PROYECTO DE GRADO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO

1. DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICACARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA PROYECTO DE GRADO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA CAPSULADORA PARA ENVASES PLÁSTICOS TAPA ROSCA DE 250 MILILITROS HASTA 1000 MILILITROS CON UNA CAPACIDAD DE 26 BOTELLAS POR MINUTO PARA LA MICROEMPRESA ANDIPACK.” ANDRÉS VLADIMIR CAMPAÑA ENRÍQUEZ PABLO MARCELO CONTRERAS JÁCOME Sangolquí, 25 de Noviembre del 2011

2. INTRODUCCIÓN Tecnificación de los procesos de envasado de bebidas en el sector industrial ecuatoriano Empresas líderes en envasado de bebidas en el Ecuador manejan altos volúmenes de producción y disponen de máquinas capsuladoras con capacidades de 32000 botellas por hora; Pequeñas empresas que todavía manejan procesos de capsulado manual apenas alcanzan producciones de alrededor de 200 botellas por hora.

3. INTRODUCCIÓN La microempresa ANDIPACK nace el 13 de Septiembre del 2003 y empieza su actividad económica como un taller artesanal dedicado a la producción y comercialización de bebidas. Su primer producto un jugo de naranja llamado POON C. En el año 2007 firma un contrato con la empresa PARAMOUNT BISHOP para envasar un zumo de limón para comidas conocido como CITRUS. ANDIPACK ha decidido ampliar su volumen de producción a un nivel medio (> 1200 bph) para los siguientes periodos. La implementación de una maquinaria especializada para sus procesos es de vital importancia para cumplir con sus objetivos y no incrementar el número de trabajadores necesarios en su cadena de producción.

4. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA El programa de producción propuesto por la empresa contratante PARAMOUNT BISHOP, exige a ANDIPACK la siguiente cantidad de producción: Capacidad propuesta para próximos periodos: 50000 botellas por mes. Capacidad máxima de producción actual: 32000 botellas por mes. ANDIPACK está automatizando la planta y parte del proceso es adquirir una máquina capsuladora: Capacidad máquina capsuladora: 140000 botellas por mes Nuevos productos ha envasar en un futuro cercano: Cocteles MARGARITA MIX, LOVE & MARY y PIÑA COLADA

5. JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA Para cumplir con el objetivo de producción de 140000 botellas por mes la microempresa podría optar por las alternativas de solución: Analizando esta situación, la microempresa ANDIPACK solicita la ejecución de un proyecto con la participación de los estudiantes de la Carrera de Ingeniería Mecánica de la ESPE para el diseño y construcción de una máquina capsuladora que satisfaga las necesidades de la microempresa.

6. OBJETIVOS General Diseñar y construir una máquina capsuladora para envases plásticos tapa rosca con el fin de mejorar la eficiencia del proceso de producción y optimizar recursos de mano de obra en la microempresa ANDIPACK.

7. OBJETIVOS Específicos • Analizar los procesos y sistemas existentes en la microempresa ANDIPACK. • Identificar los requerimientos de diseño del proceso de sellado y evaluar la mejor alternativa. • Diseñar los sistemas y elementos de la máquina capsuladora. • Realizar un estudio económico y financiero que permita establecer los costos del proyecto. • Construir y poner en marcha la máquina capsuladora.

8. ALCANCE La máquina capsuladora será diseñada y construida acorde con los requerimientos de la microempresa respecto a volúmenes de producción, espacio disponible y costos de fabricación con el fin de mejorar los estándares de calidad, disponibilidad de tecnología y productividad de la misma. La máquina constará de un sistema posicionador de botellas circular intermitente y un cabezal capsulador que descenderá automáticamente para sellar las tapas de las botellas, su velocidad será de 26 botellas por minuto y servirá para sellar tapas-rosca de 28mm en botellas plásticas PET de 250ml, 500ml y 1000ml.

9. PROCESO DE SELLADO El sellado es una etapa muy importante en el proceso de envasado de líquidos y viene inmediatamente después del proceso de llenado. Esta etapa consiste en colocar el sello de seguridad (tapas) a los recipientes que contienen un fluido, evitando que este se derrame al momento de ser transportado, se conserve en buenas condiciones y no pueda ser adulterado una vez ya en el mercado. Los métodos de sellado de tapas son de diferentes formas dependiendo del tipo de tapa y del recipiente. Las máquinas encargadas de realizar este proceso son conocidas como máquinas capsuladoras cuando las tapas utilizadas son de tipo rosca y generalmente emplean mecanismos tipo embrague que ajustan las tapas en sus recipientes hasta alcanzar el torque necesario y desacoplarse.

10. MÁQUINAS CAPSULADORAS Máquina capsuladora automática rotativa por pasos Máquina capsuladora automática rotativa

11. MÁQUINAS CAPSULADORAS Máquina capsuladora automática lineal Máquina capsuladora semi-automática Con Bastidor

12. MÁQUINAS CAPSULADORAS Máquinas de capsulado manual Máquina capsuladora semi-automática Sin bastidor

13. ANÁLISIS DEL FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA LAYOUT ANDIPACK DIAGRAMA DE PROCESOS

14. ANÁLISIS DEL FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA ANÁLISIS DE TIEMPOS CUELLO DE BOTELLA Capacidad de producción actual ANDIPACK.

15. ANÁLISIS DEL FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA Capacidad de producción ANDIPACK incrementando solamente la máquina capsuladora. La persona encargada del sellado ahora puede trasladarse al etiquetado. El tiempo de etiquetado por unidad tenía un valor de 8.1 s, ahora incrementando un operador este tiempo se reduce a 4.05 s. CUELLO DE BOTELLA

16. DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DE LA MÁQUINA Capacidad requerida por ANDIPACK A la velocidad requerida se la incrementó un 10% de su valor para hallar la velocidad de operación de la maquina, dando como resultado una velocidad de 26 botellas/minuto.

17. DETERMINACIÓN DE LA VELOCIDAD DE LA MÁQUINA Capacidad de producción de acuerdo con la velocidad de la máquina capsuladora. Si la microempresa ANDIPACK en futuro actualizara la maquinaria de los demás procesos de envasado con velocidades superiores o iguales a 26 botellas por minuto, la producción mensual se incrementaría a 156000 unidades mensuales en 20 días de trabajo y con turnos de 5 horas diarias.

18. DISEÑO DE LA MÁQUINA CAPSULADORA

19. ANÁLISIS PARA EL DISEÑO SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS Las alternativas se evaluaran con puntajes (valores entre 1 y 9) de forma que:

20. ANÁLISIS PARA EL DISEÑO SELECCIÓN DE TIPO DE MÁQUINA Ponderación de alternativas (criterios vs. criterios) Toma de decisiones (alternativas vs. criterios)

21. ANÁLISIS PARA EL DISEÑO SELECCIÓN PARA TIPO DE REDUCTOR, PARTE INFERIOR DE LA MÁQUINA Ponderación de alternativas (criterios vs. criterios) Toma de decisiones (alternativas vs. criterios)

22. ANÁLISIS PARA EL DISEÑO SELECCIÓN MECANISMO INTERMITENTE Ponderación de alternativas (criterios vs. criterios) Toma de decisiones (alternativas vs. criterios)

23. ANÁLISIS PARA EL DISEÑO SELECCIÓN PARA TIPO DE REDUCTOR, PARTE SUPERIOR DE LA MÁQUINA Ponderación de alternativas (criterios vs. criterios) Toma de decisiones (alternativas vs. criterios)

24. ANÁLISIS PARA EL DISEÑO SELECCIÓN PARA TIPO DE CAPSULADOR Ponderación de alternativas (criterios vs. criterios) Toma de decisiones (alternativas vs. criterios)

25. ANÁLISIS PARA EL DISEÑO SELECCIÓN PARA SISTEMA DE AUTOMATIZACIÓN Ponderación de alternativas (criterios vs. criterios) Toma de decisiones (alternativas vs. criterios)

26. ANÁLISIS PARA EL DISEÑO TOMA DE DESICIONES La velocidad de la máquina será de 26 botellas por minuto, De tipo rotativa por pasos conducida por un mecanismo de ginebra La reducción de velocidad en la parte inferior será controlada por un par de engranes de dientes rectos. La parte superior de la máquina utilizará un reductor de poleas en V. Tendrá un mecanismo que permitirá bajar el capsulador de tipo magnético hasta una posición adecuada para capsular las tapas. La automatización se realizará mediante la ayuda de un PLC.

27. DISEÑO SISTEMA POSICIONADOR DE ENVASES

28. TRANSMISIÓN INFERIOR MECANISMO INTERMITENTE La base del sistema posicionador de envases es el mecanismo de ginebra (Rueda Conductora y Cruz de Ginebra), encargado de controlar la velocidad de producción la máquina y dividir los procesos de acuerdo a su número de pasos.

29. TRANSMISIÓN INFERIOR ANÁLISIS DE TIEMPOS MECANISMO DE GINEBRA

30. TRANSMISIÓN INFERIOR GEOMETRÍA MECANISMO DE GINEBRA

31. TRANSMISIÓN INFERIOR CINEMÁTICA DEL MECANISMO DE GINEBRA Angulo de rotación de la Cruz de Ginebra Radio de desplazamiento en la cruz

32. TRANSMISIÓN INFERIOR CINEMÁTICA DEL MECANISMO DE GINEBRA Velocidad angular de la Cruz de Ginebra Aceleración angular de la Cruz de Ginebra

33. TRANSMISIÓN INFERIOR DINÁMICA DEL MECANISMO DE GINEBRA Torque de la Cruz de Ginebra Torque de la Rueda Conductora

34. DISEÑO DE FLECHAS - TRANSMISIÓN INFERIOR SISTEMA EJE 2

35. DISEÑO DE FLECHAS - TRANSMISIÓN INFERIOR EJE 2 – GRÁFICOS DE FUERZAS

36. DISEÑO DE FLECHAS - TRANSMISIÓN INFERIOR EJE 2 – GRÁFICOS DE MOMENTOS

37. DISEÑO DE FLECHAS - TRANSMISIÓN INFERIOR EJE 2 – RESUMEN DE CÁLCULO

38. DISEÑO DE FLECHAS - TRANSMISIÓN INFERIOR SISTEMA EJE 1

39. DISEÑO DE FLECHAS - TRANSMISIÓN INFERIOR EJE 1 - GRÁFICOS DE FUERZAS Diagrama de fuerza cortante plano XZ Diagrama de fuerza cortante plano YZ

40. DISEÑO DE FLECHAS - TRANSMISIÓN INFERIOR EJE 1 - GRÁFICOS DE MOMENTOS Diagrama de momento flector en el eje Y Diagrama de momento flector en el eje X

41. DISEÑO DE FLECHAS - TRANSMISIÓN INFERIOR EJE 1 – RESUMEN DE CÁLCULOS

42. REDUCTOR INFERIOR CAJA REDUCTORA El reductor seleccionado para la parte inferior de la maquina fue un par de engranes de dientes rectos debido a su alta eficiencia a bajas velocidades y su facilidad de construcción en el mercado local. Se requiere obtener una velocidad de 26 rpm y se dispone de un motor-reductor de 83 rpm con lo cual se puede obtener la siguiente relación de transmisión:

43. SISTEMA CAPSULADOR

44. SISTEMA CAPSULADOR CABEZAL CAPSULADOR MAGNÉTICO El embrague magnético permite regular torques entre 0 a 30 Nm, siendo un torque de 15 lb.pulg (1.7 N.m) el necesario para sellar las tapas de 28 mm.

45. DISEÑO DE FLECHAS Y ACOPLES - TRANSMISIÓN SUPERIOR SISTEMA EJE 3 Acople pistón Eje 3 Acople de descenso Capsulador

46. AUTOMATIZACIÓN SISTEMA NEUMÁTICO POSICIÓN INICIAL POSICIÓN FINAL

47. AUTOMATIZACIÓN SISTEMA ELÉCTRICO

48. AUTOMATIZACIÓN SISTEMA ELÉCTRICO – CIRCUITO DE FUERZA

49. AUTOMATIZACIÓN SISTEMA ELÉCTRICO – CIRCUITO DE CONTROL

50. CONSTRUCCIÓN