente a cualquier espesor de chapa y se pueden combinar con cualquier tipo de prensa. En la ilustración 7 se puede observar un alimentador de pinzas, cortesía de BRUDERER y en la ilustración 8 un alimentador de banda de rodillos, según su fabricante son equipos modulares y de fácil mantenimiento.
Ilustración 7 Alimentador de Pinzas
Fuente: BRUDERER AG. Alimentadores de banda. 2017. Disponible en:
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Ilustración 8 Alimentador de Rodillos
Fuente: ALIMENTADORES DE BANDA. 2017 Disponible en:
http://www.bruderer.com/uploads/tx_webruderer/Alimentadores_de_banda.pdf
Los modelos anteriores son los más sofisticados, en el mercado también se encuentran otros tipos de modelos que ofrecen más versatilidad, porque la chapa puede ser alimentada en diferentes ángulos y direcciones, se ajusta a diferentes espesores de chapa así como el ancho de la tira de material, con capacidad de dos tiras simultáneamente, según su fabricante pueden llegar a ser un 90% más económico esto lo hace una mejor opción, es un equipo de fácil instalación, adaptable a cualquier prensa, de tamaño muy compacto, además presenta mordazas modificables para adaptar cualquier tipo de perfil sin importar el material, este equipo basa su automatización en válvulas de control que se sincronizan con el sistema de potencia de la prensa. Para las prensas mecánicas se usan varios tipos de mecanismos de transmisión, pueden ser excéntrico, con eje cigüeñal y de junta de bisagra, transformando el movimiento rotatorio del motor de la máquina en un movimiento lineal, gracias al volante almacenan la energía del motor que es utilizada para el proceso de troquelado. En la ilustración 9 se presenta de izquierda a derecha los tipos de mecanismos, desde estos elementos se realiza la sincronización de alimentación al ciclo de prensa gracias a una válvula vertical, este montaje se presenta en ilustración 10, gracias a esto se inicia la secuencia de alimentación automática respecto al movimiento del cabezal móvil.
Ilustración 9 Sistemas de Potencia Mecánica
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Ilustración 10 Operación Automática por Leva Lineal
Fuente: BRUDERER AG. Alimentadores de banda. 2017. Disponible en: <http://www.bruderer.com/uploads/tx_webruderer/Alimentadores_de_banda.pdf >
3.5. DISEÑO MECÁNICO
El diseño en ingeniería mecánica se dedica en gran medida al cálculo de transmisiones y elementos mecánicos. Aun cuando esta parte es de vital importancia, no deja de ser un paso dentro del proceso total de diseño. La integración del proceso mediante un método general permite al estudiante tener una visión más exacta del diseño, integrar los conocimientos adquiridos y aplicar un método. Al diseñador le ofrece la oportunidad de salirse de la forma empírica, muchas veces utilizada, al emprender un problema de diseño, y seguir un procedimiento más confiable3.
3.5.1. Fases del diseño mecánico
GARCÍA presenta un modelo básico y funcional de las fases de diseño mecánico. Ilustración 11 Fases de diseño mecánico
Fuente: GARCÍA, Guillermo. 2017. Un proceso general de diseño en Ingeniería Mecánica. Disponible en https://dialnet.unirioja.es/descarga/articulo/4902645.pdf
3 GARCÍA, Guillermo. Un proceso general de diseño en Ingeniería Mecánica. Revista Ingeniería e
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3.5.2. Elementos comunes en el diseño mecánico
En el diseño mecánico existen elementos comunes que se clasifican en mecánicos, hidráulicos, neumáticos y eléctricos.
Para el presente proyecto se da una mayor relevancia a los sistemas mecánicos y neumáticos, puesto que son los que se aplican al diseño del sistema de alimentación de chapa metálica.
3.5.2.1. Sistemas mecánicos4
Estos elementos son todas aquellas piezas que constituyen los elementos de las máquinas.
Los elementos constitutivos forman la estructura y la forma de la máquina, como por ejemplo la bancada, el bastidor, los soportes y los carros móviles.
Los elementos de unión son aquellos que unen los diferentes elementos que conforman la máquina. Hay dos tipos de elementos, de unión fija como los remaches y la soldadura, y de unión removible como tornillos, pasadores, grapas y presillas.
Los elementos de trasmisión, como su nombre indica, trasmiten el movimiento y lo regulan o modifican según sea el caso. Entre éstos se tienen los árboles de trasmisión, engranajes, husillos, cadenas y correas y balancines.
Y finalmente, se tienen los elementos de pivotar y rodadura que permiten el giro, deslizamiento o el pivotaje de los elementos móviles de la maquina sin mayor desgaste o producción de calor, como cojinetes, rodamientos, resbaladeras y quicionera.
3.5.2.2. Elementos neumáticos
Los elementos neumáticos de una máquina funcionan, hacen funcionar o están regulados por aire comprimido. Se cuenta para esto con válvulas, cilindros neumáticos y turbinas neumáticas. En la sección 3.7 se amplía la información de los elementos inherentes al proyecto.
3.6. AUTOMATIZACIÓN
La automatización se refiere al uso de sistemas donde se transfieren tareas de producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos que tiene como propósito el conferir un valor agregado a las materias de obra con las que operan.5
4 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SUR. Elementos de máquinas. {En línea}. {19 marzo 2017}. Disponible en
http://biblioteca.uns.edu.pe/saladocentes/archivoz/curzoz/clasificacin_de_elementos_de_una_maquin a.doc.
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Existen ciertos requisitos de suma importancia que debe cumplirse al automatizar, de no cumplirse con estos se estaría afectando las ventajas de la automatización, y por tanto no se podría obtener todos los beneficios que esta brinda, estos requisitos son los siguientes:
➢ Compatibilidad electromagnética: Debe existir la capacidad para operar en un ambiente con ruido electromagnético producido por motores y máquina de revolución. Para solucionar este problema generalmente se hace uso de pozos a tierra para los instrumentos.
➢ Expansibilidad y escalabilidad: Es una característica del sistema que le permite crecer para atender las ampliaciones futuras de la planta, o para atender las operaciones no tomadas en cuenta al inicio de la automatización.
➢ Manutención: Se refiere a tener disponible por parte del proveedor, un grupo de personal técnico capacitado dentro del país, que brinde el soporte técnico adecuado cuando se necesite de manera rápida y confiable.
➢ Sistema abierto: Los sistemas deben cumplir los estándares y especificaciones internacionales. Esto garantiza la interconectividad y compatibilidad de los equipos a través de interfaces y protocolos, también facilita la interoperabilidad de las aplicaciones y el traslado de un lugar a otro.
Los componentes de un sistema automatizado se clasifican en: Elementos de control, máquinas, pre actuadores, actuadores, sensores, interfaz hombre – mando.
Así mismo tienen dos componentes fundamentales: La parte de mando que es la estación central de control o autómata, por tanto, es el elemento principal del sistema, encargado de la supervisión, manejo, corrección de errores, comunicación, etc.; y la parte operativa que es la parte que actúa directamente sobre la máquina, por tanto, son los elementos que hacen que la máquina se mueva y realice las acciones, como por ejemplo, los sensores y los actuadores en motores, cilindros, compresoras, bombas, relés, etc.
3.7. PRINCIPIOS DE NEUMÁTICA
Para operar el conjunto de recursos tecnológicos que origine una automatización, es necesaria la energía. Entre las varias formas energéticas esta la neumática, que constituye el primer paso para transformar la mecanización en automatización.6
Si bien la utilización de la técnica del aire comprimido como fuente energética es empleada, cada vez más, para la racionalización y automatización, ésta es relativamente cara y podría llegarse a suponer que los costos de producción, acumulación y distribución del aire involucran gastos elevados.
El aire comprimido puede utilizarse directamente, como elemento de trabajo; para accionamiento de motores, embragues, cilindros o herramientas; regulado por medio de válvulas y elementos accesorios, para impulsar una gran variedad de movimientos mecánicos; en combinación con equipos oleo hidráulicos, para obtener con un coste
6 MICROAUTOMATIZACIÓN. Curso 021: introducción a la neumática. {En línea}. {11 febrero de 2017}.
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reducido ciclos de trabajo precisos en bajas velocidades; con la electricidad, para accionamientos a larga distancia y para los movimientos rotativos.
3.7.1. Actuadores neumáticos: Cilindros
Los cilindros son actuadores de acción lineal que transforman la energía del aire comprimido en trabajo mecánico.
3.7.1.1. Tipos de cilindros neumáticos
Los cilindros más utilizados son los cilindros de simple efecto y de doble efecto.
➢ Cilindro de simple efecto: Uno de sus movimientos está gobernado por el aire comprimido, mientras que el otro se da por una acción antagonista, generalmente un resorte colocado en el interior del cilindro. Realiza trabajo aprovechable, sólo en uno de los dos sentidos, y la fuerza obtenida es algo menor a la que da la expresión F = P x A, pues hay que descontar la fuerza de oposición que ejerce el resorte.
➢ Cilindro de doble efecto: En este modelo de cilindro, las carreras de avance y retroceso se consiguen por medio de la presión del aire comprimido en cualquier lado del émbolo, es decir, el aire comprimido ejerce su acción en las dos cámaras de cilindro.
3.7.2. Válvulas neumáticas
Se denomina válvula a una pieza que sirve para cerrar o abrir un orifico o conducto, o para interrumpir la comunicación entre dos órganos.
En neumática, la válvula es el elemento de mando que determina las características del circuito, debiendo poseer cualidades decisivas para actuar sobre los elementos o parámetros que intervienen en el proceso operativo del circuito neumático.
Las válvulas neumáticas son los dispositivos que dirigen y regulan el aire comprimido; gobiernan la salida y la entrada, el cierre o habilitación, la dirección, la presión y el caudal de aire comprimido. Pudiendo en general clasificarse como válvulas direccionales o auxiliares.7
Según sus propiedades y la función que realiza dentro del sistema, las válvulas neumáticas se clasifican en los siguientes grupos:
7MICROAUTOMATIZACIÓN. Curso 021: introducción a la neumática. {En línea}. {11 febrero de
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➢ Válvulas de control de dirección ➢ Válvulas de control de caudal ➢ Válvulas de control de presión
3.7.2.1. Criterios de selección de válvulas
Para llevar a cabo la elección de una válvula neumática, es conveniente recurrir a ciertos criterios de selección, que posibilitarán la siguiente clasificación:
➢ Número de Vías: De esta forma llamaremos al número de orificios controlados en la válvula, exceptuando los de pilotaje. Podemos así tener 2, 3, 4, 5 ó más vías (no es posible un número de vías inferior a 2).
➢ Posiciones: Es el número de posiciones estables del elemento de distribución. Pueden tenerse válvulas de 2, 3, 4 ó más posiciones (no es posible un número de posiciones inferior a 2).
➢ Caudal: Es el volumen de fluido que pasa por determinado elemento en la unidad de tiempo. Normalmente se calcula a partir del flujo, volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.
➢ Sistemas de accionamiento: Una característica importante de toda válvula es su clase de accionamiento o mando, debido a que de acuerdo con ello, dentro de la cadena de mando de un equipo neumático, se la empleará como elemento emisor de señal, órgano de control o de regulación.
3.8. TÉCNICAS DE CREATIVIDAD
3.8.1. Lluvia de ideas
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3.8.3. Seis sombreros para pensar
En ésta técnica existen seis sombreros imaginarios, cada uno de un color diferente. En cualquier momento un pensador puede escoger ponerse uno de los sombreros o se le puede pedir que se lo quite. Todas las personas de la reunión pueden usar un sombrero de un color concreto durante un tiempo en un momento determinado. Los sombreros involucran a los participantes en una especie de juego de rol mental.
3.9. DESPLIEGUE DE LA FUNCIÓN DE CALIDAD “QFD”
El despliegue de la función de calidad (o QFD, por sus siglas inglesas) es un método de diseño de productos y servicios que recoge las demandas y expectativas de los clientes y las traduce, en pasos sucesivos, a características técnicas y operativas satisfactorias. 3.10. DISEÑO CONCEPTUAL
El diseño conceptual emplea relativamente pocos recursos y tiempo del desarrollo del producto, sin embargo, define en gran medida la calidad y los costos finales del producto.
Ilustración 12 Diseño conceptual
Fuente: CRUZ, Wilmer. Diseño Conceptual: Generación y evaluación de conceptos. Clase III. Citado de Presentación Clase FDDO. PhD. ARZOLA, Nelson. 2017.
3.10.1. Análisis funcional
3.10.1.1. Modelo de caja negra
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Ilustración 13 Modelo de caja negra
Fuente: CRUZ, Wilmer. Diseño Conceptual: Generación y evaluación de conceptos. Clase III. Citado de Presentación Clase FDDO. Ph.D. ARZOLA, Nelson. 2017.
3.10.1.2. Modelo de caja gris
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4. ESTUDIO PRELIMINAR
4.1. DISTRIBUCIÓN DE PLANTA (PRIMER NIVEL)
A continuación, se muestra la distribución del primer nivel de la planta de producción. En esta zona se llevan a cabo los procesos de manufactura necesarios para producir el riel chanel. El segundo nivel no se muestra ya que allí se llevan a cabo los procesos de limpieza de materia prima, procesos de soldadura y pintura electrostática, los cuales no son relevantes para el objetivo planteado en el proyecto.
Ilustración 14 Distribución del primer nivel de la planta de producción de la empresa PH&ES (medidas en metros)
Fuente: Autores
4.2. EL RIEL CHANEL
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Ilustración 15 Modelo en tres dimensiones de un tramo de riel chanel.
Fuente: Autores.
Tabla 1 Características del riel chanel
MATERIAL ACERO GALVANIZADO CR
DIMENSIÓN DE LA
MATERIA PRIMA 1,22m X 2,44m
DIMENSIÓN DEL PRODUCTO (mm)
CANTIDAD DE RANURAS
DEL RIEL 42 RANURAS
MASA DEL RIEL
Fuente: Autores.
4.3. PROCESO DE FABRICACIÓN
4.3.1. Equipos requeridos para el proceso
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4.3.1.1. Cortadoras de lámina metálica
Estos equipos sirven para cortar la materia prima de acuerdo a las dimensiones de desarrollo del riel chanel.
Ilustración 16 Cortadora manual de lámina metálica.
Fuente: Autores.
Ilustración 17 Cortadora eléctrica de lámina metálica
Fuente: Autores.
4.3.1.2. Troqueladora y troquel de ranura riel chanel.
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Ilustración 18 Troqueladora de 30 Ton
Fuente: Autores.
Ilustración 19 Troquel para ranura de riel chanel
Fuente: Autores.
4.3.1.3. Dobladora de lámina metálica
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Ilustración 20 Dobladora manual de lámina metálica
Fuente: Autores.
Ilustración 21 Dobladora eléctrica de lámina metálica
Fuente: Autores.
4.3.2. Descripción del proceso de fabricación
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Ilustración 22 Diagrama de flujo del proceso de fabricación de riel chanel PROCESO DE FABRICACIÓN DE
4.3.2.1. Primera etapa: El corte
De acuerdo al espesor que se utilice, se deben cortar tiras de 2,44m con las siguientes dimensiones.
Tabla 2 Dimensiones de corte para fabricación de riel chanel según el calibre. Calibre Ancho de
corte (mm) obtenidas por lámina Cantidad de tiras Retal (mm)
14 86 14 16 tiempo se duplica, por tanto, el lapso temporal de corte de una lámina completa, y para cada espesor es el siguiente.
Tabla 3 Comparación de tiempo de corte de chapa metálica de acuerdo al equipo utilizado y el calibre de lámina.
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4.3.2.2. Segunda etapa: El troquelado
El proceso se lleva a cabo de forma manual. Se instala un tope sobre el cual el operario desplaza la tira metálica, y otro que define el paso de troquelado.
Al tener las tiras de material listas, el operario debe adaptar el troquel de ranura chanel en la prensa. Se emplean 6 minutos para el montaje y reglaje del troquel en la máquina. El tiempo total que gasta un operario experimentado para troquelar una tira de 2,44m de longitud, es de 5 minutos. Esto quiere decir que, para troquelar cada ranura, el tiempo necesario es de aproximadamente 7 segundos.
Una persona sin experiencia puede tardar hasta 10 minutos, es decir, 14 segundos por cada ranura.
4.3.2.3. Tercera etapa: El doblado
Para obtener un riel chanel se requieren 4 dobleces que se deben hacer entre dos personas debido a la longitud de la tira de material. Cada tira de material se marca con las líneas de doblez con ayuda de un rayador metálico. Esta operación requiere alrededor de 8 segundos. Para ejecutar cada doblez se requiere de 5 segundos, lo que arroja un total de 20 segundos para la etapa de doblado. Esta es la última fase de fabricación del riel Chanel.
A continuación, se presentan los tiempos de fabricación para una tira de riel chanel cuando el proceso es ejecutado por una persona con experiencia en el equipo eléctrico, no se tiene en cuenta el tiempo de montaje y reglaje del troquel en la troqueladora ni el tiempo muerto del proceso (alistamiento de materia prima, movilización entre máquinas, etc.).
Tabla 4 Resumen de tiempo de fabricación de riel chanel. Tiempo de troquelado, puesto que es la etapa de producción de riel chanel que toma mayor tiempo (90% del tiempo total), se calcula que el tiempo de troquelado que se debe conseguir con la máquina diseñada debe ser máximo de 180 segundos.
4.3.3. Especificaciones de la troqueladora
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Tabla 5 Especificaciones técnicas de la troqueladora.
Presión nominal 30 toneladas
Golpes por minuto 150 golpes
Carrera del carro 50mm
Profundidad de la garganta 470mm
Distancia del piso a la mesa de trabajo 850mm
Tipo de embrague topes y cuña
Motor 2 HP / 220v / 1140 RPM / trifásico
peso total aproximado 1100 kg
Fuente: Autores.
Se evalúa el estado general del equipo para verificar que no existan problemas que impidan el correcto cumplimiento del objetivo principal planteado en el proyecto. Los resultados obtenidos se presentan a continuación.
Tabla 6 Evaluación del estado de la troqueladora.
Estado de sistema hidráulico BUENO
Estado de conexiones eléctricas BUENO
Ajuste del carro BUENO
Lubricación REGULAR
Estado de las correas de transmisión REGULAR Estado del pedal de accionamiento BUENO
Estado del troquel BUENO
Pintura BUENO
Fuente: Autores.
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Tabla 7 Ventajas y desventajas del proceso actual de troquelado en la empresa PH&ES.
VENTAJAS DESVENTAJAS
en cada troquelado Probabilidad de accidente del operario
Tiempo moderado
4.3.5. Riesgos laborales de un operario al troquelar
En el entorno industrial los operarios se exponen a diferentes riesgos que despenden de la tarea que desarrollen. Para el caso de una persona dedicada a troquelar en la empresa PH&ES, tenemos:
- Riesgo de amputación y/o corte con el troquel. - Riesgo de alergias por fibras.
- Riesgo de lesiones dorso lumbares por manipulación del troquel o acciones repetitivas.
- Riesgo de atrapamiento con la prensa o las partes móviles de la máquina. - Riesgo de exposición a ruido.
4.3.5.1. Recomendaciones actuales de seguridad
Uso de guantes adecuados.
- Manipulación del equipo sin influencia de sustancias embriagantes y/o alucinógenas.
- Uso de gafas, tapa oídos y mascarilla de seguridad. - Uso de botas de seguridad.
4.3.6. Disponibilidad operativa
En la etapa de fabricación de riel chanel, PH&ES cuenta con la colaboración de 9 personas, el jefe de planta, 2 soldadores, 4 personas encargadas de corte, doblez y troquelado; 1 persona encargada de la limpieza de la materia prima y 1 pintor.
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Debido a que el troquelado es la operación que más tarda, ocasiona acumulación en la zona de corte y retraso en la operación de doblado. Este es otro de los escenarios críticos de producción.
4.4. ESTUDIO DE LA DEMANDA ACTUAL Y PROYECCIÓN A CORTO PLAZO.
4.4.1. Demanda actual del producto en estudio.
Actualmente, la demanda de riel chanel mensual en PH&ES, se encuentra en un promedio de 1200 unidades8. El tiempo que toma la fabricación de esta cantidad de riel
chanel, evaluado bajo las condiciones presentadas en el apartado 1.4.2. sería:
1200 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 ∗ 333 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 = 399600 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 = 111 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠
Teniendo en cuenta que el periodo laboral diario es de 8 horas, se necesitarían casi 14 días para culminar el trabajo, de los cuales 12 días corresponden a labores de troquelado.
Si se tienen en cuenta los tiempos muertos, rotación de trabajos y labores de reproceso, el tiempo de producción de esta cantidad de riel, asciende a 18 días.
Al reducir el tiempo de troquelado en un 40%, esta demanda se puede suplir en 72 horas, es decir 9 días aproximadamente, de los cuales 7,5 días corresponderían a labores de troquelado.
8 Dato suministrado por el departamento comercial de la empresa, y verificado con las facturas del
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5. DATOS DEL PROCESO ACTUAL
En esta sección se muestran los datos tomados en la empresa PH&ES enfocados al proceso de troquelado de riel chanel, se generan estadísticas y proyecciones, además de encontrar conclusiones que faciliten el entendimiento de la problemática real de la empresa.
5.1. TIEMPO DE REGLAJE DE LA PRENSA PARA TROQUELADO DE RIEL CHANEL
En seguida se muestran los datos de reglaje de la máquina utilizados por cada operario, y se calcula el promedio general de puesta en marcha del proceso de troquelado de ranuras.
Tabla 8 Promedio del tiempo de reglaje de la troqueladora para producción de riel chanel en la empresa PH&ES
El valor promedio del tiempo de reglaje de la máquina es de 359,5 s, es decir 6 minutos. Sin embargo, se debe tener en cuenta que la empresa requiere llevar a cabo otros procesos en la prensa. Normalmente el troquel de ranura para riel chanel se monta en la prensa dos veces al día.
5.2. TIEMPO DE TROQUELADO PARA RIEL CHANEL
Para obtener el promedio de tiempo utilizado para el troquelado de un riel chanel en la empresa PH&ES, se realiza la toma de tiempos a los cuatro operarios responsables de ejecutar dicha labor, de forma independiente y en tres horarios diferentes (8:00 am, 01:00 pm y 3:00 pm), durante tres días.
Primero, se calcula el promedio individual en cada horario y por día, después se promedia el tiempo de ejecución de la operación de los tres días evaluados para cada operario, el cual arroja el tiempo de troquelado por persona. Los tiempos utilizados por operario y día, pueden observarse en el anexo 1.
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Tabla 9 Promedio de tiempo utilizado por los operarios en el troquelado de riel chanel Promedio operario 1 (s) 300
Promedio operario 2 (s) 301 Promedio operario 3 (s) 298 Promedio operario 4 (s) 302
PROMEDIO TOTAL (s) 300
Fuente: Autores.
Como se puede observar, la variación de la rapidez con la cual se ejecuta la operación de troquelado de riel chanel no se puede determinar con exactitud, debido a las diferentes condiciones bajo las cuales se realiza el trabajo. Sin embargo, se puede inferir que el tiempo de proceso es dependiente del operario, lo cual es un problema ya que no siempre se obtendrá el mismo rendimiento. En la tabulación realizada, se puede apreciar que a la 01:00 pm los operarios disminuyen su rendimiento, lo cual afecta directamente el valor final de tiempo de operación. Al discutirlo con ellos, lo relacionan con la hipoglucemia postprandial, o comúnmente llamada “cansancio por el almuerzo”.
La inclusión de un sistema automatizado de alimentación en el proceso puede ayudar a controlar dichos tiempos, aumentar y obtener una proyección más realista de la capacidad de producción, mejorando el acierto en las fechas de entrega pactadas con los clientes y por consiguiente la satisfacción de los mismos.
En esta sección también se muestra una medición aproximada de los tiempos muertos existentes en el proceso, los datos presentados son aquellos que se pudieron registrar para cada operario mientras ejecutaban el proceso de troquelado.
Tabla 10 Promedio de tiempo muerto por lote de producción de riel chanel.
TIEMPO MUERTO POR LOTE DE PRODUCCIÓN EN OPERACIÓN DE TROQUELADO (s)
42
Para la obtención de los datos, se cronometró la duración del intervalo de tiempo que empleaba cada operario en iniciar el troquelado de una tira de lámina nueva, se tuvieron en cuenta las pausas activas y el tiempo de aseo individual. Al final se obtuvo que el promedio total de tiempo muerto por cada lote de riel chanel es de 197 segundos, es chanel, se llevó a cabo el conteo de riel mal procesado en cinco lotes de cien unidades, esto se repitió con cada uno de los cuatro operarios y se obtuvo el promedio de producto mal procesado por lote.
Tabla 11 Promedio de unidades de riel chanel dañadas por lote de producción. UNIDADES DAÑADAS POR LOTE (UND)
En la Tabla 11 se evidencia las unidades de riel chanel dañadas en un lote y el promedio correspondiente para cada operario, a partir de esto se determinó el promedio total el cual es de 1,6 unidades por cada lote de 100 unidades. El daño radicó en una leve desconcentración del operario, provocando ranuras solapadas y con una variación significativa en el paso de las ranuras del riel.
Para el tiempo de producción, lo anterior significa un retraso de 532,8 segundos por cada cien unidades manufacturadas, además la materia prima no se puede recuperar en su totalidad.
5.4. COSTOS OPERATIVOS Y UTILIDAD POR UNIDAD DE RIEL CHANEL
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A partir de los datos obtenidos es posible hallar el costo total de producción de PH&ES para poder suplir la demanda actual correspondiente a 1200 unidades mensuales (300 unidades de cada calibre), y verificar la utilidad actual del proceso según cada calibre de lámina.
Tabla 12 Costo de operación y utilidad para suplir la demanda actual de riel chanel en la empresa PH&ES
COSTO PARA SUPLIR DEMANDA ACTUAL
CALIBRE DEMANDA MENSUAL COSTO VALOR TOTAL DE VENTA UTILIDAD
14 300 $ 3.288.557 $ 4.800.000 $ 1.511.443
Los datos recopilados permiten obtener conclusiones que sirven de apoyo para la etapa de diseño del alimentador de chapa metálica, estas se aprovechan en la etapa de aplicación de las metodologías de diseño. Las consideraciones encontradas son:
• El reglaje del equipo para ejecutar la tarea de troquelado se lleva a cabo al menos dos veces al día y el tiempo utilizado es significativo en los costos operativos.
• El tiempo de troquelado no depende únicamente de la experiencia del operario, también influyen factores como la capacidad de concentración, el agotamiento físico y mental, el número de horas de trabajo consecutivas, el estrés del trabajo repetitivo entre otras.
• Los tiempos muertos se producen regularmente por factores físicos o psicológicos de los operarios, no se pueden eliminar del proceso ya que es una característica inherente del ser humano.
• Aunque las unidades de riel chanel que se dañan por errores humanos no superan el 2%, se vuelven un costo innecesario en el proceso de producción de riel chanel y genera retrasos que pueden volverse acumulativos.
5.6. ASPECTOS A PRIORIZAR EN EL DISEÑO
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• No superar el presupuesto habilitado para la fabricación del alimentador de chapa metálica.
• Disminución del 40% en el tiempo de troquelado de riel chanel. • Aprovechamiento de la red neumática de la empresa.
• Fácil montaje del sistema de alimentación. • Minimización del riesgo de accidente laboral. • Facilidad de operación.
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6. EJECUCIÓN DE METODOLOGÍAS DE DISEÑO
A partir de este punto se ejecutan las metodologías de diseño aplicadas al problema planteado que permiten establecer los criterios de selección y obtener el diseño del alimentador de chapa metálica, según las necesidades de PH&ES.
En los siguientes apartados se presenta con más detalle el desarrollo de cada una de las metodologías de diseño aplicadas.
6.1. DESPLIEGUE DE LA FUNCIÓN DE CALIDAD (QFD)
El QFD se utilizó para sistematizar las características que debe tener el producto a lo largo de todo el proceso de desarrollo, entender completamente qué es lo que quiere participante, las cuales se agrupan de acuerdo a su enfoque.
➢ Después de definir los “QUÉ”, se ponderan de acuerdo a la prioridad mediante una votación, en donde cada persona asigna un valor de importancia a cada requisito.
➢ Se hace una búsqueda del estado de los alimentadores de chapa metálica existentes en el mercado y se evalúa el estado de cumplimiento de éstos productos con respecto a las necesidades de PH&ES, a fin de proyectar el estado final del diseño a desarrollar.
➢ Se genera una lista de posibles soluciones y se ponderan de acuerdo a las relaciones y grado de solución de los “QUÉ”.
6.1.1. Tormenta de ideas para definición de los “Qué”
Para definir los “Qué” de la matriz QFD, se llevó a cabo una sesión de lluvia de ideas en las que se evidencian las expectativas de las partes interesadas.
Asistentes:
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Ideas generadas:
➢ No superar el presupuesto definido al comienzo del proyecto de $9.000.000. ➢ Mejora en el proceso de troquelado de riel chanel en un 40%.
➢ Aprovechamiento del espacio disponible. ➢ Sistema compacto.
➢ Montaje sencillo.
➢ Capacidad de recuperación de la inversión en un periodo de tiempo menor a 1 año.
➢ Operación sencilla. ➢ Puesta a punto sencilla. ➢ Fácil alineación de partes. ➢ Sistema modular.
➢ Guarda en piezas con riesgo de atrapamiento ➢ Fabricación rápida.
➢ Extensa vida útil.
➢ Fácil adquisición de repuestos.
➢ Aprovechamiento de la red neumática de la empresa. ➢ Reducción de tiempo de permanencia en la troqueladora. ➢ Mejora en el flujo de materia prima para la sección de doblado. ➢ No tener piezas sueltas o que se puedan perder con facilidad. ➢ Resistente a golpes y trato descuidado.
➢ Mantenimiento fácil.
➢ Graduación del paso de riel chanel.
➢ Reducción de la cantidad de piezas dañadas por lote. ➢ Capacidad para manejo de todos los calibres de lámina. ➢ Diseño llamativo.
➢ Fácil carga de material. ➢ Sistema liviano.
➢ Topes para ubicación del punto de partida ➢ Debe existir un sistema pisador de lámina. ➢ Permitir graduación de parámetros importantes.
➢ Cualquier persona debe ser capaz de manipular el equipo. ➢ Debe tener recubrimiento para evitar oxidación.
➢ Nivel bajo de ruido.
➢ Sistema de paro de emergencia. ➢
6.1.2. Agrupación de ideas y definición de los “Qué”
47
6.1.3. Asignación de coeficientes de peso a los “Qué”
Para jerarquizar los “Qué” en orden de importancia, a cada participante se le asignaron 39 puntos (3 veces la cantidad de “Qué”) para distribuirlos entre todos los “Qué”. Sin embargo, los únicos valores posibles son 1, 3 y 9; esto se hace con el fin de obtener resultados que permitan identificar una prioridad en el listado. Los participantes en el proceso de ponderación ocupan los cargos de Gerente, Jefe de planta y operarios (4). Esta ponderación se puede ver en el anexo 3.
Se concluye que los factores a priorizar en la etapa de diseño son la facilidad de operación del equipo y la seguridad de operación, seguido de la reducción de tiempos de operación de riel chanel, el aprovechamiento de la red neumática y la facilidad en tareas de mantenimiento.
6.1.4. Análisis de competencia
Es importante analizar los productos existentes en el mercado, ya que, si el diseño propuesto en este documento tiene características inferiores a las de la competencia, el proyecto perdería viabilidad. Además, éste análisis permite evidenciar fortalezas que se pueden implementar en el desarrollo del alimentador de capa metálica de la empresa PH&ES.
Para definir el grado de cumplimiento de los “Qué” de la competencia, se enseñan los productos a las partes interesadas y se evalúan de acuerdo a los criterios propuestos en una escala de 1 a 5, en donde 1 significa que la competencia no cumple el parámetro y 5 que la competencia tiene un alto grado de cumplimiento.
Para esta sección se toman como referencia los productos ofertados por las empresas Comtesa y Hemsa. El promedio de cumplimiento de las dos empresas frente a los requisitos de PH&ES es de 3,76. En contraste, se busca que el dispositivo que se diseñe tenga un promedio de cumplimiento de 4,1. El detalle de los resultados obtenidos se pueden observar en el anexo 3.
6.1.5. Establecimiento de los “cómo” y su correlación
De forma análoga a la sección 6.1.2., se elabora una lista de los “cómo” necesarios para resolver los “qué”. En seguida, se realiza la matriz de correlación que permite saber si para la satisfacción de los "Qué", es bueno que la cantidad asignada al "Cómo" crezca, decrezca o se sitúe en un valor objetivo. Después se valora la influencia de los “Cómo” con respecto a los “Qué”. Los resultados se pueden ver en el anexo 3.
6.1.6. Evaluación de los “Cómo” en base al estudio de la competencia
48
6.1.7. Puntuación final y conclusiones
El primer paso es asignar un coeficiente de dificultad a cada “Cómo”. Ya que no todos los “Qué” tienen la misma importancia, y cada “Cómo” influye de manera distinta en la solución, se puede valorar el resultado de cada “Cómo” de la siguiente forma:
𝑃𝑢𝑛𝑡𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 𝑑𝑒𝑙 Cómo diseño, en el caso de no poder suplir varias al mismo tiempo. Dentro de los aspectos con mayor prioridad de diseño se obtienen:
➢ Eliminación de vibración en el equipo.
➢ Planos de conjunto para facilitar entendimiento de sistemas. ➢ Automatización del proceso.
➢ Minimización de tiempos de fabricación de riel chanel.
Los resultados y la matriz QFD completa se pueden encontrar en el anexo 3. 6.2. ANÁLISIS FUNCIONAL
Partiendo de las restricciones e ideas iniciales y los datos obtenidos en el QFD, se puede desarrollar el modelo de caja negra, descomposición funcional y caja gris, para facilitar la interpretación del funcionamiento, composición y flujo de energía en el dispositivo deseado.
6.2.1. Modelo de la caja negra
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Ilustración 23 Modelo de la caja negra para el proceso de diseño del alimentador de chapa metálica.
Fuente: Autores.
6.2.2. Análisis funcional
Con esta técnica se identifican las acciones que debe ejecutar el dispositivo alimentador y posibles formas de llevarlas a cabo, esto con el fin de abrir posibilidades de diseño y poder evaluar nuevas restricciones en el proceso. La descomposición funcional puede observarse en el anexo 4.
6.2.3. Caja gris
Al combinar el modelo de la caja negra y la descomposición funcional se puede visualizar el flujo de información a través del sistema propuesto, para evidenciar e identificar las tareas de diseño. El modelo resultante se presenta a continuación.
Ilustración 24 Modelo de caja gris para el proceso de diseño del alimentador de chapa metálica.
