CIBIM CIBEM
Actualidad de la Ingeniería Mecánica en Iberoamérica
Atualidade da Engenharia Mecânica Ibero-América
Federación Iberoamericana
de Ingeniería Mecánica
Escuela de Ingeniería Mecánica
Cartagena 2019
CIBIM CIBEM
Actualidad de la Ingeniería Mecánica en Iberoamérica
Atualidade da Engenharia Mecânica Ibero-América
Federación
Iberoamericana de Ingeniería
Mecánica
Escuela de Ingeniería Mecánica
CIBIM 2019
Editor Manuel del Jesús Martínez, Dr.
Presidente Julian Ernesto Jaramillo Ibarra, Dr.
ISBN: ISBN 978-958-52438-6-6 Primera edición: noviembre de 2019
Diseño, diagramación e impresión: División de Publicaciones UIS Carrera 27 calle 9, Ciudad Universitaria PBX: (7) 6344000, ext. 2196 Bucaramanga, Colombia [email protected]
Prohibidalareproducciónparcialototaldeestaobra,por cualquiermedio,sinautorizaciónescritadelosautores.
XIV Congreso Iberoamericano de
Ingeniería Mecánica – CIBIM 2019
XIV Congresso Ibero-Americano Em Engenharia Mecânica – CIBEM 2019
Comité Organizador
Presidente
Julian Ernesto Jaramillo Ibarra, Dr.
Integrantes
Manuel del Jesús Martínez, Dr. Jorge Enrique Meneses Flórez, MsC.
David Alfredo Fuentes Díaz, Dr. Alberto David Pertuz Comas, Dr.
Jorge Luis Chacón Velasco, Dr.
Presidente
Comité Ejecutivo FEIBIM
Vocal 1º
Francisco Aparicio Izquierdo, Dr.
Vice-Presidente 1º
José Luis San Román, Dr.
Vice-Presidente 2º
Christian J.R. Coronado, Dr.
Vice-Presidente 3º
Kurt Paulsen Moscoso, Dr.
Secretario General
José Luis Muñoz Sanz, Dr.
Tesorero
Fabricio Esteban Espinoza, Dr.
Antonio Augusto Fernandes, Dr.
Vocal 2º
Gustavo J. Cazzola, Dr.
Vocal 3º
Raúl Lugo Leyte, Dr.
Vocal 4º
María Eugenia Muñoz Amariles, Dra.
Vocal 5º
Oscar Francisco Farias Fuentes, Dr.
Vocal 6º
Luis Carlos Martinelli Jr, Dr.
Comité Científico
Manuel del Jesús Martínez Daniela Bahiense de Oliveira
Waldir Antônio Bizzo Carlos Borras Pinilla
Katia Tannous Nestor Raul D’croz Torres
Gilberto C. González Parra Pedro José Díaz Guerrero
Miguel Angel Diaz Rodriguez Omar Armando Gelvez Arocha
Manuel Tur Valiente Isnardo González Jaimes
Eugenio Giner Maravilla Octavio Andrés González Estrada
José Martínez Casas Ricardo Alfonso Jaimes Rolon
Juan José Ródenas García Abel Antonio Parada Corrales
Javier Fuenmayor Fernández Alberto David Pertuz Comas
Francisco Denia William Pinto Hernández
Asenssi Oliva Jabid Eduardo Quiroga Méndez
Rafael Royo Pastor Yesid Javier Rueda Ordoñez
Emilio Navarro Peris Javier Rúgeles Peréz
José Gonzalvez Maciá Leonidas Vásquez Chaparro
Thiago Gamboa Ritto Diego Fernando Villegas Bermúdez
Alejandro Roldán Heller Guillermo Sanchez Acevedo
Daniel Cortés Carlos Alberto Romero Piedrahita
Luis A. Távara Mendoza Luz Adriana Mejia Calderon
Federico Paris Sandra Patricia Cuervo Andrade
Adrián Pablo Cisilino Sebastian Durango Idarraga
Rodrigo Panosso Zeilmann Omar López
David Abellán López Juan Miguel Mantilla
Hector Miguel Aguila Estrada Sonia Rincón
Enrique Alcalá Fazio Johann Barragán Gómez
Alfredo Alvim de Castro Carlos Alberto Graciano
Cledumar Amaral Araujo Whady Felipe Flórez Escobar
Arturo Barba Pingarron Rogelio Hecker
Jayanta Kumar Banerjee Max Suell Dutra
Leonardo Bonacini Fernando Castro
Martin Dario Castillo Mario Luiz Tronto
Jesús Casanova Kindelán Ingrid Argote
Carlos Eduardo Castilla Alvarez Clayton Torres
Temáticas
Pag.
A. Ciencias Aplicadas a la Ingeniería Mecánica --
1. Mecánica general - Mecánica experimental
2. Vibraciones mecánicas y acústica
3. Mecánica del medio continuo
4. Mecánica de fluidos
5. Termotecnia – Termodinámica
6. Energía
7. Sistemas de Representación – CAD
8. Estructuras
9. Mecatrónica - Electromecánica – Automatización
10. Instrumentación
11. Materiales y Metalurgia
12. Tribología
13. Biomecánica – Bioingeniería
B. Diseño y Concepción de Máquinas y Componentes --
14. Síntesis y análisis de mecanismos
15. Vehículos
16. Maquinaria de elevación y transporte
17. Máquinas herramienta
18. Otras máquinas
19. Diseño de elementos de máquina
C. Fabricación de Componentes y Máquinas --
20. Procesos de fabricación
21. Planificación y control de la fabricación
22. Producción industrial
23. Fabricación automatizada (CAM)
24. Control de calidad
25. Ensayos y verificaciones
26. Metrología
D. Operación y Mantenimiento de Maquinaria 11
27. Mantenimiento
28. Aspectos medioambientales
29. Reacondicionamiento
E. Mecánica Computacional --
30. Mecánica de sólidos computacional (CSM)
31. Dinámica de fluidos computacional (CFD)
32. Transferencia de calor
33. Otras
F. Formación, Historia y Desafíos --
34. Formación e historia en Ingeniería Mecánica
35. Emprendimiento en Ingeniería Mecánica
36. Industria 4.0
10
ÍNDICE TEMÁTICA
ID TÍTULO Pag.
1877 SISTEMA DE DESHIDRATACIÓN SOLAR DE DOBLE
CÁMARA: ANÁLISIS TÉRMICO E HIGROMÉTRICO 12
1991 IDENTIFICACIÓN DE BARRERAS E INCENTIVOS PARA LA
INTRODUCCIÓN DE VEHÍCULOS ELÉCTRICOS EN EL
MERCADO COLOMBIANO: LA CIUDAD DE MEDELLÍN
COMO CASO DE ESTUDIO 17
2242 MODELADO MULTICUERPO DE UN ROBOT PARA
DETERMINACIÓN DE SU PRECISIÓN DE TRABAJO 23
2103 DISEÑO DE SISTEMA INTELIGENTE PARA LA
MICROFABRICACIÓN DE PLÁSTICOS 31
1925 COMPARATIVA DE LEVAS OBTENIDAS MEDIANTE LOS
PROCESOS DE FABRICACIÓN POR FRESADO Y POR
ELECTROEROSIÓN 39
1924 BANCO DE ENSAYOS TIPO TÚNEL DE VIENTO PARA LA
SELECCIÓN DE VENTILADORES DE REFRIGERADORES
DOMÉSTICOS 45
1894 ENSAYO DE TRACCIÓN DE PROBETAS CONSTRUIDAS
CON ÁCIDO POLILÁCTICO MEDIANTE TÉCNICAS
ADITIVAS BAJO LA NORMA ASTM D638 52
2116 GERENCIAMENTO DE UMA GRANDE MANUTENÇÃO: DE
CONCEITOS CLÁSSICOS DE MANUTENÇÃO A
FERRAMENTAS MODERNAS E ÁGEIS 59
2292 EVALUACIÓN TEMPORAL Y ESPACIAL DE PM10 and PM2.5
EN LA PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ 64
2408 ELECTRIFICACIÓN DEL TRANSPORTE MARÍTIMO CASO
DE ESTUDIO DE NORUEGA 71
2542 RESULTADOS DE LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA
ESTRATEGIA PARA LA GESTIÓN DE INFORMACIÓN DE
LLANTAS ORIENTADA AL INCREMENTO DE VIDA
OPERACIONAL. 79
2201 MANTENIMIENTO CENTRADO EN EFICIENCIA DEL
TREN DE PRECALENTAMIENTO DE LAS UNIDADES DE
DESTILACIÓN DE CRUDOS 87
1857 ESTRUTURA DE INFORMAÇÕES EM BASE DE DADOS DE
MANUFATURA PARA SELEÇÃO INTERATIVA DE
PARÂMETROS EM UM SISTEMA DE PLANEJAMENTO DE
PROCESSOS DE USINAGEM 95
11
D. Operación y Mantenimiento de Maquinaria
27. Mantenimiento 28. Aspectos medioambientales 29. Reacondicionamiento
D. Operação e Manutenção de Máquinas
27. Manutenção 28. Aspectos ambientais 29. Recondicionamento
12
1877. SISTEMA DE DESHIDRATACIÓN SOLAR DE DOBLE CÁMARA: ANÁLISIS TÉRMICO E
HIGROMÉTRICO
DOUBLE CHAMBER SOLAR DEHYDRATION SYSTEM: THERMAL AND HYGROMETRIC
ANALYSIS
José Alfredo Palacio-Fernández†*, Bayardo Cadavíd†1 y William Orozco†2
†Grupo de Investigación e Innovación Ambiental (GIIAM)
Institución Universitaria Pascual Bravo
Calle 73 No. 73A - 226, Medellín, Colombia
web page: http://www.pascualbravo.edu.co/
*e-mail: [email protected] 1e-mail: b.cadavid @pascualbravo.edu.co, 2 [email protected]
Resumen
El alto consumo energético y los requerimientos de conectividad a la red eléctrica de ciertos sistemas de deshidratación,
sugieren la búsqueda de soluciones empleando sistemas aislados, tales como los que aprovechan la energía solar para
alimentar paneles fotovoltaicos y sistemas de calentamiento o secado. El grupo GIIAM de la Institución Universitaria
Pascual Bravo, ha venido trabajando en la implementación de un sistema de deshidratación de plantas, el cual, ha permitido
obtener valores de temperatura superiores a los 65°C adquirida mediante sensores DHT22 en horas de alta radiación
(medida mediante un pyranometro apogee sp110). Las medidas se realizaron durante 10 días de máxima radiación
contrastando con días de radiación reducida. El sistema es tipo marquesina de doble cámara una embebida dentro de la
otra que ha permitido alcanzar estabilidad térmica incluso con rápidos de radiación y lograr niveles térmicos superiores a
los requeridos para la deshidratación, principalmente de plantas aromáticas y medicinales. Para la ventilación forzada
empleada en la evacuación de humedad al interior de la marquesina, se emplearon con 5 extractores de 60 vatios cada uno
que trabajaron en forma secuencial por pares, para reducir los requerimientos del sistema fotovoltaico que los alimentaba.
Se obtuvieron valores de humedad relativa en el techo del 10% y temperatura máxima registrada de 67.9°C para 970W/m2
de radiación. Finalmente se instaló un sistema de camas a una altura en la que la temperatura promedio en un día de alta
redición fuera cercana a los 40°C que se recomienda para la mayor parte de plantas aromáticas y medicinales.
Palabras clave: deshidratación, humedad, energía, solar, radiación
Abstract
The high energy consumption and the connectivity requirements to the electrical net of certain dehydration systems
suggest the search for solutions using isolated systems, such as those that take advantage of solar energy for powering
photovoltaic panels and heating or dried systems. The GIIAM group of the Pascual Bravo University Institution has been
working on the implementation of a system of dehydration of plants, which has allowed to obtain temperature values
higher than 65 ° C acquired by DHT22 sensors in hours of high radiation (measured using an pyranometer apogee sp110).
The measurements were made during 10 days of maximum radiation contrasting with days of reduced radiation. The
system is a double-chamber marquee type, one embedded inside the other, which has allowed thermal stability to even
achieved by rapid changes in radiation and thermal levels higher than those required for dehydration, mainly aromatic and
medicinal plants. For the forced ventilation used in the evacuation of humidity inside the canopy, they were used with 5
extractors of 60 watts each that worked sequentially in pairs, to reduce the requirements of the photovoltaic system that
fed them. Relative humidity values were obtained in the roof of 10% and registered maximum temperature of 67.9 ° C for
970W / m2 of radiation. Finally, a bed system was installed at a height where the average temperature in a day of high
recycling was close to 40 ° C, which is recommended for most aromatic and medicinal plants.
Keywords: dehydration, humidity, energy, solar, radiation
13
1. Introducción
Existen diversas técnicas de secado como pulverización,
mecánica, eléctrica, secado solar, etc. Estas técnicas de
secado se utilizan en todo el mundo para el secado de
productos agrícolas y no agrícolas. Entre estos
secadores, el secador solar para invernadero tiene varias
ventajas sobre otros tipos que lo convierten en una buena
alternativa [1]. Estos secadores no solo reducen el
consumo de combustibles fósiles para fines de secado,
sino que también proporcionan la mejor calidad en las
características organolépticas [2]
Aunque existen secadores mecánicos que utilizan
energía basada en combustibles fósiles, el costo de
secado es relativamente alto y el acceso a la fuente de
combustión para zonas remotas, puede ser difícil [3].
Adicionalmente, el uso de tales secadores crea un
problema ambiental causado por la emisión de dióxido
de carbono. Existen investigaciones que aprovechan
energías que desperdician fuentes no renovables. Parte
de la energía producida que es desperdiciada se
aprovecha en otro proceso y es en cierto modo un
método renovable como el que emplearon Cacua et al.
[4]. Los cuales a partir de un sistema de micro-
trigeneración usaron la energía residual de los gases de
escape de un motor diésel en aplicaciones de secado y
refrigeración de menta.
Kaewkiew et al. [5] evalúa el rendimiento de secado
de un secador de efecto invernadero de forma parabólica
en Ubon Ratchthani, Tailandia. En [6] emplearon un
secador solar tipo túnel el cual consta de 18 m de largo
y 3,75 m de ancho para secar 5000 cocos por lote. La
lámina de plástico era opaca a las radiaciones de onda
larga; estas radiaciones quedaron atrapadas dentro del
secador y elevaron la temperatura del túnel, emplearon
una película de polietileno de una sola capa para la
cubierta del secador solar, debido a la economía del
material y al fácil manejo. El secador envuelto con
lámina de policarbonato tiene una superficie de concreto
de 160 m2. Se utilizaron módulos fotovoltaicos de 50 W
de potencia para alimentar 9 ventiladores de DC,
proporcionado para mantener la circulación de aire
requerida. Para evaluar el rendimiento del secador solar
de invernadero, se secaron 500 kg de chiles en su
interior. El contenido de humedad se ha reducido del
74% al 9% en 3 días en un secador solar de invernadero
en comparación con los 5 días tomados por el secado
natural al sol. Se observó una reducción en el período de
secado junto con un mejor sabor y color.
En Morad et al. [7] construyeron tres secadores de
invernadero de túnel solar idénticos con dimensiones
totales de 2000 mm de largo, 1000 mm de ancho y 800
mm de altura para secar menta. Las hojas y las plantas
completas se colocaron en un rango de entre 6 y 10 cm
de espesor según las diferentes cargas de menta en una
red de alambre, que se instaló en el fondo del lote dentro
de un invernadero. Se empleó un ventilador de aire de
succión fijo y accionado por un motor eléctrico de 0.5
hp (0.37 kW) a 3000 rpm. El ventilador se conectó a un
termostato digital que se ajustó para operar el ventilador
cuando la temperatura del aire interior se aproxima a
50°C. La carga de menta analizada fue de 2kg/m^2. Y
un tiempo de secado menor a 12 horas.
En este artículo, se ha propuesto la construcción de un
prototipo tipo túnel o marquesina con doble cámara de
plástico polietileno de alta densidad oscuro y trasparente
para experimentar los máximos y mínimos niveles
alcanzados de temperatura y humedad en horas con
presencia de radiación solar. Y material vegetal de
prueba, mentha tipo spicata (conocida como
yerbabuena)
Obteniendo pérdida de peso del material por bandeja
pasando de 1Kg de material fresco a 90g de material
seco en 2 días de alta radiación y espesor de 5 cm
aproximadamente
2. Materiales y métodos
Se realizaron pruebas con un panel de 180W controlando
los extractores de forma swicheada uno a la vez, el
controlador MPPT de 20A 12V/24V, la batería 150 Ah
y el inversor de 1000W. Se conectaron los extractores
(de 50 watt c/u) por pares con intervalos de 1 minuto
durante las horas de mayor presencia de humedad
relativa al interior de la cámara. Un quinto extractor
trabajó de forma permanente para evacuar aire húmedo
al exterior.
Se emplearon sensores DHT22 para la captura de la
humedad y la temperatura. La radiación fue medida
mediante un pyranometro apogee sp110 que entrega
Figura 1. Sistema tipo marquesina de doble
cámara. Fuente: elaboración propia.
14
0.2mV por W/m2. Las medidas se realizaron durante 10
días de máxima radiación contrastando con días de
radiación reducida. El sistema estructural implementado
se muestra en la figura 1
El sistema de desarrollo para control captura y
comunicación de las variables del proceso, fueron
realizadas mediante un arduino Leonardo con shield de
potencia y comunicación ethernet como el que se
muestra en la figura 2.
Al interior, se construyó un sistema de camas móviles
con base de mallas de aluminio para contener el material
vegetal (ver figura 3). Las camas se mueven en forma
vertical mediante actuadores lineales de 60cm de
desplazamiento vertical con lo que se busca encontrar la
temperatura cercana a los 40°C.
3. Resultados
Se pudo alcanzar estabilidad térmica incluso con
cambios rápidos de radiación y lograr niveles térmicos
superiores a los requeridos para la deshidratación,
principalmente de plantas aromáticas y medicinales que
se considera alrededor de los 40°C [1] (ver figura 6). Se
obtuvieron valores de temperatura superior de 60°C
como se muestra en la figura 4 (para niveles máximos de
1100W/m2 de radiación). Aunque el promedio en los 10
días para el valor máximo fue de 63°C y 52°C en días de
baja radiación (promedio máximo de 640W/m2). Se
lograron alcanzar temperaturas en el techo cercanas a los
78°C (ver figura 6)
Figura2. Sistema de desarrollo para adquisición de
las variables ambientales y control de motores.
Fuente: elaboración propia.
Figura 3. Sistema de camas móviles. Fuente:
elaboración propia.
Figura 4. Perfil térmico en un día con radiación superior a
1000 W/m2. Fuente: elaboración propia.
Figura 5. Perfil de temperatura de al nivel de las camas
contenedoras del material vegetal. Fuente: elaboración
propia.
15
Finalmente se instaló un sistema de camas a una altura
en la que la temperatura promedio en un día de alta
redición fuera cercana a los 40°C (ver figura 5) que se
recomienda para la mayor parte de plantas aromáticas y
medicinales.
Se logro alcanzar un nivel de humedad inferior al 10%
para la menta tipo spicata en 3 dias, mejorando el
tiempo alcanzado en marquesinas tradicionales para la
menta [8]. Las plantas deshidrastadoas se muestran en
la figura 7.
El sistema de secado de doble camara, permite mantener
una temperatura superior a la recomendada por los
aurtores para el caso de plantas aromaticas y
medicinales.
El control de temperartura dinamico, se adecua a los
Figura 6. Niveles de temperaturas alcanzados (eje izquierdo) en un día de máxima
radiación (eje derecho). Fuente: elaboración propia.
0
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4:4
9:0
6
T_Superior T_piso T_mitad Rad
Figura 7. Menta spicata deshidratada. Fuente: elaboración propia.
16
requerimientos termicos mayores siempre y cuando la
radiación solar sea alta. Con el soporte de de camas
contenedoras moviles verticalmente
4. Referencias
[1] P. Singha, V. Shrivastava y A. Kumar, «Recent
developments in greenhouse solar drying: A
review,» Renewable and Sustainable Energy
Reviews, vol. 82, pp. 3250-3262, 2018.
[2] R. Patil y R. Gawande, «A review on solar tunnel
greenhouse drying system,» Renew, vol. 56, p. 196–
214, 2016.
[3] T. Boroze, H. Desmorieux , J.-M. Méot, C.
Marouzé, Y. Azouma y K. Napo, «Inventory and
comparative characteristics of dryers used in the
sub-Saharan zone: Criteria influencing dryer
choice,» Renewable and Sustainable Energy
Reviews, vol. 40, p. 1240–1259, 2014.
[4] K. Cacua, L. Olmos-Villalba, B. Herrera y A.
Gallego, «Experimental evaluation of a diesel-
biogas dual fuel engine operated on micro-
trigeneration system for power, drying and
cooling,» Applied Thermal Engineering, vol. 100,
p. 762–767, 2016.
[5] J. Kaewkiew, S. Nabnean y S. Janjai,
«Experimental investigation of the performance of
a large-scale greenhouse type solar dryer for drying
chilli in Thailand,» de 3rd International Science
Social Science Engineering and Energy
Conference, Udon Thani, 2012.
[6] S. Kulanthaisami, P. Subramanian, R. Mahendiran,
P. Venkatachalam y A. Sampathrajan, «Drying
Characteristics of Coconut in Solar Tunnel Dryer,»
Madras Agricultural Journal, vol. 96, pp. 265-269,
2009.
[7] M. M. Morad, M. A. El-Shazly, K. I. Wasfy y H. A.
El-Maghawry, «Thermal analysis and performance
evaluation of a solar tunnel greenhouse dryer for
drying peppermint plants.,» Renewable energy, vol.
101, pp. 992-1004, 2017.
[8] P. Maldonado y J. Perez, Plantas, Rionegro:
Univerdis, 2013.
17
1991. IDENTIFICACIÓN DE BARRERAS E INCENTIVOS PARA LA INTRODUCCIÓN DE
VEHÍCULOS ELÉCTRICOS EN EL MERCADO COLOMBIANO: LA CIUDAD DE MEDELLÍN
COMO CASO DE ESTUDIO
Estefanya Marín Tabares1, Carlos Andrés Rodríguez Toro 2, Sebastian Mazo García 3, Saúl Emilio Rivero Mejía 4
1Semillero de investigación en Ciencias Aplicadas, Facultad de Producción y Diseño, Institución Universitaria Pascual Bravo,
Colombia. Email: [email protected] 2Semillero de investigación en Ciencias Aplicadas, Facultad de Producción y Diseño, Institución Universitaria Pascual Bravo,
Colombia. Email: [email protected] 3Semillero de investigación en Ciencias Aplicadas, Facultad de Ingeniería, Institución Universitaria Pascual Bravo, Colombia. Email:
[email protected] 4Semillero de investigación en Ciencias Aplicadas, Facultad de Ingeniería, Institución Universitaria Pascual Bravo, Colombia. Email:
Resumen
Colombia dentro de los compromisos con la sostenibilidad ha adoptado los objetivos de Desarrollo Sostenible. Para que
las ciudades sean sostenibles deben enfocarse en 4 dimensiones, una de ellas es la ambiental. En el componente ambiental,
las ciudades deben promover el uso del transporte público, pero para el caso colombiano, el uso del transporte público ha
generado problemas ambientales dado que operan con combustibles fósiles. Una alternativa mundial y local han sido los
vehículos eléctricos, pero se ha visto que existen barreras para su masificación. Por lo anterior, en este artículo se
identifican algunas barreras e incentivos para esos vehículos, tomando como caso de estudio a la ciudad de Medellín.
Entre otras, se realizó una revisión de la literatura, pero también entrevistas con compradores para identificar los incentivos
y las barreras de mercado para la venta y servicios conexos. Se encontraron algunas barreras de tipo económico,
tecnológico y cultural.
Palabras clave: vehículos eléctricos; incentivos económicos; barreras económicas.
Abstract
Colombia has adopted all the objectives of Sustainable Development because it has a compromise with the sustainability.
For cities to be sustainable they must focus on 4 dimensions, one of them is the environmental one. In the environmental
component, cities must promote the use of public transport, but for the Colombian case, the use of public transport has
generated environmental problems since they operate with fossil fuels. A global and local alternative has been the use of
electric vehicles, but there have been barriers to their massification. Therefore, this article identifies some barriers and
incentives for these vehicles, taking as a case of study the city of Medellín. A review of the literature and interviews with
buyers, in order to identify incentives and market barriers for sale and related services, were carry out. Some economic,
technological and cultural barriers were found.
Keywords: electric vehicles; economic incentives; economic barriers.
1. Introducción
Colombia dentro de los compromisos con la
sostenibilidad ha adoptado los objetivos de Desarrollo
Sostenible enmarcados en la Agenda 2030. En ese
sentido, se promueven 28 metas para el cumplimiento de
objetivos de desarrollo sostenible teniendo en cuenta
aspectos ambientales, económicos y sociales [1]. Una
ciudad para que sea sostenible debe desarrollarse en
cuatro dimensiones. La primera dimensión es garantizar
la sostenibilidad ambiental y minimizar el cambio
climático, además, debe atender de buena forma los
recursos naturales. Así mismo, debe garantizar políticas
de mitigación de gases efecto invernadero y otras formas
de contaminación, procedentes en las fuentes fijas y en
las fuentes móviles.
La segunda dimensión hace referencia al desarrollo
urbano sostenible. Una ciudad sostenible debe controlar
su crecimiento y promover la accesibilidad de vivienda
digna a sus ciudadanos, además deberá promover el
transporte y la movilidad urbana sostenible.
18
Como tercera dimensión, tiene referente a
la sostenibilidad económica y social. En ese sentido, una
ciudad sostenible debe propender por un desarrollo
económico local y equitativo. Que garantice el
suministro de servicios sociales de calidad, así como la
promoción de unos niveles adecuados de seguridad
ciudadana.
Finalmente, se tiene la dimensión fiscal. Los gobiernos
locales en sus políticas de aplicación de mecanismos
garanticen un manejo equilibrado de los ingresos frente
al gasto público, el cumplimiento de pagos de sus deudas
y demás obligaciones fiscales [2].
De igual forma, otra de las características de las ciudades
sostenibles es que a través de sus políticas públicas se
garantice una mitigación de gases de efecto invernadero,
lo que implica que sus habitantes usen en mayor
proporción el transporte público [3] Si bien estimular el
uso del transporte masivo público mejora la movilidad,
el problema de contaminación ambiental no se resuelve.
Para hacer frente al tema de contaminación en el mundo,
se ha estimulado la introducción de vehículos eléctricos.
Para que se puedan vender y comprar vehículos
eléctricos es necesario la adopción de incentivos
tributarios para la oferta y la demanda. Los incentivos
tributarios son mecanismos de política fiscal utilizados
por la mayor parte de países para impulsar un
determinado sector industrial a través de exenciones o
exoneración de impuestos. De otro lado, los incentivos
no tributarios, no incluyen exoneración en impuestos,
sino la flexibilización en la aplicación de normas y
reglamentos [4].
Los estímulos tributarios son instrumentos que afectan
las estimaciones de costos y beneficios de las iniciativas
abiertas a los agentes económicos [5]. Los instrumentos
económicos puros modifican los precios, es una cosa de
sentido común; un instrumento económico básicamente
se encarga de premiar el buen comportamiento y castigar
el mal comportamiento [6]. Además de los incentivos
tributarios, para el caso del sostenimiento de un vehículo
se necesita también de una infraestructura tecnológica
adecuada, la cual va ligada a los servicios conexos de la
compra y venta del vehículo.
Teniendo en cuenta lo anterior, en este proyecto
identifican algunas barreras e incentivos para la
introducción de los vehículos electicos en el territorio
colombiano, en aspectos de tipo normativo, económico,
tecnológico y de percepción por parte de compradores
potenciales de automóviles.
2. Metodología
En este proyecto se realizó una investigación de tipo
exploratorio, dado que a la fecha el mercado de los
vehículos eléctricos en Colombia aun es incipiente y
además en el tema normativo y regulatorio aún hay
vacíos legales por atender por parte del gobierno
nacional y aspectos técnicos por reglamentar. Como
caso particular para el estudio, se tuvo en cuenta la
ciudad de Medellín. De otra parte, el estudio se enfocó
solamente en el mercado de vehículos eléctricos livianos
sin contar motocicletas y bicicletas.
Se realizó la siguiente estrategia: En primer lugar, se
efectuó una revisión del estado del arte para identificar
experiencias de otros países en materia de incentivos al
mercado de vehículos eléctricos y de servicios conexos.
Posteriormente se realizaron entrevistas a compradores
potenciales de vehículos directamente en algunos
concesionarios en la ciudad de Medellín, con el
propósito de sus percepciones frente al desempeño,
incentivos y barreras tecnológicas, económicas o
culturales de los vehículos eléctricos en Colombia y la
ciudad.
Finalmente, se entrevistó a un ingeniero mecánico
experto en reconversión de vehículos convencionales a
eléctricos, para determinar las ventajas y desventajas de
reconversión de un vehículo convencional a eléctrico, en
aspectos tales como desempeño, costos de sostenimiento
y de mantenimiento del vehículo.
3. Resultados
3.1. Mercado de carros eléctricos en Colombia
Según la Asociación de Movilidad Sostenible
(Andemos), los autos convencionales más vendidos en
Colombia durante el año 2018 fueron en su orden:
Chevrolet (49,916 unidades); Renault (49,741), Nissan
(23,190), Mazda (21,520) y Kia (21,013). Para el caso
particular de los vehículos eléctricos se vendieron 932
carros eléctricos e híbridos, en donde la marca BMW se
consolida como la marca con mayor número de carros
vendidos con un total de 285 unidades, seguida de
Renault que vendió 220 y Kia con 183 vehículos con
estas características [7].
De otra parte, en la tabla 1 se muestran los precios y las
características técnicas de algunos de los vehículos
eléctricos ofertados en el mercado colombiano.
19
Tabla 1. Marcas y características técnicas de los
automóviles más vendidos en el mercado
colombiano.
Marca Potencia
(HP)
Autonomía
(km)
Tiempo
de
recarga
(h)
Precio de
venta ($)
BMW I3 170 250 4,5 164,900,000
BYD e5 121 300 6 100,000,000
BYD e6 121 400 8 150,000,000
Hyundai Ioniq 118 250 4 91,000,000
Kia Soul EV 110 250 5 129,000,000
Mitsubishi i-Miev 67 160 8 89,900,000
Nissan Leaf 109 175 6,5 110,000,000
Renault Kangoo
Z.E
60 170 6,5 84,990,000
Renault Twizy 17 80 3,5 39,990,000
Renault Zoe 92 300 6,5 99,990,000
Fuente: elaboración propia con base en información
observada en la página web www.carroya.com en octubre de
2018.
De acuerdo a la tabla 1, se observa que exceptuando el
Renault Twizy, el precio del vehículo más barato está
por encima de los 84 millones de peso, aspecto que
evidentemente ha limitado el aumento en las ventas de
estos vehículos. De otro lado el costo de importación de
un vehículo híbrido (motor de combustible y eléctrico)
es tres veces superior al de un carro convencional,
mientras que la tecnología híbrida eléctrica enchufable
(motor eléctrico y de combustibles, más baterías) es
cuatro veces más alta y el valor de un vehículo eléctrico
puro puede ser hasta cinco veces más alto que el de uno
tradicional [8].
3.2. Incentivos en el mercado de vehículos
eléctricos en algunos países de Latinoamérica y del
mundo
Los principales incentivos de política para cautivar
clientes de vehículos eléctricos (EV) son tres: subsidios
directos, incentivos fiscales y ahorro en los costos de
combustible. Los incentivos fiscales se usan para la
reducción de impuestos en la compra de un EV. El
ahorro de costos de la energía, anima a los usuarios de
vehículos eléctricos a conducir su automóvil, lo que
reduce el costo de energía de carga [9]
La tabla 2 muestra la estructura tributaria para el
mercado de vehículos tanto con motor de combustión
interna (ICEV) como vehículos eléctricos (EV) en
algunos países de Latinoamérica.
Tabla 2. Estructura tributaria para los vehículos
eléctricos en seis países latinoamericanos
País Impuesto Impuesto
al importe
Valor
agregado Otro
Total
(suma)
Argentina ICEV 0.5% 41% 8.5% 50%
EV 35.5% 41% 58.5% 135%
Brasil ICEV 0% 43% 11.6% 54.6%
EV 35% 43% 11.6% 89.6%
Chile ICEV 6% 19% 0% 25%
EV 6% 19% 0% 25%
Colombia ICEV 35% 16% 8% 59%
EV 35% 16% 0% 51%
México ICEV 0% 16% 4% 20%
EV 0% 16% 0% 16%
Perú ICEV 9% 17% 37% 63%
EV 9% 17% 37% 63%
Fuente: Frost y Sullivan, 2015
De la tabla 2 se observa que el país con impuestos más
elevados para la compra de un vehículo eléctrico es
Argentina. Colombia dentro del grupo de esos seis
países, tiene unos impuestos de orden intermedio.
La tabla 3 compara el precio final de un vehículo
eléctrico de marca BMW de referencia i3, alimentado
por una batería eléctrica de 94 Ah, la cual permite una
autonomía de aproximadamente 200 km.
Tabla 3 Precio final de un vehículo BMW i3
País Precio en dólares americano (USD)
Argentina 43,900
Brasil 51,987
Chile 56,985
México 46,635
Perú 43,889
Colombia 53,400
Fuente: elaboración propia.
En Colombia el proyecto de ley para los incentivos de
compra y uso de los vehículos eléctricos está a punto de
estar aprobado solo falta ser sancionada por el presidente
de la República. Esta Ley deberá quedar aprobada de
manera definitiva antes de finalizar la presente
legislatura, de acuerdo con los compromisos obtenidos
sobre el cambio climático de reducir las emisiones
contaminantes y al Acuerdo de París. Una vez la ley
entre en vigencia, las tarifas de impuestos no podrán
superar el 1% del valor comercial de un vehículo
eléctrico. Por parte de los ministerios de Transporte y de
Ambiente tendrán seis meses de plazo para fijar los
lineamientos y costos de la revisión técnico mecánica,
también reglamentar la identificación de parqueaderos
por color y logotipo. De igual forma el Ministro de
Vivienda garantice que los edificios de uso residencial,
comercial o en construcción deberán contar con una
acometida de electricidad para recarga de vehículos
eléctricos.
En los municipios y departamentos se deberá promover
y ofertar la adopción de incentivos económicos para
impulsar la movilidad eléctrica, tales como descuentos
en la matrícula, en impuestos y en tarifas de
parqueaderos, entre otras. Asimismo, el propietario del
vehículo eléctrico tendrá a disposición el 2% del total de
plazas de estacionamientos en centros comerciales y
20
entidades públicas. Según lo aprobado por el Congreso,
dentro de los tres años siguientes a la entrada en vigencia
de la Ley todas las entidades oficiales que hagan parte
del Gobierno Nacional deberán cumplir con una cuota
mínima del 30 por ciento de vehículos eléctricos que
cada año sean comprados o contratados para su uso [10].
3.3. Resultados de la encuesta de percepción de
compradores de vehículos en la ciudad de Medellín
Durante el mes de febrero del 2019 se realizó una
encuesta a 74 compradores potenciales de vehículos en
la ciudad de Medellín, los cuales se encontraban en
algunos concesionarios de venta de vehículos de la
ciudad. La encuesta tenía como propósito conocer sus
percepciones frente al desempeño, incentivos y barreras
tecnológicas, económicas o culturales de los vehículos
eléctricos en Colombia y la ciudad.
La encuesta constaba de 7 preguntas y se diseñó de
acuerdo a la escala de Likert con 5 alternativas. Se tienen
los siguientes resultados:
Primera pregunta: ¿Estaría usted dispuesto a
comprar un vehículo hibrido o eléctrico?
El 78,4% de los encuestados respondió estar muy de
acuerdo (MD) o de acuerdo (DA) comprar un vehículo
eléctrico, el 17,6% se manifestó estar indeciso, mientras
que el 4,1% respondió estar en desacuerdo (ED) o muy
en desacuerdo (MED) en comprar un vehículo eléctrico
o hibrido.
Figura 2. Respuestas a la primera pregunta.
Segunda pregunta: ¿Considera que el incremento en
el valor de la gasolina incentivará la compra de
vehículos eléctricos?
El 64,9% de las personas encuestadas respondió estar
muy de acuerdo (MD) o de acuerdo (DA) con el
incremento de la gasolina como un incentivo para la
compra de un vehículo eléctrico, el 18,9% manifestó
estar indeciso frente a esa medida, mientras que el 16,2%
de los encuestados manifestó estar en desacuerdo (ED)
o muy en desacuerdo (MED).
Figura 3. Respuestas a la segunda pregunta.
Tercera pregunta: A la hora de comprar un vehículo,
¿Estaría usted dispuesto a pagar más dinero por un
vehículo eléctrico sabiendo que estos son más
amigables con el ambiente comparativamente
hablando frente a un vehículo convencional?
El 68,9% de las personas encuestadas, respondió estar
muy de acuerdo (MD) o de acuerdo (DA) en pagar más
dinero para comprar un vehículo electico o hibrido, el
13,5% se manifestó indeciso y el 17,6% afirmó estar en
desacuerdo (ED) o muy en desacuerdo (MED).
Figura 4. Respuestas a la tercera pregunta.
Cuarta pregunta: ¿Cree usted que el mayor
inconveniente que tiene un vehículo eléctrico es la
autonomía o la duración de la batería?
El 67,6% de las personas encuestadas respondió estar
muy de acuerdo (MD) o de acuerdo (DA) que el mayor
inconveniente de un vehículo eléctrico es la autonomía
y duración de la batería, mientras el 18,9% se manifestó
indeciso y el 13,5% respondió estar desacuerdo(ED) o
muy en desacuerdo (MED) frente a ese inconveniente.
Figura 5. Respuestas a la cuarta pregunta.
78.4 %
4.1 %17.6 %
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
MD y DA ED y MED Indeciso
64.9 %
16.2 % 18.9 %
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
MD y DA ED y MED Indeciso
68.9 %
17.6 % 13.5 %
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
MD y DA ED y MED Indeciso
67.6 %
13.5 %18.9 %
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
MD y DA ED y MED Indeciso
21
Quinta pregunta: ¿Considera usted que la
infraestructura actual del país y las iniciativas del
gobierno son suficientes para incentivar la compra de
vehículos eléctricos?
El 27,0% de los encuestados manifestó estar muy de
acuerdo (MD) o de acuerdo (DA) en que la
infraestructura del país y las iniciativas del gobierno son
suficientes para incentivar la compra de vehículos
eléctricos, mientras que el 16,2% se mostró indeciso y el
56,8% restante respondió estar en desacuerdo o muy en
desacuerdo con la pregunta.
Figura 6. Respuestas a la quinta pregunta.
Sexta pregunta: ¿Cree usted que para la compra de
carros híbridos o eléctricos el estado debe otorgar
algún tipo de incentivo?
El 86,5% de los encuestados respondió estar muy de
acuerdo (MD) o de acuerdo (DA) con que el gobierno
otorgue algún tipo de incentivo para la compra de estos
vehículos, mientras que el 8,1% se mostró indeciso y el
5,4% respondió estar en desacuerdo (ED) o muy en
desacuerdo (MED).
Figura 7. Respuestas a la sexta pregunta.
Séptima pregunta: ¿Cree usted que los vehículos
eléctricos poseen un desempeño mecánico inferior
respecto a los vehículos convencionales?
El 40,5% de las personas encuestadas respondió estar
muy de acuerdo (MD) o de acuerdo (DA) en que los
vehículos eléctricos poseen un desempeño mecánico
inferior a un vehículo convencional. Contrariamente, un
20,3% se mostró indeciso y el 39,2% manifestó estar en
desacuerdo (ED) o muy en desacuerdo (MED).
Figura 8. Respuestas a la séptima pregunta.
4. Discusión y Conclusiones
En Colombia el año pasado se vendieron 932 carros
eléctricos e híbridos, una cifra que si bien es muy
pequeña si se compara con las ventas totales del sector
que superaron las 256,000 unidades; evidencia un
crecimiento significativo frente al dato de 2017, cuando
solamente se vendieron 196 unidades. Para el caso de la
ciudad de Medellín, hay matriculados alrededor de 350
carros eléctricos, y además hay instaladas por toda la
ciudad 19 puntos de cargas.
Por otra parte, a pesar del interés de los compradores
potenciales en adquirir un vehículo eléctrico, las ventas
de este tipo de autos comparadas con las ventas de un
vehículo convencional siguen siendo muy bajas, lo que
indica que efectivamente existen unas barreras que se
deben superar como lo es la necesidad de contar con
incentivos tributarios y no tributarios y en lo posible
diferenciados para que los propietarios de vehículos con
más de 10 años de antigüedad puedan adquirir un
vehículo nuevo eléctrico o híbrido. Similarmente, el
ingeniero experto expresó que es necesario que el estado
debe otorgar incentivos tributarios y no tributarios para
que cada vez más personas compren vehículos
eléctricos. Además, se mostró en desacuerdo que un
incentivo para la venta de vehículos eléctricos sea
aumentar el precio de la gasolina.
De acuerdo a lo manifestado por las personas
encuestadas si bien respondieron estar de acuerdo o muy
de acuerdo en pagar más dinero por un auto eléctrico, el
precio sigue siendo un obstáculo difícil de soslayar. El
precio de un vehículo eléctrico de condiciones similares
a un vehículo convencional cuesta hasta 3 veces más. De
otra parte, el ingeniero experto expresó estar de acuerdo
en que transformar un vehículo convencional a eléctrico
es más económico que comprar un vehículo eléctrico
nuevo.
Quizás una de las desventajas que tiene un vehículo
eléctrico frente a un vehículo convencional, es su
27.0 %
56.8 %
16.2 %
0.0
20.0
40.0
60.0
MD y DA ED y MED Indeciso
86.5 %
5.4 % 8.1 %
0.0
20.0
40.0
60.0
80.0
100.0
MD y DA ED y MED Indeciso
40.5 % 39.2 %
20.3 %
0.0
10.0
20.0
30.0
40.0
50.0
MD y DA ED y MED Indeciso
22
autonomía. Prácticamente el vehículo eléctrico para la
ciudad de Medellín debe utilizarse a nivel urbano, ya que
la ciudad más cercana que es Manizales está ubicada a
más de 200 km. Igualmente ocurre con el tiempo de
carga de la batería, ya que el tiempo mínimo requerido
por los vehículos que se distribuyen en el mercado
colombiano necesitan de al menos 3.5 horas.
Por otro lado, es evidente que la infraestructura
tecnológica de la ciudad de Medellín y del país
relacionada con estaciones de carga está concentrada en
algunos barrios o centros comerciales, es decir, hay
muchos sectores de la ciudad de Medellín que carecen
de infraestructura tecnológica para futuros o potenciales
compradores de vehículos eléctricos. El ingeniero
experto manifestó estar de acuerdo en que la
infraestructura tecnológica del país es insuficiente para
la entrada de más vehículos eléctricos.
Quizás una de las grandes ventajas que tiene el vehículo
eléctrico es el ahorro en costos energéticos, ya que
cargar el vehículo eléctrico puede llegar a ser hasta un
75% más económico que tanquear un vehículo
tradicional. Por ejemplo, un vehículo a gasolina para una
persona requiere aproximadamente US 32 semanales,
mientras que un vehículo eléctrico de características
similares solo requiere de aproximadamente US 9 para
desplazamientos similares. De otra parte, el ingeniero
experto manifestó en que las tareas de mantenimiento de
un vehículo eléctrico son más baratas que las de
mantenimiento de un vehículo convencional.
Asimismo, aprecia que los compradores potenciales
creen que el desempeño mecánico de un vehículo
eléctrico es inferior al de un vehículo convencional de
similares características. La ciudad de Medellín está
construida en una zona montañosa y por tanto para que
un usuario de vehículo se desplace de forma tranquila
necesita de un vehículo con un buen torque. De otra
parte, contrario a lo manifestado por las personas
encuestadas, el ingeniero se mostró en desacuerdo frente
al hecho de creer que un vehículo eléctrico presenta un
desempeño inferior comparativamente frente a un
vehículo convencional. Asimismo, manifestó el
ingeniero estar de acuerdo en que los vehículos
eléctricos que se venden en el mercado colombiano son
acordes con la topografía del país.
Igualmente, se tiene como una barrera en el país, la poca
oferta de servicios conexos para los vehículos eléctricos,
como por ejemplo la existencia de talleres
especializados con mano de obra calificada para realizar
tareas de mantenimiento en estos vehículos. Asimismo,
desde el punto de vista normativo aún no se ha
actualizado en materia de pruebas y ensayos cuales son
las de estricto cumplimiento para los vehículos
eléctricos. Asimismo, la venta de repuestos sigue siendo
limitada dada la escasa oferta de empresas proveedoras
de partes e insumos. De otra parte, el ingeniero experto
manifestó estar de acuerdo que una barrera actual que
hay en el mercado, es la escases de trabajadores
calificados para realizar tareas de mantenimiento en
automóviles eléctricos.
1. Referencias
[1] Ministerio de Ambiente y Desarrollo
Sostenible, «Minambiente,» [En línea]. Available:
http://www.minambiente.gov.co/index.php/noticias/36
79-estos-son-los-compromisos-ambientales-de-
colombia-en-los-objetivos-de-desarrollo-sostenible.
[Último acceso: 11 Junio 2019].
[2] Green area, «¿Qué es una Ciudad Sostenible?,»
23 Junio 2015. [En línea]. Available:
http://greenarea.me/es/91814/que-es-una-ciudad-
sostenible/. [Último acceso: 4 Agosto 2018].
[3] Findeter, «¿Qué es una Ciudad Sostenible?,»
[En línea]. Available:
https://www.findeter.gov.co/publicaciones/300613/_qu
e_es_una_ciudad_sostenible/. [Último acceso: 5 Marzo
2019].
[4] J. Gómez, C. Mojica, V. Kaul y L. Isla, «La
incorporación de vehículos eléctricos en América
Latina,» [En línea]. Available:
https://publications.iadb.org/es/publicacion/17165/la-
incorporacion-de-los-vehiculos-electricos-en-america-
latina.
[5] N. Borregaard, «Instrumentos económicos en
la política ambiebtal,» Ambiente y Desarrollo, vol. XIII,
nº 3, pp. 6-12, 1997.
[6] S. Silva y F. Correa, «Los instrumentos
económicos como incentivos a la internalización de
costos ambientales en empresas floricultoras,» [En
línea]. Available:
http://rcientificas.uninorte.edu.co/index.php/pensamien
to/article/view/1967/4976. [Último acceso: 3 Marzo
2019].
[7] Andemos, «Cifras y estadisticas,» [En línea].
Available: https://www.andemos.org/. [Último acceso:
10 Octubre 2018].
[8] Revista Semana, «Subió la venta de vehículos
eléctricos e híbridos en Colombia durante 2018,» [En
línea]. Available:
https://sostenibilidad.semana.com/negocios-
verdes/articulo/subio-la-venta-de-vehiculos-electricos-
e-hibridos-en-colombia-durante-2018/42618. [Último
acceso: 17 Febrero 2018].
[9] M. Longo, D. Zaninelli, F. Viola, P. Romano y
R. MIceli, «How is the spread of the Electric Vehicles?,»
de IEEE 1st International Forum on Research and
Technologies for Society and Industry Leveraging a
better tomorrow (RTSI), Turín, 2015.
[10] El Tiempo, «Conozca los incentivos que vienen
para comprar carros eléctricos,» [En línea]. Available:
https://www.eltiempo.com/economia/sectores/aprueban
-incentivos-en-el-congreso-para-uso-de-vehiculos-
electricos-372708. [Último acceso: 11 Junio 2019].
23
2242. MODELADO MULTICUERPO DE UN ROBOT PARA DETERMINACIÓN DE SU PRECISIÓN
DE TRABAJO
MULTIBODY MODELLING OF A ROBOT TO DETERMINE ITS WORKING PRECISION
Eugenio Ferreras-Higuero1, Erardo Leal-Muñoz 2, Miguel Clavijo 2, Antonio Vizán 2
Departamento de Ingeniería Mecánica.
Universidad Politécnica de Madrid.
C/ José Gutiérrez Abascal, 2, 28006, Madrid, España [email protected]
Resumen
Este trabajo mejora la productividad de las células de fabricación mediante la reasignación de tareas de taladrado entre las
máquinas herramientas y los robots industriales que lo componen, sustituyendo la pinza de manipulación por un husillo.
Se establece la verdadera capacidad de trabajo del robot modelando su comportamiento, empleando el método multicuerpo
y considerando articulaciones no rígidas. Se identifica el proceso de mecanizado estimando las fuerzas de corte y la
precisión de trabajo, mediante un conjunto de ensayos ANOVA. Se relacionan las variables de salida del proceso con las
condiciones de corte. Los ensayos de verificación se han realizado sobre una célula que fabrica piezas inyectadas de
aluminio. Los resultados obtenidos confirman el método y su capacidad para realizar cualquier operación. Las
características del propio proceso y la zona de trabajo donde esté actuando el robot tienen una influencia significativa en
la precisión final del mecanizado.
Palabras clave: ANOVA, posición, robot, sistema multicuerpo, taladrado.
Abstract
This work improves the productivity of the manufacturing cells by reallocating drilling tasks between the machining
centers and the industrial robots that compose it, replacing the handling gripper with a motor spindle. The real working
capacity of the robot is established by modelling its behavior, using the multibody method and considering non-rigid
joints. The machining process is identified by estimating the cutting forces and the working precision, by means of a set
of ANOVA tests. The output variables of the process are related to the cutting conditions. The verification tests have been
carried out on a cell that manufactures injected pieces of aluminum. The results obtained confirm the method and its
feasibility to perform any operation. The features of the process itself and the working area where the robot is acting have
a significant influence on the final machining precision.
Keywords: ANOVA, position, robot, multibody system, drilling.
1. Introducción
El rango de posibilidades y expectativas para
aplicaciones con robots, específicamente para tareas de
mecanizados y pre-mecanizados, se refleja en la amplia
colección de reseñas y trabajos que existen en la
literatura especializada.
Sin embargo, todo este interés choca con una falta de
metodología reconocida que determine el rendimiento
del mecanizado con robots. Algunos autores han
intentado llenar ese hueco, proponiendo una
metodología estructurada [1]. La realidad es que hasta la
fecha no se está aplicando y no es posible identificar si
un robot industrial es adecuado para tareas de
mecanizado, así como sus límites. En términos
prácticos, qué grado de tolerancias dimensionales o
geométricas (y en qué condiciones) se puede alcanzar.
24
Las células de mecanizado automatizadas formadas por
centros de mecanizado y robots, están hoy ampliamente
extendidas en las piezas de aluminio fundido. Las
inversiones son notables y los robots son sólo utilizados
para manipulación de material y carga y descarga de las
máquinas. Una mejora en la producción de la célula
pasaría por una reasignación de las operaciones en las
que los robots pueden tomar parte directamente en
algunas de ellas, en lugar de ser los centros de
mecanizado como hasta ahora.
Si las operaciones reasignadas pueden ser llevadas a
cabo adecuadamente por un robot dentro de
especificaciones de producto, desde el punto de vista
tecnológico, se pueden relocalizar operaciones desde los
centros de mecanizado a los robots. Por lo tanto, el
tiempo de ciclo del conjunto de la célula se reducirá.
Para que esto ocurra, ha de tenerse la certeza de que el
robot es capaz de desempeñar esas operaciones dentro
de especificaciones.
Se necesita confirmar si el robot es capaz de realizar
nuevas tareas, siempre que se requiera relocalizarlas en
cualquier célula, en cualquier pieza, en cualquier
momento. El único modo de evitar pruebas costosas -en
ocasiones no posibles de realizar- es a través de un
modelo. Por este motivo se ha desarrollado un modelo
de robot, utilizando el método multicuerpo. Como
resultado de esta aplicación, se calcula la desviación y
se comprueba si las especificaciones de plano son
factibles (de forma general, la tolerancia de posición).
En operaciones de fresado con robots, los estudiosos se
concentran en los resultados relativos a desviaciones de
trayectoria y rugosidad. Los estudios con rugosidad se
han llevado a cabo con piezas de aleación de titanio y
CFRP con modelos geométricos, comparándolos con
resultados experimentales [2]. Un modelo basado en
sistemas multicuerpo con formulación Denavit-
Hanterberg y articulaciones flexibles ha sido aplicado
para predecir desviaciones en trayectorias al fresar. Las
articulaciones se han modelado como flexibles
añadiendo articulaciones de tipo muelle y
amortiguamiento [3]. El modelo proporciona buenos
resultados comparado con los valores experimentales
cuando es alimentado con las fuerzas medidas. No se ha
hecho un análisis de la precisión, sólo se ha estimado la
desviación entre los valores teóricos de la cinemática y
los valores calculados con los nuevos ángulos después
de calcular la dinámica inversa sin lazo cerrado.
También con métodos multicuerpo se ha empleado la
dinámica inversa para modelar robots de cinemática
paralela, introduciendo la flexibilidad tanto en eslabones
como en articulaciones, comparando los resultados
obtenidos con resultados experimentales la desviación al
introducir las fuerzas y pares de fresado medidas [4].
Otras investigaciones aplican métodos multicuerpo para
comprobar la fiabilidad de otras metodologías como los
métodos de trabajos virtuales para obtener modelos de
dinámica inversa [5].
Para operaciones de taladrado, el ángulo de desviación
del eje de la herramienta, la perpendicularidad y la
desviación de posición del agujero son los factores más
evaluados. La calidad de un determinado agujero para
taladrar, en términos de ángulo de desviación, puede ser
obtenida sin elementos adicionales, a través de métodos
de optimización como el coeficiente de rendimiento de
rigidez [6], basado en la derivada del modelo de la
matriz de flexibilidad [7].
Sobre la perpendicularidad, las mejoras se basan en
técnicas de guiado por láser [8], algunas de ellas
combinadas con modelos geométricos [9]. Utilizando
sistemas de monitorización con multisensores en la
unidad de taladrado del efector, es posible evaluar la
desviación de posición [8]. Con la intención de
minimizar el uso de costosos elementos, a veces sin
posibilidad de aplicación inmediata fuera del ámbito del
laboratorio, algunos investigadores combinan un
enfoque del control de la posición mejorada, funciones
de control de la flexibilidad optimizadas y nuevos
diseños de herramientas de corte específicas para
taladrado y fresado con robots industriales estándares.
[10].
La configuración del robot es un tema ampliamente
evaluado. El uso de índices basados en la rigidez es un
enfoque recurrente empleado para optimizar la postura
de taladrado con el fin de evitar dispositivos adicionales
al sistema robot [11]. Similar metodología se emplea
para el fresado [7], [12], [13]. Desafortunadamente, hay
algunas desventajas prácticas. No hay predicción de qué
resultados pueden conseguirse al taladrar un punto dado
en relación a tolerancias dimensionales o geométricas
típicas (por ejemplo, tolerancia de posición). Además,
no se ha establecido una relación directa entre los
parámetros de mecanizado y las fuerzas y pares a
introducir en el modelo del robot.
Las operaciones de taladrado son las más habituales que
pueden hacerse con el robot como puede apreciarse en
la Figura 9 y por ello, la posibilidad que se abre de
mejorar la productividad en las células.
Se ha seleccionado el método de los sistemas
multicuerpo con formulación de coordenadas naturales
mixtas. Este método fue desarrollado por García de
Jalón [14]. Da ventajas significativas con respecto a
Denavit-Hartenberg (D-H) basado en métodos
multicuerpo ([3], [15]). D-H genera un gran número de
25
ecuaciones y el resultado es difícil de entender. Para
cada posición se hace preciso interpretar su significado
físico.
Figura 9. Distribución de operaciones de mecanizado en
células flexibles del sector de automoción.
La formulación elegida de coordenadas naturales mixtas
emplea puntos y vectores unitarios para definir la
posición de los diferentes cuerpos, permitiendo
compartirlos cuando es necesario para definir los pares
cinemáticos, reduciendo al mismo tiempo el número de
variables. Las incógnitas son intuitivas, con ecuaciones
de restricción muy simples y reduciendo
significativamente el número de ecuaciones e
incógnitas.
Los algoritmos, las simulaciones y la obtención de
resultados ha sido programada por medio de Matlab. El
comportamiento de las articulaciones es relevante
cuando el robot está mecanizando. Éste está sometido a
cargas adicionales a las de tipo de peso de piezas. Los
eslabones pueden ser considerados con rigidez infinita.
Las frecuencias naturales del robot han sido
comprobadas para confirmar este comportamiento.
Debe tenerse en cuenta que, aunque los sistemas
multicuerpo estándar consideran las articulaciones como
sólidos rígidos (SR), se añade como novedad en esta
aplicación del método multicuerpo el comportamiento
no rígido de las articulaciones, e incluso que dicho
comportamiento va a ser dependiente de la
configuración del robot debido a las características de
los mecanismos de transmisión de las articulaciones.
Por lo tanto, para realizar un modelo predictivo de la
precisión de posicionamiento de trabajo del robot, ha de
encontrarse cuál es el comportamiento de las
articulaciones. Para ello, se define el parámetro φ que
recoge la rigidez angular k de tal manera que, en caso de
variaciones en el par como consecuencia de las fuerzas
que se producen en el proceso, esta deformación y su
efecto en la punta del robot pueden ser conocidos. El
esquema del modelo que se propone se aprecia en
Figura 10.
Figura 10. Modelo para el sistema de taladrado del robot.
Como las deformaciones principales se sitúan en las
articulaciones (en comparación con la rigidez de los
eslabones), la dirección de las fuerzas y pares que se
desarrollarán durante la ejecución del mecanizado
aplicado tienen una influencia relevante, al igual que la
configuración del robot.
2. Modelo del robot
La tolerancia de posición del agujero es la especificación
más importante, estando afectada por el comportamiento
del robot y por el de la herramienta. Para poder integrar
las fuerzas y pares de mecanizado en un robot y conocer
su respuesta en diferentes configuraciones en términos
de desviación de posición del TCP ante
comportamientos dinámicos, es preciso realizar un
modelo de robot que permita estimar dichas
desviaciones de posición con precisión. Para ello, se ha
empleado el método multicuerpo con formulación de
coordenadas mixtas.
La desviación de posición del robot δrobot es la diferencia
entre el movimiento nominal del TCP y su posición real
(ecuación (1)).
𝜹𝒓𝒐𝒃𝒐𝒕 = 𝒒𝑇𝐶𝑃 − 𝒒𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑇𝐶𝑃 (1)
Esta diferencia es provocada por las desviaciones en el
posicionamiento del robot y por las desviaciones
provocadas por deformaciones del robot debidas a las
fuerzas y pares generadas durante el proceso que esté
realizando. El cálculo de la estimación de esta
desviación se puede hacer a través de la simulación del
comportamiento del robot, determinando la desviación
como diferencia entre lo nominal y lo simulado
(ecuación (2)).
26
𝜹𝒓𝒐𝒃𝒐𝒕 = 𝒒𝑇𝐶𝑃 − 𝒒𝑠𝑖𝑚
𝑇𝐶𝑃 (2)
La posición q para todos los puntos y vectores del robot
(ver Figura 11) es modelada mediante el método
multicuerpo con coordenadas naturales mixtas. La
formulación con coordenadas naturales mixtas
(combinación de coordenadas naturales puras y
relativas) permite aplicar fuerzas motrices, momentos y
evaluar errores de posicionamiento en cada uno de los
eslabones. De esta manera es posible relacionar
directamente la respuesta angular del movimiento del
eslabón con su correspondiente accionamiento.
Con las coordenadas naturales mixtas se evita la
necesidad de resolver la aparición de singularidades
cuando dos eslabones consecutivos tienen una posición
angular relativa de 0º o 180º y realizar un elevado
número de iteraciones en el cálculo de las coordenadas
finales para conseguir una precisión adecuada del punto
final del robot.
Figura 11. Modelo multicuerpo del robot con coordenadas
naturales mixtas.
El movimiento del robot se logra con una trayectoria
generada por un conjunto de puntos discretos para cada
posición programada del robot a través de posiciones
maestras. Las coordenadas independientes que definen
cada posición del robot son sus ángulos (coordenadas
relativas).
Todas las posiciones del robot deben cumplir las
ecuaciones de restricción no lineal para cada instante t:
𝚽(𝒒𝑠𝑖𝑚 , 𝑡) = 0 (3)
La matriz recoge, en forma de productos vectoriales y
escalares, toda la información necesaria para cumplir las
condiciones geométricas del robot y las interacciones
entre sus diferentes elementos, garantizando el
movimiento como sólido rígido de cada cuerpo que
conforma el robot en cualquier instante de tiempo.
Los eslabones del robot se definen con las coordenadas
naturales (coordenadas cartesianas) de, al menos, dos
puntos del robot. Las restricciones utilizadas para definir
las coordenadas naturales son: la longitud de cada
eslabón definido como una constante geométrica
(ecuación (4)), módulo constante de los vectores
unitarios no fijos (ecuación (5)), ángulo constante entre
vectores unitarios y eslabones (ecuación (6)), y entre
vectores unitarios (ecuación (7)).
(𝒓𝑖 − 𝒓𝑗)𝑇 · (𝒓𝑖 − 𝒓𝑗) − 𝐿𝑖𝑗
2 = 0 (4)
𝒖𝑖𝑇 · 𝒖𝑖 − 1 = 0 (5)
𝒖𝑘𝑇 · (𝒓𝑗 − 𝒓𝑗) − 𝐿𝑖𝑗 · cos(𝜓𝑖) = 0 (6)
𝒖𝑖𝑇 · 𝒖𝑗 − cos(𝜓𝑖) = 0 (7)
Las coordenadas relativas se emplean para establecer la
posición relativa entre eslabones. Las restricciones se
definen como productos vectoriales, teniendo en cuenta
que los cosenos no deben superar el valor de 0,8, y como
productos escalares para el resto de situaciones.
Resolviendo el problema cinemático mediante el
sistema de ecuaciones restricción (ecuación (3)), se
calculan las coordenadas del desplazamiento del TCP
del robot qTCPsim para cada configuración de la
trayectoria.
El vector completo de las coordenadas del robot es:
𝒒𝑠𝑖𝑚 = {
𝒒𝑠𝑖𝑚𝑑−𝑇𝐶𝑃
𝒒𝑠𝑖𝑚𝑇𝐶𝑃
𝒒𝑠𝑖𝑚𝑖
} (8)
Correspondiéndose las coordenadas independientes qi
con las coordenadas relativas (ángulos Ψ). Para calcular
los valores de los ángulos es necesario resolver el
problema dinámico directo. Las articulaciones del robot
tienen unos mecanismos que experimentan
deformaciones angulares, por lo que hay que considerar
que no son rígidas.
27
Se propone una nueva formulación de los ángulos de
giro que se simulan Ψsim (ver ecuación (9)) que
dependen de los ángulos de giro teórico Ψ, y de un
nuevo término φ. Este término recoge el
comportamiento de la rigidez angular de cada una de las
articulaciones, caracterizada por el parámetro k y
propiciada por la transmisión de la articulación, y
relaciona los pares τ que cada motor produce en su
articulación con la rigidez angular k (ver ecuación (10)).
El signo negativo explica la dirección de los pares de
mecanizado, contrarios a los pares motores.
𝝍𝑠𝑖𝑚 = 𝝍+ 𝝋 (9)
𝝋 = −𝝉
𝒌 (10)
La posición de todos los elementos del robot qsim es
corregida de la siguiente manera:
𝒒𝑠𝑖𝑚 = {
𝒒𝑠𝑖𝑚𝑑−𝑇𝐶𝑃
𝒒𝑠𝑖𝑚𝑇𝐶𝑃
𝝍 + 𝝋
} (11)
Para ello, es necesario conocer en cada configuración los
ángulos nominales Ψ de cada articulación, lo cual se
calcula resolviendo el problema cinemático a través de
las ecuaciones de restricción no lineales para las
coordenadas nominales mixtas qsim,
𝚽(𝒒, 𝑡) = 0 (12)
Obteniendo la posición nominal de todos los elementos
q, incluyendo las variables nominales independientes Ψ.
𝒒𝑠𝑖𝑚 = {
𝒒𝑑−𝑇𝐶𝑃
𝒒𝑇𝐶𝑃
𝝍
} (13)
Los datos geométricos del robot, necesarios en las
relaciones de restricción, se toman según valores del
fabricante. Es necesario conocer la rigidez y los pares
motores τ en cada posición para cada articulación,
caracterizada experimentalmente. Se considera que la
rigidez fundamental es alrededor del eje de giro. Cada
articulación es modelada con un único muelle de torsión
ki de rigidez constante (1-GDL). No se tiene en cuenta
ningún amortiguador ya que la influencia de las
velocidades es considerada como no relevante, por las
condiciones de funcionamiento y por el propio
comportamiento de las articulaciones que no son
amortiguadores.
La rigidez se obtiene experimentalmente. El
procedimiento considera aplicar diferentes cargas en
diferentes direcciones en el TCP, para excitar el par
deseado. Para saber cuáles son los pares τi que los
motores producen en cada articulación, se necesita
resolver el problema dinámico inverso, empleándose el
método de potencias virtuales (ver ecuación (14)).
𝝉 = 𝑹𝑇𝑰𝒏𝑹�̈� − 𝑹𝑇𝑰𝒏𝑺𝒄 − 𝑹𝑇𝑸− 𝝉𝑑𝑟𝑖𝑙𝑙 (14)
La rigidez en las articulaciones introduce una desviación
en los ángulos de la articulación. Esta desviación se
añade al ángulo que fue previamente calculado a través
del problema cinemático. Puede ser significativa y se
corrige con el control de posición del robot. Este hecho
es el que se resuelve introduciendo una ganancia Kpos
ajustada al error en las posiciones de las coordenadas
relativas. Por lo tanto, esta ganancia se determina para el
conjunto de los ejes del robot, corriendo el modelo
dinámico y casando los valores calculados con las
desviaciones obtenidas experimentalmente en el
extremo del robot.
Operando con el modelo dinámico directo se obtienen
las aceleraciones angulares corregidas de las
articulaciones �̈� + Δ�̈�𝐾𝑝𝑜𝑠 (ecuación (15)). Aplicando
métodos de integración tipo ODE, se calculan los
ángulos y sus correcciones debidas a la ganancia 𝝍+Δ𝝍𝐾𝑝𝑜𝑠 en cada posición de la trayectoria (ecuación
(16)).
�̈� + Δ�̈�𝐾𝑝𝑜𝑠 = (𝑹𝑇𝑰𝒏𝑹)−1(𝝉 + 𝑹𝑇𝑸
− 𝑹𝑇𝑰𝒏𝑺𝒄 − 𝐾𝑝𝑜𝑠(𝒛 − 𝒛𝑑))
(15)
{�̈�𝑇 + Δ�̈�𝐾𝑝𝑜𝑠𝑇 , �̇�𝑇 + Δ�̇�𝐾𝑝𝑜𝑠
𝑇 }𝑡
𝑜𝑑𝑒113→
𝑜𝑑𝑒113→ {�̇�𝑇 + Δ�̇�𝐾𝑝𝑜𝑠
𝑇 , 𝝍𝑇 + Δ𝝍𝐾𝑝𝑜𝑠𝑇 }
𝑡+Δ𝑡
(16)
Los ángulos con correcciones obtenidos en ecuación
(16) e introducidos en la ecuación (9), junto con la
deformaciones de las articulaciones φ, dan lugar a;
𝝍𝑠𝑖𝑚 = 𝝍+ Δ𝝍𝐾𝑝𝑜𝑠 + 𝝋 (17)
Con los ángulos simulados Ψsim se generan, mediante el
método de esplines cúbicos, las coordenadas naturales
para todos los puntos del robot en cada instante t de la
trayectoria.
A partir de las coordenadas del TCP se obtienen las
deviaciones del extremo del robot para los distintos
puntos de la zona de trabajo (Figura 12).
28
Figura 12. Simulación del sistema robot para Ø6 mm y Vf 180
mm/min.
3. Comprobación experimental
Para poder validar el modelo y comprobar su idoneidad,
se procede a realizar un ensayo de análisis multifactor de
varianza ANOVA en piezas de aleación de aluminio
fundido, con cuatro factores: diámetro de la herramienta
Dc, velocidad del husillo n, velocidad de avance Vf y
zona de trabajo Ad (ver Figura 13). Se han utilizado
herramientas con tres diámetros (6, 8 y 10,2 mm), a dos
velocidades (1.200 y 2.500 rpm), con tres velocidades de
avance (60, 180 y 300 mm/min) trabajando en tres zonas
de la pieza de trabajo. El número total de condiciones
experimentales es de 54.
El orden de experimentación ha sido completamente
aleatorizado y se ejecuta con la tolerancia de posición
(TP) como variable dependiente (ecuación (18)), y
diámetro de la herramienta, velocidad del husillo,
avance y área como factores. La interacción de orden
máxima seleccionada es dos (número máximo de
factores para los cuales se estimará una interacción). El
ensayo cumple con los criterios requeridos de
independencia, normalidad y homocedasticidad.
𝑇𝑃 = 2 ∙ √(𝑥𝑇𝐶𝑃 − 𝑥𝑟𝑒𝑎𝑙𝑇𝐶𝑃 )2 + (𝑦𝑇𝐶𝑃 − 𝑦𝑟𝑒𝑎𝑙
𝑇𝐶𝑃 )2 (18)
Las fuerzas y pares de mecanizado que se introducen en
el modelo proceden de ensayos y corresponden a
condiciones de trabajo como las realizadas en el ensayo
ANOVA.
Figura 13. Pieza de ensayo con las zonas de trabajo (Ad).
Se ha efectuado un análisis de la varianza del
experimento, y por tanto de la incertidumbre de los
resultados, teniendo en cuenta los efectos principales y
la interacción de segundo orden. Con respecto a los
resultados de los p-valores para las interacciones:
1. Existe una fuerte interacción entre la precisión
de posición entre el diámetro de la herramienta
y el área de taladrado (el efecto de la
herramienta de corte depende de la zona donde
se taladra el agujero (Figura 19).
2. No hay interacciones entre; diámetro de la
herramienta y velocidad del husillo (el efecto
de la herramienta no depende de la velocidad
del husillo); diámetro de la herramienta y
avance; velocidad del husillo y avance;
velocidad del husillo y área de perforación; y
área de alimentación y perforación (Figura 14 a
Figura 18).
Como hay interacción, los impactos individuales
debidos a efectos principales no son evaluados.
1350 1400 1450 1500 1550
2750
2800
2850
2900
2950
3000
TCP-x [mm]
TC
P-y
[mm
]
[
m]
300
400
500
600
700
800
29
Figura 14. Interacciones de TP [mm] para Dc y n.
Figura 15. Interacciones de TP [mm] para Dc y Vf.
Figura 16. Interacciones de TP [mm] para Vf y n.
Figura 17. Interacciones de TP [mm] para Ad y n.
Figura 18. Interacciones de TP [mm] para Ad y Vf.
Figura 19. Interacciones de TP [mm] para Dc y Ad.
Los resultados obtenidos al comparar los valores
estimados con el modelo y los obtenidos en el ensayo
confirman la idoneidad del modelo, como puede
apreciarse en la Figura 20.
Figura 20. Valores calculados y de ensayo.
4. Conclusiones
Las principales conclusiones de este trabajo son:
1. Se ha utilizado el modelo multicuerpo para
modelar el comportamiento del sistema robot.
En este modelo, una rigidez finita de las
articulaciones ha sido incluida, lo cual permite
mejorar la estimación de los errores
dimensionales del robot y predecir
30
adecuadamente las desviaciones geométricas
reales del robot en los ensayos realizados en la
célula flexible de fabricación.
2. El modelo propuesto de comportamiento del
robot permite calcular las desviaciones en la
posición del robot en todo su espacio de trabajo
para una operación de taladrado de la que se
conozca. Estas desviaciones son las que
provocan los errores de posición de los
agujeros (ISO 9283 [16]).
3. Este modelo considera las desviaciones del
proceso de taladrado en la calidad final de las
piezas fabricadas.
4. El comportamiento del robot es diferente para
las distintas zonas del espacio de trabajo y
configuraciones. Para unas fuerzas de taladrado
equivalentes (mismo diámetro de herramienta),
las deviaciones de posición se incrementan con
la extensión del brazo del robot.
5. Agradecimientos
El presente trabajo fue parcialmente apoyado por el
Ministerio de Economía y Competitividad de España,
Proyecto DPI 2016-79960-C3-1-P y subvención SIDI
92513X2017, y con CONICYT Becas Chile 72170282.
6. Referencias
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methodology for robotic machine tools used in
large volume manufacturing,” Robot. Comput.
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of Inclined Planetary Motion Milling for
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[4] T. Bonnemains, H. Chanal, B. C. Bouzgarrou,
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overconstrained PKM with compliances: The
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1, pp. 405–420, 2016.
[16] UNE EN ISO 9283:2003, Manipulating
industrial robots - Performance criteria and
related test methods (ISO 9283:1998). 2003.
31
2103. DISEÑO DE SISTEMA INTELIGENTE PARA LA MICROFABRICACIÓN DE PLÁSTICOS
INTELLIGENT SYSTEM DESIGN FOR THE MICROMANUFACTURING OF PLASTICS PARTS
Chaves Acero Miryam Liliana, Rojas Rojas Andres Felipe, Vizán Idoipe Antonio, Diez Eduardo y González
Leonel.
Grupo de Investigación en Software Inteligente y Convergencia Tecnológica (GISIC), Universidad Católica de Colombia, Avenida
Caracas # 46-72, sede Las Torres, piso 4, Bogotá, Colombia, e-mail: [email protected]
Grupo de Investigación en Ingeniería de Fabricación, Universidad Politécnica de Madrid, Madrid, España, e-mail:
[email protected], web page: http://www.fabricacion.etsii.upm.es/
Grupo de Investigación en Manufactura Inteligente, Universidad de la Frontera, Temuco, Chile
Grupo de Investigación en Ingeniería Mecatrónica, Universidad Latina de Panamá, Vía Ricardo J. Alfaro, Panamá, Panamá 87-877,
Panamá
Resumen
El diseño de piezas plásticas con características que van de micrométricas a milimétricas se ha convertido en una de las
necesidades más importantes de la sociedad actual, la cual está en la constante búsqueda de diseñar componentes
tecnológicos de menor tamaño y con una gran cantidad de particularidades que le permitan cumplir con diversas tareas,
pero a pesar de su alta demanda, los procesos de fabricación de los componentes son muy complejos y las probabilidades
de fallos son muy altas debido a que los procesos están sujetos al control de un operario experto. En el presente artículo
se da evidencia del desarrollo de un software que integra sistemas de modelado CAE con sistemas de inteligencia artificial
con el fin de optimizar los procesos de inyección de plásticos para obtener piezas plásticas en una menor cantidad de
ciclos de inyección reduciendo fallos y optimizando así materiales, costos y tiempos.
Palabras clave: Micro-piezas plásticas, Inteligencia Artificial, Redes Neuronales, Procesos de Inyección, Sistemas CAE.
Abstract
Design of plastic parts with characteristics ranging from micrometric to millimeter units has become one of the most
important needs of today's society. Nowadays, industry and technological development is constantly seeking to design
smaller technological components with a large number of peculiarities that allow him to fulfill diverse tasks. Besides,
manufacture processes of components are very complex and the probabilities of failures are very high because the
processes are subject to the control of an expert operator. This article gives evidence of the development of a software
that integrates CAE modeling systems with artificial intelligence systems, in order to optimize plastic injection processes
obtaining plastic parts in less injection cycles, reducing errors and optimizing thus materials, costs and times.
Keywords: Plastic Micro-parts, Artificial Intelligence, Neural Networks, Injection Processes, CAE Systems
1. Introducción
En la sociedad actual que está marcada por el uso de la
tecnología en cada aspecto del diario vivir se debe
pensar en objetos que sean de fácil manipulación y que
cumplan con amplias tareas, es decir que sean objetos
pequeños capaces de realizar diversas acciones y de
mejorar aspectos de la vida. Gracias a la era digital es
posible realizar diferentes actividades con un solo
movimiento de mano, pero los instrumentos con que se
realizan estas tareas deben tener una alta precisión y
capacidad de operación (Chaves et al, 2018). Las piezas
con características micrométricas y milimétricas son
componentes muy pequeños y altamente precisos que
permiten realizar diversas actividades de manera
efectiva, pero con el fin de que puedan cumplir con estas
han tenido que pasar por un complejo proceso de
fabricación.
En la fabricación de piezas plásticas intervienen diversas
variables de operación que afectan los múltiples
procesos que se deben realizar para obtener los
resultados deseados, partiendo del diseño de los moldes
que son elementos claves en los resultados finales
(Salimi et al, 2013), la fabricación de estos a partir de
técnicas de mecanizado que deben ser altamente precisas
32
y el proceso de inyección que debe ser constantemente
controlado (Suwannasri y Sirovetnukul, 2013). Para que
esto sea posible es necesario invertir en altos tiempos
para el control de la fabricación y pruebas de
fabricación, lo que representan altos costos de inversión
hasta la obtención de una pieza final (Klimchik, 2016).
Teniendo en cuenta la importancia de las piezas plásticas
de menor escala en la actualidad y la complejidad de su
fabricación, es necesario proponer sistemas inteligentes
que hagan uso de las tecnologías de la cuarta revolución
industrial tales como la automatización de procesos,
inteligencia artificial, sistemas expertos e impresión 3D
(Dan Xuan-Phuong, 2014), de manera que faciliten los
procesos de producción y así se reduzcan los tiempos,
costos, perdida de material, entre otros.
Los controles totales de los operarios sobre los procesos
de producción deben ser intervenidos por sistemas
expertos con la capacidad de controlar e identificar fallas
e irregularidades que se puedan presentar durante el
trayecto de fabricación (Chaves et al, 2010), controlando
variables tales como temperatura, presión de inyección
y flujo de material, con el fin de disminuir posibles
defectos como deformaciones y reflujos sobre el
material, que en muchas ocasiones hacen necesarias
intervenciones externas sobre las piezas por lo que
pierden calidad y competitividad en el mercado
(Marquez et al 2009). Se debe disminuir
considerablemente la dependencia de los operarios,
sobre todo en los procesos de fabricación micrométrica,
que al manejar medidas tan precisas dificulta el control
sobre los parámetros, lo que produce inferioridad e
incapacidad de cumplir con los estándares y las
funciones necesarias.
El uso de simuladores en procesos de inyección de
plásticos permite obtener una visión general del
comportamiento que se puede presentar durante los
procesos de fabricación, facilitando los controles sobre
los parámetros que intervienen en la producción de
piezas (Dan Xuan-Phuong, 2014). Se debe considerar un
sistema que permita integrar los análisis obtenidos en las
simulaciones para dar opciones de control sobre los
parámetros y obtener mejores resultados en la fase real
de fabricación, analizando variables tales como
temperatura, presión, características geométricas,
tiempo de fabricación, flujo de entrada, fuerza de cierre,
entre otras variables que afectan los resultados finales
(Salimi et al, 2013).
Este articulo muestra cómo el proceso de integración de
sistemas de modelado CAE e inteligencia artificial
puede apoyar los procesos en la producción de piezas de
plástico con características micrométricas a milimétricas
a partir del diseño y desarrollo de software. El sistema
integrado desarrollado da recomendaciones de control
tanto en las variables de forma como en las variables de
proceso que inciden en la fabricación de las piezas
plásticas y que puedan ser cambiadas a pie de máquina
por un operario que no necesariamente debe ser experto
Este sistema inteligente recolecta los datos que
alimentan al sistema por medio del análisis de resultados
que otorgan los estudios de simulación CAE, con el fin
de crear una base de datos primaria con la cual los
sistemas expertos puedan realizar interacciones y de esta
manera promover recomendaciones en las variables que
inciden sobre el proceso. Cada nuevo ciclo de inyección
se generan nuevas variables de forma y parámetros de
proceso que alimentan el sistema, con el objetivo de que
se genere un aprendizaje más complejo y así obtener
mejores resultados en un menor número de ciclos cada
vez que es aplicado. A través de todas las
retroalimentaciones de proceso desarrolladas, el sistema
es cada vez más funcional y amplía su alcance a una gran
variedad de geometrías, con el fin de que pueda ser
utilizado para casi cualquier tipo de pieza de escala
micrométrica o milimétrica.
2. Metodología
La metodología utilizada es de tipo exploratoria
enmarcada en el desarrollo experimental en cascada con
un diseño factorial, en el que se correlacionan las
variables de procesos de inyección y los parámetros de
calidad de las piezas plásticas estudiadas, con el fin de
alimentar los subsistemas de cada etapa metodológica a
seguir:
2.1. Hipótesis
Se planteó un sistema de inteligencia artificial que
integrando tecnologías de sistemas expertos con
simulación CAE, permita determinar las variables
geométricas y parámetros de proceso que intervienen en
la fabricación de piezas plásticas con características
micrométricas a milimétricas. Lo anterior repercute en
una mejora de la eficiencia del proceso, reduciendo los
ciclos de inyección requeridos para la obtención de una
pieza de condiciones de calidad óptimas y por ende
tiempo y materiales de proceso.
2.2. Etapas metodológicas
Con el fin de determinar los parámetros indicados que
permitieran producir cualquier tipo de pieza genérica de
características micrométricas a milimétricas y con altos
índices de calidad y productividad, a través del sistema
inteligente integrado se desarrollaron los siguientes
campos de acción y etapas metodológicas:
2.2.1. Diseño y análisis geométrico de las piezas
33
En este proceso se realizó el análisis geométrico por
medio del diseño, modelado y análisis CAD, el cual
proporcionó las principales variables geométricas que
caracterizan a una pieza micrométrica y milimétrica, y
que afectan la calidad de la pieza. Haciendo uso del
software SOLIDWORKS® se realizaron los procesos de
diseño y análisis para un total de 30 piezas, las cuales
fueron sometidas a 7 variaciones de forma y de
comportamiento, buscando identificar los factores
geométricos que inciden sobre la conducta de la pieza a
la hora de ser inyectada dependiendo de su diseño y
tamaño (Figura 1.).
Figura 1. Estudio geométrico piezas en SOLIDWORKS®.
Para cada una de las variaciones geométricas se tomó
registro del comportamiento frente a distintos estudios
de esfuerzo y deformación, sometiéndolas a variaciones
de fuerza, torque, presión y trabajo. Con los registros
obtenidos se identificaron los comportamientos óptimos
de forma, los cuales podían ser llevados al proceso de
moldeo por inyección y mantener sus capacidades de
trabajo y de esfuerzo durante su vida útil.
2.2.2. Análisis de procesos por simulación CAE
Una vez se realizó el análisis geométrico se continuo con
el estudio del proceso de inyección, haciendo uso de
software de simulación que proporcionaran indicadores
del comportamiento del material en el momento de
realizar las etapas de fabricación. Partiendo de las
herramientas proporcionadas por SOLIDWORKS® se
realizaron simulaciones de ciclos de inyección variando
los parámetros de proceso (Material, Tiempo de llenado,
Temperatura del material, Temperatura del Molde,
Presión de Inyección y Tiempo de enfriamiento) para
cada ciclo (Figura 2.), generando informes de resultados
con indicadores de comportamiento en el proceso, con
los cuales se buscaron relaciones de comportamiento
óptimo que se acercaran a un resultado real.
Figura 2. Simulaciones ciclos de inyección.
2.2.3. Estudios diseño Moldes por simulación
CAE
Para el proceso del diseño del molde se utilizó el
ToolBox de moldes proporcionado por
SOLIDWORKS®, con los cuales se identificaron los
ángulos de salida en los cuales los moldes van a ser
desmontados, se identificaron las partes más críticas del
material, la línea de partición del molde, los puntos de
inyección en las cavidades, haciendo variaciones en las
diferentes posibilidades que se podían dar a cada una de
las formas geométricas analizadas y teniendo en cuenta
detalles de forma como los orificios de la pieza con los
cuales el software puede crear superficies por donde el
material toma la forma de los agujeros.
Por medio del análisis de expansión del material se
determinó la escala necesaria del molde, con el fin de
obtener las medidas que más se adecuan a la pieza
deseada, manteniendo las características micrométricas
con el comportamiento más adecuado para cumplir con
los propósitos de diseño.
2.2.4. Creación base de datos
Como medio para integrar las ventajas de los análisis
CAE, con el sistema inteligente a desarrollar y en la
búsqueda de poder realizar todos estos análisis a pie de
máquina, a partir de los análisis geométricos y de
procesos proporcionados por los simuladores CAD y
CAE, se estableció una base de datos en donde se
registraron todos los resultados y variaciones obtenidas
como se muestra en la Tabla 1.
34
Tabla 4. Registro variaciones parámetros proceso de
inyección.
Fuente: elaboración propia.
A través del Image Processing Toolbox de MATLAB®
se diseñó un programa que permitiera clasificar y
almacenar todos los datos generados de esta base de
datos desarrollada, además de realizar captura e
interpretación de las gráficas de comportamiento del
material obtenidas en la simulación CAE.
Figura 3. Comportamiento presión de llenado.
En la Figura 3 y 4, se muestran ejemplos de las
simulaciones que se implementan a pie de máquina y
que el sistema desarrollado analiza e interpreta
inmediatamente. La base de datos constituida almacena
todos los registros que se han generado a partir de los
estudios realizados, con el fin de encontrar un
comportamiento que se acomode a los índices deseados
de calidad de las piezas.
Figura 4. Comportamiento flujo de entrada.
2.2.5. Diseño de sistemas predictivos basados en
inteligencia artificial
En esta etapa se integraron todos los resultados
obtenidos y almacenados en la base de datos con el
sistema de inteligencia artificial basado en redes
neuronales. Con las herramientas proporcionadas por
MATLAB® se diseñó un sistema de lectura de archivos
STL (Standard Triangle Language) con el cual se
identificaba las dimensiones de la pieza cargada para
iniciar el proceso de interacción de la red neuronal
(Figura 5).
Figura 5. Sistema lectura archivos STL.
2.2.5.1. Red Neuronal
Para el diseño de la Red Neuronal se optó por un
machine learning de tipo Regression, el cual es un
enfoque de aprendizaje que describe la relación o
patrón entre la variable de respuesta (salida) y una
o varias predicciones (entradas) (Figura 6).
Figura 6. Rendimiento validación de datos.
Teniendo este comportamiento en cuenta, se tomó
como entrada a la red neuronal todo el
agrupamiento de datos de las pruebas realizadas con
los simuladores CAE y como objetivos de la red se
ingresaron las dimensiones de las piezas deseadas
con índice de deformación que tendiera a cero. Una
vez se puso en funcionamiento la red (Figura 7), el
sistema realizó diferentes interacciones para cada
tipo de pieza hasta determinar la relación entre las
entradas y la variable de respuesta identificando los
parámetros de proceso que mejor se adecuaran a la
pieza, con el fin de llegar a un índice de
deformaciones que tendiera a cero.
35
Figura 7. Diseño Red Neuronal.
Una vez se completa el proceso de la red, el sistema
genera un informe que contiene todo el análisis de
la pieza y la identificación de las variables de
proceso que se adecuan a esta. Con estos parámetros
se dio inicio a las pruebas reales en las máquinas de
inyección que permitieron validar los datos.
2.2.6. Validación y puesta en práctica:
Una vez se obtuvieron los resultados deseados y se
realizaron los estudios necesarios se puso en práctica las
recomendaciones generadas por el programa para
validar el correcto funcionamiento del sistema. Todas
las pruebas se realizaron en la máquina de inyección
Babyplast 6/10P utilizando Polipropileno ISPLEN
PC47AVC como material base. Los parámetros
utilizados por esta máquina son: Temperatura del molde,
Tiempo de llenado, Tiempo de enfriamiento, Presión de
inyección y Volumen de inyección, los cuales se
adecuan perfectamente a los parámetros generados por
el programa. Para las pruebas se tomó como base tres
piezas tipo, de dimensiones: X=20mm, Y=3mm y
Z=5mm, X=6mm, Y=2mm y Z=6mm y X=20mm,
Y=6mm y Z=20mm, con un volumen de 0,28 cm3, 0,04
cm3 y 0,5 cm3 respectivamente, estas combinan el
comportamiento 2D de placa plana de 1 mm de espesor
con comportamiento 3D al tener dos mini cilindros de
espesor de 3mm (Figura 8), que permitieron analizar el
comportamiento de flujo y las condiciones para la
obtención de características precisas.
Figura 8. Piezas de prueba.
Para los diseños del molde se tuvieron en cuenta los
comportamientos del flujo de sistema, realizando una
combinación de carácter bidimensional (flujo en una
dirección) con otro de carácter tridimensional (cambios
de dirección en el flujo) en una placa de aluminio capaz
de soportar la presión ejercida y la temperatura del
material. La Figura 9 muestra los planos del molde y
cavidades diseñado y fabricado, con el objetivo de hacer
aún más eficiente el proceso, siendo un solo molde para
la producción de las tres diferentes piezas tipo
analizadas.
Figura 9. Planos molde de inyección
El molde se diseñó con el fin de optimizar el proceso
creando un sistema de inyección de flujo el cual puede
ser variado con la rotación de una válvula con diversos
canales de distribución (Figura 10). El molde permite
reducir tiempos al no ser necesario cambiar el molde ni
desmontar placas de molde, lo que genera una mayor
eficiencia al reducir los tiempos de fabricación.
Figura 10. Válvula distribución de flujo.
Finalmente se realizaron más de 100 pruebas con el fin
de verificar la eficiencia del programa, validando los
parámetros que este daba y comprobando la veracidad
de los resultados obtenidos con los índices de
deformación que se generaron en un principio. Cada una
de las pruebas fueron desarrolladas teniendo en cuenta
técnicas de diseño de experimentos tales como el
método Taguchi, con el fin de dar rigurosidad científica
y una evaluación completa del desempeño del sistema
optimizado.
36
Figura 11. Comparativa lógica difusa.
Para cada afinar aún mejor el comportamiento del
sistema inteligente, se integró también la utilización de
la lógica difusa, que le permitió al operario interactuar
directamente con el sistema, dar sus apreciaciones
cualitativas de la calidad de la pieza que se iba dando
ciclo a ciclo. Con cada nuevo ciclo de proceso el sistema
realiza un análisis comparativo en un motor de
inferencia basado en lógica difusa (Figura 11.) donde se
comparan las variables de inyección con los índices de
deformación obtenidos con el fin de corroborar los
resultados y maximizar así la base de datos y llevar la
red a un comportamiento más real, dando como
resultado piezas con características de calidad óptimas,
cumpliendo con los requerimientos de diseño iniciales,
diseñados en los CAD.
Figura 12. Piezas resultantes.
La Figura 12, muestra la comparación entre el diseño
CAD y las piezas resultantes.
2.3. Materiales
Además del uso de software de diseño, simulación y
programación, se realizaron pruebas reales con
materiales termoplásticos de ensayo, tales como
Polipropileno (PP), Polietileno (PE). Para los moldes se
utilizó aluminio.
2.4. Criterios De Exclusión
El rango de medidas que fueron objeto de estudio en este
proyecto se evaluaron desde rangos de piezas mini (de
2cms máximo) con detalles de micras delimitados por
las capacidades que se lograron de fabricación de
moldes para piezas con características micro.
2.5. Instrumentos Y Equipos:
En las diferentes etapas anteriormente presentadas se
utilizaron los siguientes equipos, e instrumentos los
cuales se encuentran a disposición en los laboratorios de
las universidades participantes en el proyecto:
Computadores: El software inteligente se
realizó en los computadores de los
investigadores de la red
Micro-inyectora y sensórica relacionada con el
proceso: micro-inyectora de la Universidad
Politécnica de Madrid
Máquinas Herramientas y sensórica
relacionada con el maquinado: la cual cuenta
con un Centro de mecanizado Deckel-Maho
1035eco, Robot industrial Kuka Agilus KR6
R900, Husillo de alta velocidad NSK HES 510,
plataforma dinamométrica tres ejes Kistler
9257BA y otros sensores: torque, aceleración
(vibración), fuerza, emisión acústica
Universidad de la Frontera.
3. Resultados
Se realizaron más de 100 pruebas con todas las piezas
tipo desarrolladas, en donde se realizaron variaciones de
los parámetros de procesos, según diferentes operarios,
en diferentes momentos de tiempo, sin tener el sistema
inteligente a pie de máquina, que hiciera las sugerencias
de cambio de parámetros de proceso. Y por otro lado se
realizaron el mismo número de pruebas con las mismas
piezas en diferentes momentos de tiempo y diferentes
operarios utilizando el sistema desarrollado. La
comparación de los resultados del uso y no uso del
sistema mostró una reducción promedio de
aproximadamente el 30% en la cantidad de ciclos de
inyección necesarios.
37
Figura 13. Comparativa ciclos de inyección.
La Figura 13, muestra un ejemplo de tipo de prueba en
la que, en diferentes momentos de tiempo y diferentes
operarios, se realizó el proceso de producción de las
micro-piezas diseñadas, por un lado, utilizando el
sistema inteligente desarrollado y sin la utilización de
este (las barras de la gráfica), dando porcentajes
promedio de reducción cercanos al 30% (mostrado a
través de la línea continua de tendencia en la gráfica).
Adicionalmente con la utilización del sistema se
evidenció una clara mejoría sobre los procesos de
inyeccion, reduciendo significativamente el
comportamiento que se daba con la presencia de
deformaciones sobre el material que se originaban en
cada ciclo de inyección como se muestra en la Tabla 2
(Figura 14.). Tabla 2. Comparativo porcentaje índices de deformación por
ciclos de inyección.
Porcentaje índices de
deformación control
operario.
Porcentaje índices de
deformación control
asistido por el sistema.
17,4% 9,1%
4,6% 8,4%
7,9% 7,9%
9,2% 7,6%
3,0% 4,6%
3,0% 1,1%
3,0% 1,0%
3,0% 1,0%
1,7% 0,8%
Fuente: elaboración propia.
Figura 14. Indices de deformación del proceso de Inyección.
Finalmente se tomo registro de los parámetros generados
por cada ciclo, para realizar una retroalimentación del
sistema, aumentando los indicadores de las variables de
proceso que se registraban en la base de datos, con el fin
de mejorar el comportamiento del programa y llegar a
una solución más óptima y real.
4. Conclusiones
1. El sistema inteligente desarrollado , que integra
el uso delos sistemas CAE, con técnicas de
Inteligencia Artificial, como lo son Redes
Neuronales y Lógica Difusa, permite mejorar la
eficiencia del proceso de inyección lográndose
piezas de óptima calidad en un menor número
de ciclos.
2. El uso de algoritmos de redes neuronales
permitió predecir óptimamente el
comportamiento de un material en el proceso
de moldeo por inyección, logrando reducir los
ciclos de inyección necesarios para obtener una
pieza con características micrométricas y/o
milimétricas que se adecuen a los diseños
planteados.
3. Existen variables externas que afectan el
comportamiento del material y que no pueden
ser analizadas solamente por el diseño CAE y
redes neuronales por lo que se ve la necesidad
de utilizar lógica difusa a pie de máquina para
apoyar al operario en la toma de decisiones en
el cambio de parámetros de proceso.
4. El sistema muestra un mejor control sobre las
variables de proceso al generar parámetros
cada vez más óptimos en cada nueva
interacción, acercándose cada vez más a un
comportamiento ideal, sin generar regresiones
en los procesos.
5. Aunque el sistema muestra resultados cercanos
a lo ideal aún es necesario realizar ciclos
complementarios con algunas variaciones de
los parámetros de proceso dados por los
38
operarios, por lo que es recomendable
documentar cada nueva interacción en la base
de datos con el fin de obtener un
comportamiento más real del sistema.
5. Referencias
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2241,https://doi.org/10.1016/j.measurement.2016.0
4.072.
39
1925. COMPARATIVA DE LEVAS OBTENIDAS MEDIANTE LOS PROCESOS DE FABRICACIÓN
POR FRESADO Y POR ELECTROEROSIÓN
COMPARISON OF CAMS OBTAINED THROUGH THE MANUFACTURING PROCESSES BY
MILLING AND EDM
Enrique Zayas-Figueras 1, Irene Buj-Corral 2, Àngels Montaña-Faiget 2
1 Grupo de Investigación CDEI-DM-Centro de Diseño de Equipos Industriales-Dinámica de Máquinas, Departament d’Enginyeria
Mecànica, ETSEIB, Universitat Politècnica de Catalunya, España. Email: [email protected] 2 Grupo de Investigación en Tecnologías de Fabricación (TECNOFAB), Departament d’Enginyeria Mecànica, ETSEIB, Universitat
Politècnica de Catalunya, España. Email: [email protected], [email protected]
Resumen
El trabajo expone los resultados de la verificación y comparativa entre perfiles de levas fabricados mediante los procesos
de fresado y electroerosión por hilo [1]. Se expone la metodología seguida, abarcando las etapas de diseño, 1prototipaje,
fabricación y verificación. Se toma como referencia un mecanismo de leva-palpador empleado en motores de combustión
interna de motocicleta. Se realiza un proceso de ingeniería inversa determinando los parámetros geométricos del
mecanismo, que son utilizados para la síntesis del perfil de la leva y su posterior diseño. Se utilizan softwares de diseño y
análisis de mecanismos de levas, de modelado de sólidos en 3D y de simulación del proceso de fabricación. Se fabrica un
prototipo físico de la leva mediante la tecnología de modelado por deposición fundida [2] que valida la bondad del diseño.
Por último, se realiza la verificación y comparativa de los parámetros de rugosidad de las levas fabricadas.
Palabras clave: leva; diseño; mecanizado; electroerosión; verificación.
Abstract
The work exposes the results of the checking and comparison between profiles of cams manufactured by the processes of
milling and wire EDM [1]. The methodology followed is exposed, covering the stages of design, prototyping,
manufacturing and checking. A cam-follower mechanism used in motorcycle internal combustion engines is used as a
reference. A reverse engineering process is performed determining the geometrical parameters of the mechanism, which
are used for the synthesis of the profile of the cam and its subsequent design. Several software are used for the design and
analysis of mechanisms of cams, for modeling of solids in 3D and for the simulation of the manufacturing process. A
physical prototype of the cam is manufactured using fused deposition modeling technology [2] that validates the goodness
of the design. Finally, the checking and comparison of the rugosity parameters of the manufactured cams is carried out.
Keywords: cam; design; machining; electroerosion; testing.
1. Introducción
Los mecanismos leva-palpador se utilizan
frecuentemente en muchas clases de máquinas, por
ejemplo: en motores de combustión interna, telares,
máquinas herramienta, etc. Entre sus ventajas se pueden
citar que son mecanismos sencillos y poco costosos,
tienen pocas piezas móviles y son compactos. Además
se pueden diseñar leyes de movimiento del palpador con
casi cualquier característica deseada y los perfiles de
levas que proporcionan el movimiento al palpador
pueden ser obtenidos por diferentes procesos, como el
mecanizado por máquinas de control numérico. Todo
ello hace que se utilicen ampliamente en la maquinaria
actual [3]. Durante el proceso de diseño de dichos
mecanismos se han de cuidar muchos detalles para
garantizar las restricciones exigidas y lograr el
funcionamiento deseado. Obtenido el diseño de una
leva, se ha de trabajar con las restricciones relacionadas
con su fabricación, aspecto esencial para materializar en
metal la leva y garantizar su utilidad, que reside en que
la leva fabricada permita reproducir con la mayor
precisión posible las funciones de desplazamiento,
velocidad y aceleración utilizadas durante su proceso de
diseño. Uno de los aspectos esenciales de la fabricación
es garantizar la mayor precisión posible tanto en la
geometría de su perfil como en el acabado de su
superficie de trabajo.
40
El presente trabajo expone la metodología utilizada y los
resultados de la comparativa de la geometría y el
acabado superficial de levas fabricadas por los procesos
de fresado por control numérico (CN) y la electroerosión
por hilo (EDM), resultados obtenidos como parte del
trabajo final de grado de uno de los autores del mismo
[1].
2. Metodología
La metodología usada para la realización del trabajo
consta de las siguientes etapas:
1. Elección de un mecanismo de leva-palpador real de
referencia y determinación de los parámetros
de partida para el diseño de la leva.
2. Diseño de la ley de desplazamiento del palpador y
obtención del perfil de la leva.
3. Fabricación del modelo de leva por prototipado
rápido –impresión 3D– y validación del diseño.
4. Diseño de los procesos de fabricación –por fresado y
electroerosión– para obtener las levas a comparar.
5. Medición de la rugosidad y ondulación de levas
fabricadas.
6. Conclusiones.
A continuación se explican las etapas citadas.
2.1. Elección del mecanismo real de referencia y
determinación de los parámetros de partida. Para realizar el trabajo se decide utilizar una leva real
(Figura 1) que pertenece al árbol de levas de un motor
de combustión interna monocilíndrico de una
motocicleta Daelim, disponible en el Departamento de
Ingeniería Mecánica (DEM) de la ETSEIB. El objetivo
es tomar datos geométricos y funcionales de partida para
el diseño de la leva y, a partir de este diseño, fabricar dos
levas por dos procesos diferentes (fresado en máquina
de CN y electroerosión) y analizar los resultados
geométricos y de acabado superficial obtenidos.
Figura 21. Árbol de levas. Leva tomada de referencia Fuente:
A. Montaña [1].
Al no disponer de datos ni de gráficas de
desplazamiento del palpador de este mecanismo, se
decide obtener la información necesaria para el diseño
(desplazamiento máximo del palpador, radio base de la
leva, longitud del brazo del palpador, geometría del
perfil de leva, etc.) realizando un proceso de ingeniería
inversa, tomando mediciones directamente sobre el
mecanismo y utilizando instrumentos de medición y un
equipo perfilómetro y rugosímetro Taylor Hobson
disponible en el DEM (Figura 2).
Figura 2. Medición de la leva con el perfilómetro Taylor-
Hobson Fuente: A. Montaña [1]
Los resultados de los parámetros medidos se muestran
en la Figura 3. Se determinó también el ángulo máximo
de desplazamiento del palpador que es de 12,13º.
Figura 3. Parámetros medidos en la leva de referencia
Fuente: A. Montaña [1].
Los parámetros de partida determinados son: radio base
rb=14,04 mm, desplazamiento máximo del palpador
máx=12,13º, número de tramos del perfil no=3, longitud
del brazo del palpador lb= 24,25 mm, radio del perfil
curvo del palpador rpalp=10 mm, distancia entre centros
de rotacióm L= 32.82 mm. A partir de dichos parámetros
se realiza el diseño del mecanismo, para obtener el perfil
41
de leva correspondiente que luego se ha de fabricar.
2.2. Diseño de la ley de desplazamiento del palpador
y obtención del perfil de la leva El proceso de diseño de un mecanismo leva-palpador
consta de tres pasos: a) el diseño de la ley de
desplazamiento del palpador; b) la obtención del perfil
de la leva que impulsa a un palpador determinado según
la ley de desplazamiento diseñada y c) la comprobación
de que el perfil de leva obtenido no presenta
características geométricas que impiden un contacto
leva-palpador correcto [4]. Este proceso se realiza
asistido por la aplicación Dynacam [5] que realiza los
engorrosos cálculos y representaciones gráficas
inherentes a dicho proceso. Después de varios análisis
iniciales, se decide elegir la función Polydyne (llamada
ley Dudley en Dynacam) como ley de movimiento del
palpador, función utilizada con frecuencia en el diseño
de árboles de levas de motores de combustión interna y
en levas de máquinas textiles. En la Figuras 4 y 5 se
muestran los gráficos cinemáticos y el mecanismo
obtenido.
El análisis de lo gráficos cinemáticos permite comprobar
la continuidad de la ley de movimiento hasta la segunda
derivada –cumpliendo la ley fundamental del diseño de
levas [5], y el perfil de leva generado coincide
visualmente con el de la leva modelo medida. Se han
comprobado los índices de funcionamiento: ángulo de
presión máximo (27,7º < 35º) y el radio de curvatura
mínimo del perfil rcmín=17,89 mm es mayor que el radio
del perfil del palpador rpalp; lo que en principio garantiza
un correcto funcionamiento del mecanismo.
Figura 4. Diagramas cinemáticos obtenidos en Dynacam.
Fuente: A. Montaña [1].
Figura 5. Representación del mecanismo de leva diseñado
con Dynacam. Fuente: A. Montaña [1].
La leva diseñada está formada por dos círculos (círculos
de base y de cresta) y dos pequeños tramos que los unen.
Estos tramos llamados flancos corresponden a dos arcos
de círculo con un radio de grandes dimensiones que a
simple vista parecen ser tramos rectos, pero que al
aumentar la escala durante la verificación se comprueba
que son curvos. Para simplificar los cálculos, el proceso
de fabricación y la posterior verificación del perfil en la
leva que se fabrica se ajustan estos dos flancos a dos
pequeños tramos rectas tangentes, resultado
exactamente coincidente con los tramos de la recta
modelo.
2.3. Fabricación del modelo de leva por prototipado
rápido y validación diseño de la leva. A patir del perfil de leva obtenido, verificado y ajustado
se crea un prototipo virtual de la leva mediante el
programa SolidWorks, a partir de él se genera el archivo
STL y con el programa de capeado Cura el código G y
mediante la impresora BCN3D tipo Delta del DEM se
crea el prototipo físico (Figura 6) para validar la leva
diseñada antes de pasar a su fabricación en metal. Para
el diseño 3D se decide usar el ancho de 13 mm igual al
ancho de la leva modelo y se considera un diámetro
nominal del eje de la leva de 12 mm. Por lo tanto, se
diseña el agujero y el chavetero adecuado para el uso de
una chaveta con las dimensiones a la norma DIN 6885.
Figura 6. Prototipo físico de la leva. Fuente: Elaboración
propia.
42
Se comprueba que el prototipo físico se asemeja mucho
a la leva modelo, validando el diseño realizado.
2.4 Diseño de los procesos de fabricación para la
obtención de las levas a comparar
Los procesos de fabricación seleccionados para obtener
las levas a comparar son: el mecanizado por fresado con
control numérico (aquí se utilizó un Centro de
Mecanizado Haas VM-2 disponible en el Laboratorio de
Tecnologías de Fabricación de la UPC) y la fabricación
mediante la electroerosión por hilo (aquí se utilizó una
máquina ONA UE205 del centro CIM de la UPC),
también con control numérico. Para cada uno de los dos
procesos se define la maquinaria a utilizar en cada etapa,
la forma de sujeción de la pieza y las herramientas
empleadas tanto en la fabricación como en la
verificación. La elección de las herramientas y de los
utillajes es función del tipo de mecanizado, del material
de partida, de la calidad del acabado que se desea en la
pieza y del precio. Se definen las condiciones de corte
en cada etapa (velocidades de corte, avances, etc…) y se
calculan los tiempos de corte, los tiempos de producción
y los costes. Toda esta información se recoge en las
hojas de ruta y de fase que se han realizado para las levas
a obtener por ambos procesos; debido a su extensión no
se exponen aquí, se pueden consultar en la referencia [1].
El material disponible y facilitado por el laboratorio para
la fabricación de las dos levas es el acero F-1140, cuya
equivalencia en las normas DIN y AISI es CK45 y 1045
respectivamente. Destacar, que para la fabricación de las
levas en automoción se requiere usar un material que
resista el rozamiento con los palpadores. En general, se
usan aceros de cementación, cementados y templados
hasta durezas de 60-62 HRC, como por ejemplo el acero
F-1550, que es un acero para cementación al Cr-Mo. Sin
embargo, el material usado en las levas fabricadas, ha
sido el disponible en su momento.
Simulación de la estrategia de mecanizado
Antes de pasar a la fabricación, es conveniente estudiar
diferentes estrategias de mecanizado. Para ello se usa el
Cimatron, software CAD/CAM para la fabricación. A
partir del archivo CAD de la leva a obtener (creado con
SolidWorks) y definiendo las dimensiones y la forma del
material de partida (en este caso es un bloque de acero
de dimensiones 50x50x22 mm), el software permite
determinar las operaciones a realizar, seleccionar y/o
crear las herramientas a usar y variar parámetros de las
operaciones y de las condiciones de corte; así como
simular las etapas programadas para evaluar posibles
intersecciones portaherramientas-pieza, errores en la
estrategia seguida por la herramienta, optimizar
adecuadamente la trayectoria de ésta, posibles
excedentes de material no deseado y comparar los
tiempos de mecanizado calculados automáticamente
(Figura 7). El software también genera el código G a
introducir en el CN del centro de mecanizado.
Figura 7. Simulación de la fabricación con Cimatron Fuente:
A. Montaña [1]
Respecto al proceso de electroerosión por hilo (Wire
EDM), al no disponer del software de simulación para
dicho proceso, se programa manualmente la trayectoria
de la herramienta tanto del mecanizado de la chaveta
como del contorno de la leva. Para ello, se anotan los
puntos de tangencia, es decir, los puntos que unen los
diversos tramos del perfil de la leva, y se aplica la
interpolación circular o lineal según corresponda. Los
programas que definen la trayectoria del hilo en ambos
procesos se muestran en la referencia [1]. Al inicio de la
programación se define el material a mecanizar y el
espesor de éste (en este caso una sección de 16x50 mm
de acero F114), para que la máquina seleccione
automáticamente las condiciones de corte más idóneas
en cada instante del proceso. Se opta por no aumentar
excesivamente la velocidad de corte para evitar posibles
rupturas del hilo. Es este caso se ha utilizado un hilo de
latón de diámetro 0,25 mm.
2.5 Medición de la rugosidad y ondulación de las
levas fabricadas
Las superficies de las levas obtenidas 1 – por fresado– y
2 –por WEDM– están formadas por un conjunto de
irregularidades (surcos, marcas ...) debidas al proceso de
mecanizado. Los acabados superficiales de las levas se
analizan en el Laboratorio de Tecnologías de
Fabricación con el rugosímetro de contacto Taylor
Hobson –modelo Form Talysurf Series 2– que usa un
palpador inductivo con una resolución de 18 nm en un
rango de altura de 1 mm (Figura 8).
43
Figura 8. Medida de la rugosidad de la leva 2 con el rugosímetro
Taylor Hobson. Fuente: A. Montaña [1]
El sistema de referencia usado en las medidas es el
sistema "M" o de línea media. Las elecciones del Cut-
Off y de la longitud de medida están relacionadas a la
rugosidad media que se cree que se obtendrá. Los
valores usados en las medidas realizada se muestran
destacados en la Tabla1.
Tabla 1. Valores de longitud de evaluación recomendados [6].
Fuente: Elaboración propia.
Rugosidad
Ra (μm)
Cut-Off (mm) Longitud de
medida lm
(mm)
Hasta 0,1 0,25 1,25
De 0,1 a 2 0,8 4
De 2 a 10 2,5 12,5
10 8 40
Para el estudio, el perfil de la pieza se divide en cuatro
tramos de 4 mm que son medidos (Figura 9).
Figura 9. Tramos del perfil de leva medidos. Fuente: A. Montaña
[1].
3. Resultados de las mediciones de rugosidad
3.1. Rugosidad de la leva obtenida por fresado
La Tabla 2 muestra los resultados de las medidas de la
leva mecanizada por fresado. Aquí el valor máximo de
Ra se encuentra en el tramo 2, en el que se realizó la
entrada y salida tangente de la herramienta. En la Figura
10 se expone el resultado gráfico del perfil medido en
dicho tramo donde el patrón de rugosidad varía
bruscamente. Estos gráficos se generaron para cada
tramo medido [1].
Tabla 2. Valores de rugosidad en cada tramo analizado.
Fuente: Elaboración propia.
Tramo 1 2 3 4
Ra (μm) 0,1443
0,4091 0,2291 0,2949
Ondulación
Wt [μm]
1,1634 7,9264 2,2672 2,249
Figura 10. Representación gráfica del tramo 2 del perfil de leva
medido. Fuente: A. Montaña [1].
3.2. Rugosidad de la leva obtenida por WEDM
Las superficies mecanizadas por electroerosión por hilo
(WEDM) ofrecen un aspecto totalmente diferente al de
las mecanizadas por fresado. Cada descarga eléctrica
produce un cráter cuyo volumen viene determinado por
el régimen de trabajo usado, es decir, por la intensidad
de la descarga, por el tiempo de impulso (duración de
ésta) y las características del hilo y de la pieza.
Finalmente, comentar que la rugosidad obtenida es
multidireccional, lo que da a las piezas mecanizadas un
color mate que muchas veces sorprende si se compara
con el aspecto brillante de piezas mecanizadas por
fresado.
La Tabla 3 muestra los resultados de las medidas de la
leva obtenida por WEDM. En la Figura 11 se expone el
resultado gráfico del tramo 3 medido que es el tramo con
el menor radio de curvatura de todo el perfil y es donde
aparece la máxima rugosidad. Estos gráficos se
generaron para cada tramo medido [1].
Tabla 3. Valores de rugosidad en cada tramo analizado.
Fuente: Elaboración propia Tramo 1 2 3 4
Ra (μm) 1,0746
1,1323 1,5333 1,1077
Ondulación
Wt [μm]
1,6953 1,3422 3,3680 1,1330
44
Figura 10. Representación gráfica del tramo 3 del perfil de leva
medido. Fuente: A. Montaña [1].
Los autores Agulló y Cardona [7] exponen que cuando
el coste por unidad es importante, se considera un buen
acabado superficial en levas de acero valores
aproximados de 0,4 μm de Ra. Valores por debajo de 0,4
no son alcanzables únicamente con los procesos
mencionados sino que son necesarias posteriores etapas
de rectificado del perfil [2].
Comparando los acabados superficiales obtenidos
(Tablas 2 y 3) según los valores de referencia que
muestran los autores Agulló y Cardona [7], se debe
destacar que en la primera leva el valor medio del
parámetro Ra es de 0,25 μm y se encuentra dentro la
máxima calidad alcanzable por técnicas de fresado, esto
se debe al uso de un avance por diente pequeño, a la
realización de una última pasada de acabado, a el uso de
técnicas de CN y herramientas de buena calidad. En
cuanto a la electroerosión por hilo, los valores de Ra
obtenidos, aunque son bastante buenos, no alcanzan la
calidad superficial obtenida por fresado en CN.
También se ha realizado una comparativa del error de
forma de las levas fabricadas [1], que no se expone aquí
respectando extensión máxima establecidas para los
trabajos del CIBIM.
4. Conclusiones
Se ha expuesto la metodología seguida para realizar el
estudio comparativo de dos perfiles de levas fabricados
por los procesos de fresado por CN y eletroerosión por
hilo respectivamente. Se concluye que el proceso de
fresado permite obtener una mayor calidad del acabado
superficial de la leva. Los valores obtenidos del
parámetro de rugosidad Ra para el fresado y la
electroerosión por hilo son de 0,3 μm y 1,2 μm
respectivamente.
5. Referencias
[1] A. Montaña. Estudi comparatiu de lleves fabricades
mitjançant processos de fresat i d’electroerosió per fil.
Trabajo Final de Grado (ETSEIB-UPC), Junio. 2016.
[2] I. Gibson, D. Rosen, B. Stucker. Additive
Manufacturing Technologies. 3D Printing, Rapid
Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. 2a Ed.,
New York, US: Springer- Verlag, (2015).
[3] E. Zayas. Aportación al estudio de levas
desmodrómicas. Tesis Doctoral. UPC, Noviembre.
2001.
[4] S. Cardona y D. Clos. Teoría de Máquinas. Ed.
UPC, Barcelona (2001).
[5] R. Norton. Diseño de Maquinaria. Síntesis y análisis
de máquinas y mecanismos, McGraw-Hill, México D.F.
(2009).
[6] S. Schmid. Manufactura, ingeniería y tecnología.
Ed. Pearson Educación. 2002.
[7] J. Agulló y S. Cardona. Valoración de la rugosidad
superficial. Barcelona. Ed. Romargraf. 1974.
45
1924. BANCO DE ENSAYOS TIPO TÚNEL DE VIENTO PARA LA SELECCIÓN DE VENTILADORES
DE REFRIGERADORES DOMÉSTICOS
WIND TUNNEL TEST BENCH FOR THE SELECTION OF FANS OF HOUSEHOLD
REFRIGERATORS
Nelson Jara-Cobos1, Juan Cevallos-González 2, Fran Reinoso-Avecillas 3, Esteban Ordoñez-Morales 4, Cesar Isaza-
Roldán 5, Bolívar Bernal-Pesantez 6
1 Grupo de Investigación y Desarrollo en Optimización, Simulación y Toma de Decisiones (GID-STD), Ingeniería Mecánica,
Universidad Politécnica Salesiana, Ecuador. Email: [email protected] 2 Grupo de Investigación y Desarrollo en Optimización, Simulación y Toma de Decisiones (GID-STD), Ingeniería Mecánica,
Universidad Politécnica Salesiana, Ecuador. Email: [email protected] 3 Grupo de Investigación y Desarrollo en Optimización, Simulación y Toma de Decisiones (GID-STD), Ingeniería Mecánica,
Universidad Politécnica Salesiana, Ecuador. Email: [email protected] 4 Grupo de Investigación en Telecomunicaciones y Telemática (GITEL), Ingeniería Electrónica, Universidad Politécnica Salesiana,
Ecuador. Email: [email protected] 5 Centro de Investigación, Desarrollo y Calidad en Refrigeración y Climatización, Ingeniería Mecánica, Universidad Pontificia
Bolivariana, Colombia. Email: [email protected] 6 Facultad de Ciencias Químicas, Ingeniería Industrial, Universidad de Cuenca, Ecuador. Email: [email protected]
Resumen
Los refrigeradores constituyen uno de los equipos de mayor consumo eléctrico a nivel residencial, es por esto la
importancia de optimizar su funcionamiento y minimizar la energía que demandan a través de propuestas de innovación
tecnológica orientadas a la construcción de electrodomésticos que posean una mayor eficiencia energética.
Uno de los componentes del refrigerador doméstico que debe ser optimizado es el ventilador axial utilizado para la
distribución del aire frio al interior. En este sentido y con la intención de establecer procesos de análisis, hemos visto la
necesidad de desarrollar e implementar un banco de ensayos tipo túnel de viento que permita determinar, entre otros
parámetros, la curva característica de este tipo de ventiladores.
El banco de ensayos que hemos implementado cumple con la normativa ANSI/AMCA Standard 210-16 y los métodos de
prueba aerodinámicos de ventiladores; además de una interfaz gráfica que permite establecer la curva presión–caudal para
el análisis del comportamiento de los ventiladores.
Palabras clave: túnel de viento, refrigerador doméstico, ventilador axial.
Abstract
The refrigerators constitute one of the equipment of greater electrical consumption at residential level, this is why the
importance of optimizing their operation and minimizing the energy that they demand through proposals of technological
innovation oriented to the construction of appliances that have a greater energy efficiency.
One of the components of the household refrigerator that must been optimized is the axial fan used for the distribution of
cold air inside. In this sense and with the intention of establishing analysis processes, we have seen the need to develop
and implement a wind tunnel type test bench that allows determining, among other parameters, the characteristic curve of
this type of fans.
The test bench that we have implemented complies with the ANSI / AMCA Standard 210-16 and the aerodynamic test
methods of fans; besides a graphical interface that allows establishing the pressure-flow curve for the analysis of the
behavior of the fans.
Keywords: wind tunnel, household refrigerator, axial fan
1. Introducción
Los refrigeradores por su uso continuo, constituyen uno
de los equipos de mayor consumo eléctrico, de ahí la
importancia de optimizar su funcionamiento y
minimizar la energía que demandan a través de
propuestas de innovación tecnológica orientada a la
industria, educación al consumidor en buenas prácticas
46
de uso de estos equipos, aplicación de normas e índices
energéticos que regulen los consumos y sistemas de
etiquetado energético [1].
En los últimos años en la UPS Cuenca, se han
desarrollado una serie de investigaciones que involucran
el uso de equipo de laboratorio, simulación gráfica y
numérica fundamentalmente, que han llevado a
establecer propuestas de mejora del sistema de
refrigeración por compresión de vapor, entre ellos:
propuestas de mejora del tubo capilar [2], estudio del
flujo de aire en un enfriador [3], instrumentación de un
refrigerador doméstico [4], además de establecer
criterios del uso de un R600a frente a un R134a [5].
Para continuar en esta línea de investigación, en este
artículo se presenta el diseño y la implementación de un
banco de pruebas tipo túnel de viento para la
determinación principalmente de la curva presión –
caudal de ventiladores axiales utilizados en la industria
de la refrigeración doméstica.
1.1. Ventiladores
Los ventiladores en los refrigeradores domésticos
distribuyen el aire en el interior, además permiten
controlar el grado de humedad y evitan que se acumule
la escarcha sobre las paredes o sobre los alimentos. La
presión generada por el ventilador en el interior debe ser
suficiente para contrarrestar la caída de presión impuesta
por el circuito [6].
Los ventiladores se clasifican en ventiladores axiales o
helicoidales y ventiladores radiales o centrífugos, a su
vez los ventiladores se pueden clasificar de acuerdo al
incremento de la presión que producen y la forma de los
álabes [7].
Los ventiladores axiales desarrollan un flujo de aire
paralelo al eje de giro de la hélice o rodete, son utilizados
en diversas aplicaciones como la ventilación de
espacios, refrigeración doméstica e industrial,
enfriamiento de equipos electrónicos y en aplicaciones
de gran tamaño para la industria de la aeronáutica y la
minería.
En refrigeración doméstica se utiliza ventiladores
axiales como los que se muestran en la Figura 1.
Figura 1. Ventilador axial. Fuente: Autores
En algunos refrigeradores domésticos, el moto-
ventilador se encuentra ubicado en la cámara del
evaporador, mismo que genera el flujo del aire y lo
direcciona a través de ductos al compartimiento de
conservación de alimentos tal como se presenta en la
Figura 2.
Figura 2. Interior de un refrigerador no Frost. Fuente:
Autores
1.2. Curvas características.
Para determinar el performance de un ventilador, se
requiere fundamentalmente obtener en base a ensayos de
laboratorio la curva presión vs caudal; además se pueden
obtener otras curvas en donde se involucran las variables
de caudal, presión, velocidad de giro, nivel de ruido,
potencia y eficiencia [6]. En la Figura 3 se muestran
distintas curvas de comportamiento de un ventilador.
Figura 3. Curvas características del ventilador [8].
Dónde: Pt = presión total, Pe = Presión estática, Pd = presión
dinámica, mm c.d.a = metro de columna de agua, W =
potencia absorbida, η = rendimiento y R = característica del
sistema.
Las curvas establecen el comportamiento del ventilador
según su funcionamiento, y son reportadas por los
fabricantes en sus catálogos.
Algunas estandarizaciones utilizadas para ello son las
normas americanas AMCA/ASHRAE 210-07/51-2007
[9] y sus equivalentes ISO CD 5801: 2007 o británicas
BS 848 parte 1.
1.3. Túnel de viento
El túnel de viento también llamado túnel aerodinámico,
son grandes instrumentos científico-tecnológicos cuya
aplicación es la generación de una corriente fluida de
propiedades conocidas para la medida de las operaciones
del flujo abre obstáculos de diferente naturaleza,
47
aerodinámicos o no, donde el fenómeno físico del aire
juega un papel dominante en el estudio del flujo.
Generalmente son utilizados para los ensayos de
turbinas de gas, compresores y ventiladores de acuerdo
a su velocidad.
Se han podido identificar algunos túneles de viento que
están funcionando en la actualidad, como el ubicado en
la Empresa Brasileña de Investigación e Innovación
Industrial EMBRAPII, el de la Universidad Pontificia
Bolivariana de Medellín (ver Figura 4) y el de
Universidad Católica de Perú.
Figura 4. Túnel de viento de la Universidad Pontificia
Bolivariana [6]
2. Materiales y Métodos
2.1. Diseño del banco tipo túnel de viento.
Para el diseño, desarrollo e implementación del túnel de
viento se selecciona la norma internacional
ANSI/AMCA 210-16.
Considerando que el túnel será utilizado también para el
desarrollo de prácticas académicas se ha seleccionado el
polimetilmetacrilato PMMA (acrílico) como material
para la construcción del ducto principal del banco,
debido a su resistencia a la intemperie, aislamiento
térmico y acústico, baja densidad (1.19 g/cm³) y
facilidad de mecanización.
El diseño se desarrolla en función de la configuración 12
de la norma mencionada (ver Figura 5).
Figura 5. Túnel de viento configuración 12 [9].
Área de la sección circular del túnel de viento.
En esta parte se localiza la cámara de medición donde
existe un espacio amplio dispuesto para el desarrollo del
flujo de aire. Se le conoce como la cámara de admisión
y de descarga y debe tener una sección transversal de al
menos 16 veces al área del plano de salida del ventilador
axial de prueba como se muestra en la Figura 6.
Figura 6. Cámara circular, túnel de viento a) dimensiones
[6], b) modelo 3D. Fuente: Autores
La medida del diámetro interior del tubo es M, el
diámetro del ventilador de prueba es ∅𝑣𝑒𝑛𝑡 𝑝𝑟𝑢𝑒𝑏𝑎 =
120 𝑚𝑚, Considerando este modelo se procede a
obtener el diámetro principal del túnel, ecuación 1 y 2.
𝐴 = 𝜋 4⁄ (𝜙𝑣𝑒𝑛𝑡 𝑝𝑟𝑢𝑒𝑏𝑎2 )16 (1)
𝐴 = 𝜋
4⁄ (122)(16) = 1809,56 𝑐𝑚2 = 𝜋 4⁄ (𝑀2)
(2)
𝑀 = √1809,56 𝑥 4 𝜋⁄ = 48 𝑐𝑚
Medidas generales del túnel de viento.
El túnel de viento se compone de ductos, cámara de
prueba y medición, laminadores de flujo, aros
piezométricos, tomas e indicadores de presión, indicador
de temperatura, boquillas y juntas para la medición y
ventilador auxiliar principalmente. En la Figura 7 se
describe cada una de sus medidas.
Figura 7. Medidas del túnel de viento [9].
Medida A.- La longitud del tubo se considera al menos
dos o tres veces más que la salida del diámetro del
ventilador de prueba (ecuación 3). La longitud de la
48
corneta y del acople para la conexión directa al
refrigerador, se considera opcional de acuerdo al rango.
𝑳𝒕𝒖𝒃𝒐=2∙∅𝒗𝒆𝒏𝒕+𝒆𝒔𝒑𝒆𝒔𝒐𝒓𝒗𝒆𝒏𝒕 𝒑𝒓𝒖𝒆𝒃𝒂+𝒍𝒐𝒏𝒈𝒄𝒐𝒓𝒏
(3)
𝐿𝑡𝑢𝑏𝑜 = 2 ∙ 120 + 30 + 100 = 𝟑𝟕𝟎 𝒎𝒎
𝐴 = 370 𝑚𝑚
Medida B.- La distancia de los racores con
denominación J de acuerdo a la norma, es equivalente a
dos veces el diámetro del ventilador de pruebas paralelo
al flujo de descarga (ecuación 4).
𝟎, 𝟓𝑱=0,5∙𝟐 ∙ ∅𝒗𝒆𝒏𝒕 𝒑𝒓𝒖𝒆𝒃𝒂 (4)
0.5𝐽 = 0.5 ∙ 2 ∙ 120 = 𝟏𝟐𝟎 𝒎𝒎 𝐵 = 120 𝑚𝑚
Medida C.- J es equivalente a 2 o 3 veces el diámetro
de ventilador de prueba (ecuación 5).
𝑱=𝟐 ∙ ∅𝒗𝒆𝒏𝒕 𝒑𝒓𝒖𝒆𝒃𝒂 (5)
𝐽 = 2 ∙ 120 = 𝟐𝟒𝟎 𝒎𝒎 𝐶 = 240 𝑚𝑚
Medida D.- Corresponde al enderezador de flujo y su
medida es 0,45D (ecuación 6), tal como se presenta en
la Figura 8, donde D es el diámetro de ducto (M) [10].
D=0.45 ∙ ∅𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 (6)
𝐷 = 0.45 ∙ 480 = 𝟐𝟏𝟔 𝒎𝒎 𝐷 = 𝟐𝟏𝟔 𝒎𝒎
Figura 8. Enderezador de flujo. Fuente: Autores.
Medida E.- Espacio libre para la base (Nozzle) es al
menos 2 veces el diámetro de la descarga del ventilador
axial (ecuación 7).
𝐸 = 2 ∅𝑣𝑒𝑛𝑡 𝑝𝑟𝑢𝑒𝑏𝑎
(7)
𝐸 = 240𝑚𝑚
Medida F.- Agujeros de sensor de presión aguas arriba
y aguas abajo. La norma considera una medida de 38 ±
6
𝐹 = 38 + 6 = 42𝑚𝑚
Medida G.- La distancia aguas abajo de los Nozzles,
desde la cara de salida de la boquilla más grande al
medio de sedimentación aguas abajo, debe ser un
mínimo de 2,5 diámetros de la garganta de la boquilla
más grande (ecuación 8).
𝐺 = 2,5 𝑑𝑔𝑎𝑟𝑔
(8)
𝐺 = 40,64𝑥2,5 = 101,6𝑚𝑚
Tomas de presión y aro piezométrico.
En el túnel se encuentran instalados los racores para
colocar los medidores de presión, los cuales se instalan
en perforaciones de un diámetro máximo de 3mm, libres
de irregularidades y rebabas como se muestra en la
Figura 9.
Figura 9. Racor-medidor de presión estática tipo T [9].
Boquilla (Nozzle).
Las boquillas sirven para medir la presión diferencial
dentro del túnel de viento, se encuentran disponibles de
diversos diámetros tal como se detalla en la Tabla 1.
De estas medidas se seleccionaron 5 distintos tamaños y
se distribuyeron de acuerdo a lo que se muestra en la
Figura 10. Tabla 1. Medidas de boquillas disponibles [11].
Diámetro de
los Nozzles
(mm)
Caudal de boquilla
(Nozzle) (m³/h)
Valor mín. Valor máx.
10 4, 2 9,9
15 9,5 22
20 17 40
25 27 62
30 38 89
40 68 158
50 106 247
60 208 485
70 271 633
49
Figura 10. Plancha de acople de las boquillas para las
pruebas de ventiladores. Fuente: Autores
2.2. Secciones del túnel de viento - ensamblaje.
Se diseña el túnel de viento con una estructura modular
compuesta por seis módulos.
La primera sección se denomina cámara de entrada y
salida del flujo, corresponde al trabajo de los
ventiladores de prueba que van acoplados según la
configuración 12 tipo D (ver Figura 11).
Figura 11. Sección 1 para ventiladores de prueba. Fuente:
Autores
La segunda sección se conoce como cámara de admisión
y descarga, en donde se establece un plano de medición
de la presión estática y cuenta con un aro piezométrico
distribuido en 4 tomas, que unen a una sola salida para
el sensor de presión, también se acopla los
enderezadores de flujo y el soporte para la cámara de los
ventiladores de prueba (ver Figura 12).
Figura 12. Cámara de admisión-descarga. Fuente: Autores
La tercera sección es la cámara de prueba, en esta se
mide el caudal entregado desde el ventilador a las
diferentes boquillas (ver Figura 13).
Figura 13. Cámara de medida (Pe) y (∆P). Fuente: Autores
En la cuarta sección se tiene la cámara de salida o zona
de descarga donde se logra el desarrollo del fluido aguas
abajo de las boquillas de medición para lo cual se instala
un laminador de flujo (ver Figura 14).
Figura14. Zona de descarga de fluido. Fuente: Autores
La quinta sección representa el cono de reducción de la
cámara principal a la salida de 200 mm donde se acopla
el ventilador auxiliar (ver Figura 15).
Figura15. Sección-descarga cono. Fuente: Autores
La sexta sección está ensamblada por un ventilador
auxiliar acoplado a dos soportes circulares (ver Figura
16).
Figura 16. Soporte ventilador auxiliar. Fuente: Autores
Para evitar la caída de presión en esta sección la norma
sugiere que el ventilador auxiliar debe tener una
distancia mínima con el enderezador aguas arriba de 0,2
veces el diámetro del túnel de viento para evitar una
exagerada caída de presión.
50
Ensamblaje de las partes y módulos.
En la Figura 17 se muestra el túnel de viento
implementado, el cuál luego del montaje de cada una de
las secciones descritas anteriormente, además de
algunos dispositivos, mesa soporte, sistema de
desplazamiento de rieles, sistema de adquisisción de
datos, interfaz con el computador y otros se encuentra
listo para su operación.
Figura 17. Túnel de viento operativo. Fuente: Autores
3. Pruebas y Resultados
Realizando una serie de pruebas a distintos ventiladores,
entre ellos uno ya probado en el túnel de viento de la
Universidad Pontificia Bolivariana se ha podido calibrar
el banco en base a comparaciones numéricas de:
temperatura bulbo seco-húmedo, presión barométrica,
alfa, beta, Reynolds, presión atmosférica, humedad
relativa, etc.
El ventilador utilizado se presenta en la Figura 18, con
el cual se desarrolló la curva característica.
Figura 18. Ventilador NMB de la (UPB). Fuente: Autores
En la Figura 19 se presenta una gráfica presión-caudal
como resultado de la prueba realizada en el mini túnel
de viento de la (UPB).
Figura 19. Curva del ventilador realizada en el túnel de la
UPB [6].
En la Figura 20 se presenta una gráfica presión-caudal
como resultado de la prueba realizada en el túnel de
viento de la (UPS), motivo de este proyecto.
Figura 20. Curva del ventilador realizada en el túnel de la
UPS. Fuente: Autores
El proceso de calibración del túnel de viento
proporcionó resultados con un margen de error
promedio de alrededor del 8%. En la Figura 21 se
presenta las dos curvas que se compararon.
Figura21. Curvas características del ventilador (NMB)
medidos en la (UPS) y (UPB). Fuente: Autores
4. Conclusiones
Se obtuvo información de algunos ventiladores axiales
utilizados en refrigeración doméstica con su
51
clasificación y sus posibilidades de adaptación al túnel
de viento para los respectivos análisis del flujo de aire.
Se determinó un dímatero máximo de ventilador de
prueba de 120 mm.
El banco de pruebas se diseña principalmente en función
de las recomendaciónes de la norma ANSI/AMCA 210-
16, las cuales permiten la evaluación de diferentes tipos
de ventiladores axiales que se utilizan en los
refrigeradores domésticos.
Las boquillas de medición permiten el ensayo de
ventiladores axiales hasta 120 mm de diámetro de
descarga con caudales de flujo en un rango de 3 hasta
300 metros cúbicos por hora.
Para la calibración del túnel de viento de la UPS, se
realizó la comparación entre los datos obtenidos y los
datos de la curva característica determinada en el túnel
de viento de la UPB, además de otras comparaciones con
la curva caracteristica del fabricante del ventilador.
El interfaz desarrollado permite graficar la curva
característica en base a los datos de presión y caudal
sensados durante los ensayos.
El banco de ensayos tipo túnel de viento permite realizar
distintos tipos de ensayos de acuerdo a la forma de
acople del ventilador de prueba al banco, esto es tipo A,
B, C y D para la configuración 12 de la norma
ANSI/AMCA 210-16, además con la implementación
de algunos accesorios se podrá realizar ensayos a
ventiladores instalados en el refrigerador doméstico
directamente.
5. Referencias
[1] N. G. Jara Cobos, «Impacto de las políticas
energéticas en la industria de la fabricación de
refrigeradores domésticos en Latinoamérica: caso
México, Colombia y Ecuador», Tesis Doctoral,
Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín,
Colombia, 2018.
[2] A. Jara, J. Bermeo, N. G. Jara, F. Z. Reinoso,
L. E. Jara, y C. Isaza-Roldan, «Propuestas de mejora del
tubo capilar para incrementar la eficiencia energética de
un refrigerador doméstico mediante software
especializado.», presentado en IX Congreso Ibérico | VII
Congreso Iberoamericano de las Ciencias y Técnicas del
Frío, Valencia, España, 2018, vol. 1.
[3] F. E. Narvaez, N. G. Jara, F. Z. Reinoso, P. A.
Narvaez, L. E. Jara, y C. Isaza-Roldan, «Simulación
numérica de flujo de aire y transferencia de calor en un
enfriador vertical con puerta panorámica.», presentado
en IX Congreso Ibérico | VII Congreso Iberoamericano
de las Ciencias y Técnicas del Frío, Valencia, España,
2018, vol. 1.
[4] N. Jara, F. Reinoso, C. Isaza, L. Jara, A.
Aguinaga, y T. Moreno, «Instrumentación de un
Refrigerador Doméstico para El Análisis del
Comportamiento de las Variables de Presión y
Temperatura de Operación», Revista de la Facultad de
Ciencias Químicas, vol. 2, n.o 18, pp. 1-17, 2017.
[5] F. Puente, B. Castillo, N. Jara, y C. Isaza,
«Estudio Termodinámico de un Sistema de
Refrigeración No-Frost con R600a», presentado en VIII
Congreso Bolivariano de Ingeniería Mecánica, Cuenca -
Ecuador, 2014, p. 12.
[6] J. A. Tangarife Tuberquia, «Diseño de un
banco de ensayos tipo túnel de viento para la selección
de ventiladores en refrigeradores domésticos», Tesis,
Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín,
Colombia, 2015.
[7] C. A. Echeverri Londoño, Ventilación
industrial, 1.a ed. Medellín, Colombia: Sello Editorial de
la Universidad de Medellín, 2011.
[8] S. Escoda, Manual Práctico de Ventilación.-
Catálogo Técnico, Segunda Edición., vol. 1. Barcelona,
España: Salvador Escoda S.A., 2016.
[9] ANSI/AMCA, Laboratory Methods of Testing
Fans for Certified Aerodynamic Performance Rating,
vol. D-86119, 86119, 86119. 2016, p. 79.
[10] V. Kulkarni, N. Sahoo, y S. D. Chavan,
«Simulation of honeycomb–screen combinations for
turbulence management in a subsonic wind tunnel»,
Journal of wind engineering and industrial
aerodynamics, vol. 99, n.o 1, pp. 37–45, 2011.
[11] F. H. Calderon Neira y N. G. Jara Cobos,
«Implementación de un banco de ensayos tipo túnel de
viento para la selección de ventiladores de refrigeradores
domésticos en la UPS Cuenca», B.S. thesis, Universidad
Politécnica Salesiana, Cuenca, Ecuador, 2018.
52
1894. ENSAYO DE TRACCIÓN DE PROBETAS CONSTRUIDAS CON ÁCIDO POLILÁCTICO
MEDIANTE TÉCNICAS ADITIVAS BAJO LA NORMA ASTM D638
TENSILE TEST OF TEST PIECES CONSTRUCTED WITH POLYLACTIC ACID BY ADDITIVE
TECHNIQUES UNDER ASTM D638
Christian Irving Enrique Rodríguez González, Fernando Alejandro Villa Martínez 2
1 Universidad Tecnológica de Aguascalientes, México. Email: [email protected]
2 Universidad Tecnológica de Aguascalientes, México Email: [email protected]
Resumen
El ácido poliláctico (PLA) es uno de los polímeros más empleados en la tecnología de impresión 3D, aplicándose en
diferentes industrias, como es la textil, médica y mecánica, entre otros. El presente trabajo muestra un estudio de ensayo
a tracción en probetas construidas con material PLA bajo la norma ASTM D638 Como resultado del trabajo se demuestra
que existe variación en el esfuerzo de resistencia límite al ser comprobado con los valores de resistencia que ofrecen
distintas fichas técnicas del material, y se logra obtiene el comportamiento esfuerzo deformación del material con
impresión en planos perpendiculares en sentido XZ y ZX.
Palabras clave: Ácido poliláctico (PLA), Norma ASTM D638, Esfuerzo límite de resistencia.
Abstract
Polylactic acid (PLA) is one of the most used polymers in 3D printing technology, applied in different industries, such as
textiles, medical and mechanical, among others. The present work shows a tensile test study in test pieces constructed
with PLA material under the ASTM D638 standard. As a result of the work it is demonstrated that there is variation in the
endurance stress when tested with the resistance values offered by different technical specifications of the material, and it
achieves the deformation effort behavior of the material with printing in perpendicular planes in XZ and ZX direction.
Keywords: Polylactic Acid (PLA), ASTM D638 Standard, Strength Limit Effort.
1. Introducción
El ácido poliláctico (PLA) es uno de los materiales de
mayor uso en los equipos actuales de impresión 3D, por
su facilidad de fusionar a temperaturas más bajas que
otros materiales como el nylon y el acrilonitrilo
butadieno estireno (ABS) [1]. El PLA existe
comercialmente desde la década de los 90. Se ha
experimentado para el uso de distintas aplicaciones
industriales y médicas desde los años 80. [2].
El PLA requiere una temperatura de extrusión entre 190
°C y 200 °C, las impresiones con este polímero sufren
menos deformaciones y por tal motivo se pueden
obtener detalles más finos en la impresión 3D que con
otros polímeros. Por ello se están fabricando elementos
mecánicos variados con PLA por las ventajas que ofrece
de versatilidad, costo y facilidad de impresión [3].
CES EduPack es un software que permite a los expertos
en materiales y a los desarrolladores de productos,
encontrar, explorar y aplicar datos sobre propiedades de
materiales desde hace décadas. [4]. Este hecho ha
permitido disponer de los valores de las propiedades
mecánicas del PLA, así como también de diversas fichas
técnicas del material.
En este trabajo fueron realizados ensayos de tracción a
probetas bajo la norma ASTM D638, para obtener
valores experimentales de resistencia mecánica del PLA
sometido a tracción cuando se imprime en equipos 3D.
Considerando la variedad de resultados reportados de los
esfuerzos límites por resistencia del PLA.
2. Método y selección de material
Del CES EduPack se obtienen las propiedades
mecánicas del PLA y de ellas será estudiada el límite de
resistencia a tracción.
Con este objetivo se elige el nivel tres para extender el
universo de materiales que cuenta el software y se
selecciona el apartado de Polímeros y Elastómeros,
53
donde se dispone de una diversidad de tipos de ácido
poliláctico.
En el estudio fue seleccionado el de propósito general
debido a que es el más cercano al utilizado en las
máquinas de impresión 3D. Ver Tabla 1.
Tabla 1. Selección del tipo PLA.
Fuente: elaboración propia
En la Figura 1, se visualiza el límite elástico como el
mayor esfuerzo por resistencia que consigue soportar el
material PLA. Se obtiene un esfuerzo límite inferior de
55 MPa y como valor máximo 72 MPa.
Figura 1. Propiedades mecánicas PLA. Fuente: elaboración
propia.
Por otro lado en la Tabla 2, se muestran los valores
declarados en las fichas técnicas de diferentes
fabricantes de este polímero después de la impresión
bajo la norma ASTM D638 [5], [6], [7], [8].
Tabla 2. Valores de impresión PLA.
Fuente: elaboración propia
3. Procedimiento de pruebas en base a la
norma ASTM D638
Los ensayos de tensión para materiales plásticos
obtenidos por extrusión y moldeado según ASTM D638,
son un método de ensayo popular y extremadamente
importante. Distintas propiedades de materiales pueden
determinarse al medir la fuerza requerida para traccionar
una muestra del ensayo hasta llegar a su punto de
ruptura. Estos datos hacen posible que tanto los
ingenieros de diseño de productos como los
responsables de calidad puedan predecir con exactitud el
rendimiento de sus productos en las aplicaciones finales.
Esta información es crítica para el desarrollo de nuevos
productos que garanticen el cumplimiento de las normas
gubernamentales de la industria, mejoren la fabricación
y reduzcan los costos de producción. [9].
Para efectuar estos ensayos de tracción, se colocan las
probetas de ensayo en las mordazas de una máquina de
ensayo universal (UTM) y estarán sometidas a una
fuerza de tracción controlada hasta que fallen. Las
velocidades de ensayo varían según el tipo de muestra
para lograr un grado de deformación elástica
longitudinal de 1 %/min y se utiliza un extensómetro
para medir los valores de elongación. Los datos
resultantes del ensayo de tensión se utilizan para
informar las propiedades del material, tales como,
esfuerzos, deformación, módulo de elasticidad
longitudinal y coeficiente de Poisson. Para la mayoría de
los materiales, los resultados del ensayo según las dos
normas serán similares. En el caso de los materiales
plásticos que tienen poca o nada de región lineal [10].
Para el ensayo destructivo se fabricaron 8 probetas de
PLA, 4 de ellas en sentido de impresión XZ y las otras 4
en impresión ZX, en la Tabla 3, se muestran los valores
aplicados para su elaboración en base a la norma ASTM
D638. La Figura 2 muestra el diseño de la probeta de
ensayo.
Tabla 3. Especificación de la probeta en PLA
Fuente: elaboración propia
54
Figura 2. Dibujo de probeta PLA. Fuente: elaboración propia
Previamente del ensayo, fueron diseñadas las probetas
con base a los valores de la Tabla 3 con el apoyo de un
software de diseño para su posterior fabricación.
Figura 3. Probeta en forma de halterio PLA. Fuente:
elaboración propia
En la máquina universal Shimadzu modelo AG-10TG
con capacidad de 20 Tn (200 KN), se realizaron las
pruebas de tracción con una velocidad de avance de 10
mm/min y mordazas de sujeción planas N° 0. [11]. Ver
Figura 4.
Figura 4. Máquina universal Shimadzu con probetas. Fuente:
elaboración propia
4. Resultados y análisis
Se realizaron las pruebas en las probetas con sentido de
impresión XZ, en correspondencia con la norma ASTM
D638. En las Figuras 5 y 6 se observa la carga máxima
soportada por la probeta antes de romper según se
observa la Figura 7.
Figura 5. Cargas soportadas en probetas 1-2. Fuente:
elaboración propia
Figura 6. Cargas soportadas en probetas 3-4. Fuente:
elaboración propia
Figura 7. Ruptura de probetas 1-4. Fuente: elaboración
propia
En las Figuras 8 y 9 muestran los diagramas de fuerza y
esfuerzo de tracción para cada probeta ensayada hasta
rotura.
55
Figura 8.- Comportamiento de la fuerza de tracción hasta la
rotura de las probetas ensayadas XZ. Fuente: elaboración
propia
Figura 9. Comportamiento de la fuerza de tracción hasta la
rotura de las probetas ensayadas XZ. Fuente: elaboración
propia
De la misma manera se procedió a evaluar las probetas
impresas en sentido ZX. Ver figuras 10, 11 y 12.
Figura 10. Cargas soportadas en probetas 5-6. Fuente:
elaboración propia
Figura 11. Cargas soportadas en probetas 7-8. Fuente:
elaboración propia
Figura 12. Ruptura de probetas 5-8. Fuente: elaboración
propia
Con igual preceder que las probetas anteriores se
obtienen los diagramas de fuerza y esfuerzo de tracción.
Figura 13. Comportamiento de la fuerza de tracción hasta la
rotura de las probetas ensayadas ZX. Fuente: elaboración
propia
Figura 14. Comportamiento de la fuerza de tracción hasta la
rotura de las probetas ensayadas ZX. Fuente: elaboración
propia
Con el objetivo de validar los valores de esfuerzos
límites a la tracción obtenida durante el ensayo, se hizo
56
necesario precisar si existes valores posibles a rechazar
por su gran dispersión y baja probabilidad de ocurrencia.
En este sentido, fue aplicado el criterio de Chauvenet
que permite estimar un rango de valores con
probabilidad de encontrarse en un intervalo de confianza
del 95 % y correspondiente a una distribución normal,
asimismo fue evaluada la aceptabilidad de los valores de
las muestras obtenidas en el ensayo y que puedan ser
aceptados como una muestra valida. La aplicación del
criterio de Chauvenet se muestra en la Tabla 4.
Los resultados revelaron un intervalo aceptable de
valores de fuerzas límite entre 146.3 y 257.6 Kgf para
probetas con impresión XZ y entre 135.3 a 232.7 Kgf
para probetas con impresión ZX. De esta forma puede
argumentarse que todos los valores de fuerzas límites
obtenidos en el ensayo pueden considerarse como
válidos para la muestra.
Tabla 4- Criterio de Chauvenet
Fuente: elaboración propia
Con los valores obtenidos en la impresión en sentido XZ
revelan que el 50 % de las pruebas soporta cargas desde
177 hasta 188.5 Kgf y el resto de 188.5 hasta 254 Kgf,
teniendo un promedio de carga soportada de 200 ± 36.1
Kgf, es decir el 68 % de las pruebas toleran cargas de
165.9 a 238.1 Kgf.
A su vez, el 50 % las probetas impresas en sentido ZX
resisten cargas desde 146 hasta 186 Kgf, el resto tolera
fuerzas límite hasta 218 Kgf, obteniendo una media de
carga soportada de 186 ± 31.6 Kgf. De igual manera el
68 % de los ensayos soportan cargas de 152 a 215 Kgf.
Debido a que la muestra obtenida de los ensayos es
pequeña no puede ser considerada una muestra
poblacional con distribución normal.
Por tal motivo, se requiere precisar un intervalo de
confianza para la media muestral que coincida con la
media poblacional con distribución normal.
Tabla 5- Distribución t de Student
Fuente: elaboración propia
En análisis estadístico es aceptada la distribución t (de
Student) para estimar la media de una población
normalmente distribuida cuando el tamaño de la
muestra es pequeño. Ver Tabla 5. En el análisis
realizado a las probetas valoradas para estimar el
esfuerzo de tracción límite, fue aplicado la distribución
t (de Student) para obtener el intervalo de confianza de
la media poblacional con la muestra de 4 probetas para
cada estudio.
Tabla 6- Resultados de distribución t de Student
Fuente: elaboración propia
Considerando los límites inferiores y superiores de la
fuerza máxima fueron calculados los esfuerzos de
ruptura por tracción, tomando en cuenta el área resistiva
de las probetas impresas.
𝜎𝑇lim.sup. =𝐹𝑇lim.sup.
𝐴𝑝=(254.47𝐾𝑔𝑓)(9.81
𝐾𝑔−𝑚
𝑠2)
40𝑚𝑚2 = 63.43𝑀𝑃𝑎 (1)
𝜎𝑇lim.inf.. =𝐹𝑇lim.inf.
𝐴𝑝=(144.53𝐾𝑔𝑓)(9.81
𝐾𝑔−𝑚
𝑠2)
40𝑚𝑚2 =
35.44𝑀𝑃𝑎 (2)
57
𝜎𝑇lim.inf.. =𝐹𝑇lim.inf.
𝐴𝑝=(234.31𝐾𝑔𝑓)(9.81
𝐾𝑔−𝑚
𝑠2)
40𝑚𝑚2=
57.46𝑀𝑃𝑎 (3)
𝜎𝑇lim.inf.. =𝐹𝑇lim.inf.
𝐴𝑝=(133.69𝐾𝑔𝑓)(9.81
𝐾𝑔−𝑚
𝑠2)
40𝑚𝑚2 =
32.78𝑀𝑃𝑎 (4)
Los resultados obtenidos en los ensayos correlacionados
con los esfuerzos límites que proporciona la literatura
especializada [7] [6] [3] [8] permite afirmar la
dependencia del esfuerzo límite de tracción del ácido
poliláctico de la temperatura y velocidad de extrusión. Las Figuras 15 y 16 muestran el comportamiento del
límite de tracción de las probetas impresas en sentido XZ
y ZX en función de la temperatura de deposición de
material PLA. Un comportamiento semejante fue
observado para la velocidad de extrusión.
Figura 15.- Comportamiento del esfuerzo de tracción hasta la
rotura de las probetas ensayadas XZ. Fuente: elaboración
propia
Figura 16.- Comportamiento del esfuerzo de tracción hasta la
rotura de las probetas ensayadas ZX. Fuente: elaboración
propia
5. Conclusiones
Se realizaron ensayos de tracción a 8 probetas PLA
considerando la norma ASTM D638. Los valores de
esfuerzo límite obtenidos muestran un límite inferior de
35.44 MPa y un límite superior de 63.43 MPa en sentido
de impresión XZ, de igual manera se obtiene los
resultados en ZX que van desde 32.78 a 57.46 MPa.
Estos resultados tienen un promedio de divergencia con
los reportados en la Tabla 2 siendo estos 26 % y 29 % y
37 % y 49 % en sentido de impresión XZ y ZX
respectivamente, esto debido a la diferencia de
temperatura aplicada por cada fabricante que fluctúa
entre 190 y 230 °C, así como velocidad de impresión
teniendo un rango de operación de 40 a 80 mm/s.
Esto evidencia que la diferencia de esfuerzos límite
reportados en la literatura especializada son
considerables, por lo que se aconseja en casos de
requerir precisión para diseños que contemplen cálculos
de resistencia deberán obtenerse los esfuerzos límites del
PLA mediante ensayos propios.
6. Referencias
[1] M. Herryman Munilla, «Ácido láctico y
poliláctico: Situación actual y tendencias,» Instituto
Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña
de Azúcar, pp. 49-59, 2005.
[2] D. a. Fukuda, «Biodegradable plastics and
polymer,» Elsevier, p. 627, 2004.
[3] Stratasys, «Stratasys américa latina,» 16 05
2018. [En línea]. Available:
http://www.stratasys.com/mx.
[4] Granta, «GRANTA material intelligence,» 16
05 2018. [En línea]. Available:
https://www.grantadesign.com/es/products/ces/.
[5] Stratasys, Eden Praine, 2018.
[6] PolyMax, «Technical Data Sheet,» New York,
2018.
[7] 3. Innofil, Emmen, 2017.
[8] Ultimaker, «Technical data sheet PLA,» 2016.
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[10] S. d. B. MTS, «Método de ensayo nota técnica
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2016.
[11] Shimadzu, 22 05 1018. [En línea]. Available:
https://www.shimadzu.com/an/test/universal/index.htm
l.
[12] J. Reddy, An introduction to the Finite Element
Method, McGraw-Hill Education, 2005.
[13] A. Standar, Aaual Book of Standars,
Philadelphia, 1996.
[14] M. P. Groover, Fundamentos de manufactura
moderna, México: Prentice Hall, 1997.
[15] D. Systemes, «Solidworks.com,» 10 05 2017.
58
[En línea]. Available: https://www.solidworks.es/.
[16] S. Kenny y N. Pegg, «Finit element
investigations on the dynamic platic cucking of a slender
beam subjet to axial impact,» International Journal of
Impact Enginnering, pp. 179-195, 2012.
[17] F. S. Corral, «Análisis FEA de protesis,»
Avances en sistemas e infomatica, 2007.
[18] L. A. Vera, Simulación con SolidWorks -
Análisis estático lineal, Lima, Peru: editorial macro,
2014.
59
2116. GERENCIAMENTO DE UMA GRANDE MANUTENÇÃO: DE CONCEITOS CLÁSSICOS DE
MANUTENÇÃO A FERRAMENTAS MODERNAS E ÁGEIS
MANAGEMENT OF A GREAT MAINTENANCE: FROM CLASSIC MAINTENANCE CONCEPTS
TO MODERN AGILE TOOLS
Rafael Barbosa-Santos1, Ricardo Schneweiss-De Farias 2, André Augusto-Costa 3, Emmanuel da Silva-Sena 4
Rubens das Graças-Espírito Santo 5
1Bolognesi Energia S.A., Brazil. Email: [email protected]
2 Borborema Energética S.A., Brazil. Email: [email protected] 3 Borborema Energética S.A., Brazil. Email: [email protected]
4 Borborema Energética S.A., Brazil. Email: [email protected] 5Borborema Energética S.A., Brazil. Email: [email protected]
Resumen
El presente trabajo tiene el objetivo de presentar un análisis sobre la evolución de la gestión de un gran mantenimiento en
motores para la generación de energía eléctrica en una planta termoeléctrica en Brasil. Al alcanzar las 12,000 horas de
operación, los motores deben, según las instrucciones contenidas en su manual, someterse a una revisión. Overhaul es un
mantenimiento muy completo, detallado y meticuloso con una gran cantidad de actividades y la necesidad de
conocimientos y experiencia para ejecutarlo, haciendo que este mantenimiento se ajuste a un proyecto. Para ello, se
utilizaron conceptos, metodologías y herramientas de gestión para diseñar la mejor estrategia de gestión con el fin de
garantizar la disponibilidad y confiabilidad del equipo, reduciendo los costos y acortando los plazos. Por lo tanto, se espera
que evalúe y presente qué metodologías mostraron los mejores resultados.
Palabras clave: revisión; planificación de mantenimiento; gestión de proyectos; scrum ágil.
Abstract
The present work has the objective of presenting an analysis on the evolution of the management of a great maintenance
in motors for electric power generation in a thermoelectric power plant in Brazil. When reaching 12,000 hours of operation
the motors must, according to the instructions contained in their manual, undergo an overhaul. Overhaul is a very thorough,
detailed and meticulous maintenance with a great deal of activities and the need for knowledge and experience to execute
it, making this maintenance fits like a project. For this, concepts, methodologies and management tools were used to
design the best management strategy in order to guarantee the availability and reliability of the equipment, reducing costs
and shortening deadlines. Thus, it is expected to evaluate and present which methodologies showed the best results, which
of these can be used together, and which ones did not fit the reality of this great maintenance.
Keywords: overhaul; maintenance planning; project management; scrum agile.
1. Introduction
1.1. Objective of the article
The present work has the objective of presenting an
analysis on the evolution of the management of a great
maintenance in motors for electric power generation in
a thermoelectric power plant in Brazil.
Initially, the classic concepts of Maintenance Planning
and Control were the basis for the design, execution and
follow-up of the project. Later, the concepts of Project
Management (based on the PMBOK), Quality Tools
(gut matrix, s curve, etc.) and finally the use of agile
methodologies such as Scrum Agile were introduced.
Thus, it is expected to evaluate and present which
methodologies showed the best results, which of these
can be used together, and which ones did not fit the
reality of this great maintenance.
1.2. The thermoelectric powerplant
The plant in question is located in the city of Campina
Grande - Paraíba, Brazil. The company has a
cooperation among several labor areas, most of them
mechanical and electrical technicians responsible for the
operation and maintenance of the plant, as well as
60
auxiliaries, chemical and O&M analyst (operation and
maintenance), maintenance planner, as well as a whole
sector of administration and human resources..
As the type of plant itself already suggests, its energy is
generated by burning fuel (OCB1) in four-stroke internal
combustion engines, transforming the mechanical
energy transferred by the pistons to the axis of the motor
into electrical energy by the generator.
The engines are made by the Finnish manufacturer
Wartsila and have the capacity to produce 8.45MW
each, reaching the 20 generating units in operation at
169MW, an amount that is estimated to supply a
population of about 500,000 inhabitants.
1.3. The overhaul
When reaching 12,000 hours of operation these motors
must, according to the instructions contained in their
manual, undergo an overhaul.
Overhaul is a very thorough, detailed and meticulous
maintenance with a great deal of activities and the need
for knowledge and experience to execute, making this
maintenance look like a project. Initially, overhaul was
performed by outsourced service providers. Believing in
the capacity of the primary team, overhaul began to be
carried out without the need of third-party companies, a
factor that in addition to promoting greater reliability
and quality in the execution of services, generated a
significant savings in maintenance costs.
Thus, it was necessary to prepare the project planning
from the equipment maintenance plan and going through
its premises and restrictions on the materials involved,
staff, deadlines and costs. For this, concepts,
methodologies and management tools were used in order
to outline the best management strategy in order to
guarantee the availability and reliability of the
equipment, reducing costs and shortening deadlines.
Figure 1. Wartsila 32V. Font: Wartsila 32V manual.
Figure 2. Engine Room. Font: self elaborating.
61
2. Methods
2.1. Overhaul Planning
To ensure that the time, quality and cost objectives were
met, it was necessary to prepare a planning divided into
several areas. In total there were three months of
preparation prior to the actual start of maintenance
activities. The planning contemplated the execution of
overhaul in five engines sequentially.
It was verified that, over the overhaul in different
machines, different maintenance management methods
and tools were applied. In this work will be evaluated
the application of: Classical Management of
Maintenance, use of Project Management (based on
PMBOK) and use of agile tools.
Scope Planning
The maintenance plan indicated by the engine
manufacturer was reviewed, and additional activities
considered critical were added to the scope. In total,
more than 100 activities were identified and their
durations were estimated with the assistance of the
technical service team. The overhaul stages were
divided into: initial inspection and data collection,
operational maneuvering, dismantling of engine
components, workshop services, engine mechanics,
electrical and automation, engine assembly and final
testing. The MS Project tool was used to chart the
schedule, allocate labor and monitor the progress of
maintenance.
Acquisition of materials
All necessary spare parts for the maintenance were
previously analyzed and acquired, so that there were no
delays or obstacles in the progress of the activities due
to lack of parts. Special equipment and tools, such as
grinders and lathes, were also purchased.
Team sizing
With the deadline for delivery of the services already
established (approximately two and a half months per
engine), the necessary staff was designed to carry out the
activities. The teams were divided into: Motor,
Electrical and Automation Team and Workshop Team.
The team also had the participation of a maintenance
planner, maintenance supervisor, coordinator, operation
and maintenance analyst, chemical analyst, and the
presence of the powerplant manager.
2.2 Final adjustments
Some improvements were implemented in the plant to
provide even greater agility and safety in the execution
of the activities. A new layout was established for the
workshop, aiming at better use of the spaces and
definition of the workflow. A biometric control system
was also implemented for the removal of parts and tools
from the warehouse.
3. Results
All services were executed within the deadlines and in
compliance with the established budget. The quality of
Figure 3. Scrum Board. Story, To Do, In Progress & Done. Font:
https://agiledigest.com/product/understanding-scrum-board/
62
services is continuously attested through reports and
measurement forms. When starting the engines after
maintenance, a loading ramp is performed, a procedure
that aims to see the operation of the engine as the load is
gradually added. All loading ramps were uniformly and
concretely satisfactory.
3.1. Classic maintenance concepts, project
management, agile tools
As mentioned earlier, these three methods and their
principles were used throughout the maintenance. From
the management of maintenance was explored the
system of work orders, reports and dimensional forms.
A service worksheet is filled out daily, and all activities
(as well as difficulties and additional comments) are
inserted in that document. This practice allows a precise
monitoring of the development of the activities, in
addition to indirectly set up a bank of lessons learned for
the upcoming maintenance. In order to quantitatively
control the progress of activities, were used the s curve,
the percentage follow-up of each step and the burndown
curve, which shows according to the established
periodicity (in this case weekly) a comparison between
the remaining amount of activities planned for the date
in relation to the actual amount of remaining activities.
Throughout the overhaul in the third machine were
introduced the concepts of Project Management based
on the good practices presented in the PMBOK. The idea
was that all the generated documentation and control
tools used would be separated into folders for each
knowledge area. The areas, according to the PMBOK,
are:
1. Integration
2. Scope
3. Time
4. Cost
5. Quality
6. Human Resources
7. Communication
8. Risk
9. Procurement
10. Stakeholder
From the fourth engine was introduced the ideas and
concepts of agile management tools. With the use of
Lean Thinking, it was sought to wipe the scope without
ceasing to carry out the necessary activities. We also
introduced the use of Scrum Agile, visual tracking tool
for weekly distribution of activities in a framework,
dividing what activities are to be done, in progress,
carried out and what became a backlog, in addition to
presenting those responsible for each activity.
4. Conclusions
All three months of planning work carried out prior to
the start of maintenance was extremely relevant in order
to establish a strict quality criterion in the services and
process control, being able to affirm that the time spent
to plan was undoubtedly a prime factor for the success
of the maintenance already completed. The classical
maintenance management methodologies and tools were
the initial guide to determine how to manage the
activities. The daily service sheet played a fundamental
role in the transmission of the information produced in
the field to the planning sector, directly assisting in risk
mitigation and decision making. The inspection forms
for activities in each equipment ensure the traceability
and attest to the quality of the services performed. The
control tools (curve s and burndown) promoted a closer
sense of scoping, and helped keep the timeline as close
as possible to week-to-week.
When introducing the concepts of project management,
there was a gain in the organizational sense of the
documents and tools. On the other hand, this
methodology ended up bureaucratizing the management
of the maintenance, being necessary to make available a
lot of time for all the required documents were always
filled and stored according to the established areas.
The use of agile tools generated high-level and quickly
noticed gains. The deployment with the technical team
was well received and the concepts absorbed with ease.
Lean Thinking led to a significant reduction in the
number of tasks present in the scope, without letting any
fundamental activity cease to be executed. With this
methodology it was also possible to reduce the total
maintenance time, an extremely positive factor.
Scrum Agile assisted in the progress of activities and
facilitated the visualization of critical paths, making it
more secure in moments when it was necessary to
prioritize and allocate the workforce for certain services,
as well as generate engagement in the technical team,
which to visualize in a simple way in a frame what was
his weekly mission, was dedicated of more intense way
to guarantee the delivery in the term and quality
expected.
So, it is concluded that the previous planning elaborated
by the plant team was the key factor for success in all
stages of maintenance. The tools of classical
maintenance management have been present since the
beginning of the services and have proved the
effectiveness suggested by the maintenance literature.
The use of Project Management in spite of promoting a
63
greater sense of documentary organization, was not
adapted to the dynamics that an industrial maintenance
requires, being necessary to evaluate in other cases the
applicability in this reality. The agile tools have brought
an exponential gain in the visual management and team
engagement, proving that its application with the classic
management of maintenance is highly positive.
It is worth noting that all maintenance processes took
place ensuring the total health and physical integrity of
the group's employees. In addition, care for the
environment has always been put first through actions
such as, for example, a project for the separation and
reuse of water.
5. Agradecimientos
I thank Plant Manager Ricardo Schneweiss for always
believing in my work and for providing me with the
opportunity to experience this amazing management
experience that his team has performed with complete
success. I thank the board of the Bolognesi S.A. group
for all the support provided for the development of this
work, and for the words of encouragement that have
given me so much to move forward. I thank my
Engineering Manager for not allowing me to give up at
any time.
And thank you with all the pride and happiness to the
whole team of Borborema Energética S.A.. You are
examples of committed professionals and every moment
experienced with you during this work was a school that
I will take for a lifetime.
6. References
[1] "ISO 55001:2014 Asset Management". 10 February
2014.
[2] PMI. “PMBOK Guide 5a. ed.” - EUA: Project
Management Institute, 2013.
[3] Mariana de Almeida Costa (2013). GESTÃO
ESTRATÉGICA DA MANUTENÇÃO: UMA
OPORTUNIDADE PARA
MELHORAR O RESULTADO. Disponible:
http://www.ufjf.br/ep/files/2014/07/2012_3_Mariana.p
df
[4] SHERWIN, D., A review of overall models for
maintenance management. Journal of Quality in
Maintenance
Engineering, Vol. 6, n° 3, p. 138-164, 2000. Disponible:
https://pdfs.semanticscholar.org/bbeb/c91bb16f26c284
a2b4501213271e026c59ef.pdf
64
2292. EVALUACIÓN TEMPORAL Y ESPACIAL DE PM10 and PM2.5 EN LA PONTIFICIA
UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ
TEMPORARY AND SPATIAL EVALUATION OF PM10 AND PM2.5 AT THE PONTIFICIA
UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ
Freddy J. Rojas1, Luis Napan 2
1Grupo de Investigación de Metodologías Aplicadas al Control Ambiental y Eficiencia Energética (GICA), Ingeniería Mecánica,
Pontificia Universidad Católica del Perú, Perú. Email: [email protected] 2 Ingeniería Mecánica, Pontificia Universidad Católica del Perú, Perú. Email: [email protected]
Resumen
Debido al desconocimiento y para el cuidado de la salud de los estudiantes y trabajadores de esta casa de estudios se ha
realizado un estudio de la calidad del aire que se respira en la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP) y su
evaluación temporal y espacial con las variables atmosféricas, se ha determinado las concentraciones de PM10 y PM2.5 y
medido parámetros atmosféricos como la humedad relativa, temperatura y presión barométrica. La metodología empleada
ha sido monitorear en 5 puntos diferentes ubicados dentro del campus usando equipo de monitoreo específico de
investigación de la calidad del aire durante 2 meses febrero-marzo del 2019. Luego, se ha evaluado la variación temporal
y espacial, así como se ha determinado su relación con las variables meteorológicas. Se ha comparado los resultados con
los Estándares Nacionales de Calidad del Aire y guías de la OMS. Los resultados que preliminarmente se han obtenido
en el verano manifiestan que la calidad del aire en el campus está por debajo de los límites de ECA y OMS.
Palabras clave: Material particulado PM10 y PM2.5 ; Evaluación temporal y espacial; Calidad del Aire.
Abstract
Due to the ignorance and health care of the students and workers of this house of studies, a study of the air quality that is
breathed in the Pontifical Catholic University of Peru (PUCP) and its temporal and spatial evaluation has been carried
out. the atmospheric variables, the concentrations have been determined of PM10, PM2.5, and measured atmospheric
parameters such as relative humidity, temperature and barometric pressure. The methodology used has been to monitor at
5 different points located within the campus using specific air quality research monitoring equipment for 2 months
February-March 2019. Then, the temporal and spatial variation has been evaluated, as well as determined its relationship
with meteorological variables. The results have been compared with the National Air Quality Standards and WHO
guidelines. The results that have been preliminarily obtained in the summer show that the air quality in the campus is
below the limits of ECA and OMS.
Keywords: Particulate material PM10 and PM2.5; Temporal and spatial evaluation; Air quality.
65
1. Introducción
Los problemas ambientales en el Perú están afectando
de manera creciente a la salud y la productividad de la
población nacional [1]. Se considera que el aire limpio
es un requisito básico de la salud y el bienestar humano.
Sin embargo, su contaminación sigue representando una
amenaza importante para la salud en todo el mundo.
Según una evaluación de la OMS, son más de dos
millones las muertes prematuras que se pueden atribuir
cada año a los efectos de la contaminación del aire en
espacios abiertos urbanos [5]. El Perú cuenta con el
Reglamento Interno aprobado por Resolución
Ministerial del Sector al cual están adscritas; que,
mediante Resolución Ministerial Nº 094-2017-
MINAM, el Ministerio del Ambiente dispuso la pre-
publicación del proyecto de Decreto Supremo que
aprueba los ECA para aire y establece disposiciones
complementarias, en cumplimiento del Reglamento
sobre Transparencia, Acceso a la Información Pública
Ambiental y Participación y Consulta Ciudadana en
Asuntos Ambientales, aprobado por Decreto Supremo
Nº 002-2009-MINAM, y el artículo 14 del Reglamento
que establece disposiciones relativas a la publicidad,
publicación de Proyectos Normativos y difusión de
Normas Legales de Carácter General, aprobado por
Decreto Supremo Nº 001-2009-JUS; en virtud de la cual
se recibieron aportes y comentarios al mismo [6] Los
contaminantes atmosféricos riesgosos para la salud
humana son el material particulado inhalable (PM10;
PM2.5 y PM0.1) y compuestos químicos gaseosos tales
como dióxido de nitrógeno, ozono, dióxido de azufre,
dióxido de carbono y monóxido de carbono. Según su
tamaño, las partículas se depositan cerca o a cierta
distancia de la fuente de emisión. Si son muy pequeñas
pueden mantenerse suspendidas y ser transportadas a
grandes distancias. Dentro de las partículas suspendidas
se denomina “respirables” a las de un diámetro menor o
igual a 10 µm (PM10) por su capacidad de introducirse
en las vías respiratorias. Cuanto más pequeñas son las
partículas, mayor es su capacidad de penetración en el
árbol respiratorio. Las partículas finas cuyo diámetro
aerodinámico es ≤ 2,5 µm (PM2.5) alcanzan fácilmente
los bronquíolos terminales y los alvéolos, desde donde
pueden ser fagocitadas por los macrófagos alveolares y
atravesar la barrera alvéolo-capilar para ser
transportadas hacia otros órganos por la circulación
sanguínea [3]. El dióxido de carbono es un asfixiante
simple que actúa básicamente por desplazamiento del
oxígeno y que a elevadas concentraciones (>30 000
ppm) puede causar dolor de cabeza, mareos,
somnolencia y problemas respiratorios, dependiendo de
la concentración y de la duración de la exposición [7].
El monóxido de carbono altera la capacidad de la sangre
de transportar oxígeno a los órganos del cuerpo, y puede
producir la muerte aun en cantidades muy pequeñas.
Como no tiene olor ni color, es imposible detectarlo sin
instrumentos especiales [8]. Pocos estudios se han
llevado a cabo en ciudades intermedias latinoamericanas
a fin de determinar sus niveles de contaminación
atmosférica. A través de un análisis de la contaminación
urbana de la ciudad de Chillán (Chile), se llevó a cabo
una investigación. El artículo demuestra que la
atmósfera respirable en la ciudad de Chillán debe ser
considerada como un problema de origen antropogénico
durante otoño e invierno. Esto se explica mayormente
debido al uso masivo de la madera como combustible
para la calefacción residencial dentro de las áreas
urbanas de la ciudad. Este abatimiento se puede alcanzar
junto con las regulaciones públicas de transporte y de la
industria, tales como definir nuevas maneras de evitar el
tráfico vehicular a través del centro de la ciudad, y
prohibiendo el uso de los taxibuses contaminantes que
han sido retirados de circulación en Santiago. Solo así se
facilitará el desarrollo sustentable de ciudades
latinoamericanas intermedias como Chillán, que no
necesariamente deben repetir los graves problemas de
contaminación de las grandes urbes. En el caso de las
mediciones recolectadas durante la investigación, se dio
en un promedio de 3 a 4 horas siguiendo de esta manera
el comportamiento de las actividades de la ciudad y de
las variables meteorológicas. Las concentraciones de
material particulado respirable se determinaron con
monitores IMPROVE equipados con cabezal Sierra
Andersen modelo 246b para partículas menores a 10mm
[9]. Debido al cuidado de la salud de los estudiantes y
trabajadores del campus se optó por realizar un estudio
en la PUCP, en la cual el objetivo fue determinar las
concentraciones de PM10, PM2.5, y medir parámetros
como temperatura, humedad relativa. De esta manera,
evaluar su variación temporal y espacial en distintos
puntos del campus, así como determinar su relación de
acuerdo a los Estándares Nacionales de Calidad del Aire
y guías de la OMS.
2. Materiales y métodos
La investigación se llevó a cabo en el campus de la
PUCP, situado en el distrito de San Miguel. El campus
cuenta con un área total de 0.41 km2, cuenta con diversas
áreas verdes además de las facultades de estudios y las
zonas deportivas. Se estima que la población estudiantil
es de aproximadamente 29920 alumnos, de los cuales
23371 son estudiantes de pregrado y 6549 son
estudiantes de postgrado (DTI PUCP, 2018), quienes día
a día están expuestos al nivel de calidad del aire de la
zona, es por ello que se desea conocer la calidad del aire
y verificar de esta manera si los niveles de los
contaminantes son los adecuados para la salud de los
estudiantes.
66
2.1. Equipos de muestreo
Para el control del PM2.5 y PM10, se utilizó el equipo
muestreador Aeroqual series 500, el cual fue calibrado
desde fabrica. En el caso del CO2 y la humedad relativa,
se utilizó el equipo muestreador DeltaOHM
HD37AB1347; el cual de igual manera fue calibrado
desde fábrica y sus primeros usos fueron realizados para
esta investigación. Se pueden observar mejor los datos
en la Tabla 4.
Tabla 5. Equipos utilizados en el proceso de
investigación.
Marca y código Descripción Rango
Aeroqual series
500
Equipo muestreador del
PM2.5 y del PM10
PM2.5: 0-1000 ug/m3
PM10: 0-1000 ug/m3
DeltaOHM HD37AB1347
Equipo
muestreador del CO2 y de la
humedad relativa
CO: 0-500ppm CO2: 0-5000ppm
RH: 0-100%
T: -20-60ºC Press: 750-1100hPa
2.2. Muestreo y evaluación de la concentración de
contaminantes
Los muestreos se llevaron a cabo en cinco puntos
distintos distribuidos en el campus de la PUCP, durante
el verano entre febrero y marzo del 2019.
Los puntos de muestreos se ubicaron en zonas en las
cuales hay una gran concurrencia de personas durante el
transcurso del día, los puntos fueron los siguientes:
Cafetería de industrial (Punto P1), Comedor central
(Punto P2), Comedor de letras (Punto P3), Comedor de
artes (Punto P4) y la Facultad de arquitectura (Punto P5)
según se muestra en la Figura 1. Además, en cada uno
de los puntos, el tiempo promedio de muestreo fue de 5
horas cada uno.
El Comedor de Artes se encuentra ubicado al lado de la
Facultad de Estudios Generales Ciencias (Figura 2). En
la mayor parte del día esta zona se encuentra muy
concurrida por los estudiantes, sobre todo en la hora
comprendida entre las 12pm y las 3pm debido a que los
estudiantes suelen almorzar en este lugar.
Figura 1. Ubicación de los cinco puntos de monitoreo
en el campus de la PUCP.
Figura 2. Comedor de Artes.
Los datos obtenidos se muestran en la Tabla 5:
67
Tabla 5. Muestra de datos en el Comedor de Artes.
Fecha PM10
(ug/m³)
PM2.5
(ug/m³)
RH
(%)
T
(ºC)
18/02/19 10.38 3.44 57.01 30.31
25/02/19 13.55 4.3 71.11 27.16
04/03/19 18.95 4.45 61.38 28.31
11/03/19 15.11 4.79 55.7 30.37
22/03/19 14.75 4.85 67.19 25.31
25/03/19 17.65 5.3 70.24 25.13
La cafetería de Industrial se encuentra entre la Facultad
de Ingeniería Electrónica y la Facultad de Ingeniería
Industrial. Esta zona es concurrida durante todo el día
debido a que la cafetería se encuentra cerca de una puerta
auxiliar con ingreso a la universidad y también debido a
que los estudiantes suelen almorzar en este lugar. Los
datos obtenidos se muestran en la Tabla 6:
Tabla 6. Muestra de datos en la Cafetería de Industrial.
Fecha PM10
(ug/m³)
PM2.5
(ug/m³)
RH
(%)
T
(ºC)
19/02/19 10.62 3.31 59.87 29.62
26/02/19 13.25 3.40 55.97 30.10
05/03/19 19.25 5.05 59.76 29.05
12/03/19 19.42 6.95 64.91 27.56
19/03/19 20.96 4.23 60.81 26.74
26/03/19 17.25 5.00 67.41 25.10
El Comedor Central es el comedor más grande que posee
la universidad, debido a ello más de 1000 personas
suelen almorzar en este lugar. Es concurrido durante
todo el día y la mayor concentración de personas se
encuentra comprendido entre las 12pm y las 3pm. El
comedor se ubica entre la Facultad de Matemáticas y la
Facultad de Derecho. Los datos obtenidos se muestran
en la Tabla 7:
Tabla 7. Muestra de datos en el Comedor Central.
Fecha PM10
(ug/m³)
PM2.5
(ug/m³)
RH
(%)
T
(ºC)
20/02/19 8.89 3.11 60.47 29.74
27/02/19 11.68 2.95 61.03 29.09
06/03/19 17.68 5.42 64.16 27.41
13/03/19 30.65 8.70 50.6 31.83
20/03/19 21.85 5.75 57.01 27.93
27/03/19 12.63 4.30 50.83 31.4
El comedor de Letras se encuentra ubicado cerca de la
Facultad de Estudios Generales Letras y al frente de
Tinkuy. Este lugar es mayormente concurrido en la hora
de almuerzo, y algunos estudiantes usan espacios como
este para realizar ciertas actividades académicas como el
estudio. Los datos obtenidos se muestran en la Tabla 8:
Tabla 8. Muestra de datos en el Comedor de Letras.
Fecha PM10
(ug/m³)
PM2.5
(ug/m³)
RH
(%)
T
(ºC)
21/02/19 14.24 4.48 65.32 27.95
28/02/19 11.74 3.21 55.29 30.03
07/03/19 26.47 8.42 59.74 28.89
14/03/19 18.2 5.75 54.31 30.24
21/03/19 20.35 6.41 62.62 26
28/03/19 24.05 7.53 63.44 27.4
La Facultad de Arquitectura se encuentra a la espalda de
la Facultad de Física y al lado de la Biblioteca de
Sociales. El monitoreo se realizó exactamente en las
mesas blancas de la Facultad en donde los estudiantes de
arquitectura suelen realizar sus proyectos como la
elaboración de maquetas y otros trabajos académicos.
Por lo tanto, esta zona es concurrida durante la mayor
parte del día. Los datos obtenidos se muestran en la
Tabla 9:
Tabla 9. Muestra de datos en la Facultad de
Arquitectura.
Fecha PM10
(ug/m³)
PM2.5
(ug/m³)
RH
(%)
T
(ºC)
22/02/19 10.18 7.0 65.8 27.52
01/03/19 17.35 3.9 91.91 28.18
08/03/19 22.65 7.7 66.8 26.91
15/03/19 12.15 6.9 71.15 25.33
18/03/19 24.58 6.21 64.55 25.99
29/03/19 24.35 6.75 68.01 24.06
Para la comparación de los datos recolectados del PM10
durante las semanas de muestreo, se tomó como
referencia los límites permisibles que se observan en la
Figura 2 [10].
De acuerdo a los valores del índice de calidad del aire
(INCA) el aire de la PUCP es de buena calidad debido a
que el valor máximo diario que se registró de PM2.5 y
PM10 fueron de 8.42 ug/m3 y 30.65 ug/m3
respectivamente y de acuerdo a los estándares del ECA,
los cuales indican que el PM2.5 máximo es de 50 ug/m3
y el PM10 máximo es de 100 ug/m3, la calidad del aire en
el campus de la PUCP es buena. Además de ello, si lo
comparamos con los limites permisibles de acuerdo a la
OMS podríamos decir que también se encuentran dentro
del rango aceptable. En general, el aire de la PUCP es de
buena calidad.
68
Figura 8. Datos del PM2.5 (PUCP) y SENAMHI
(estación de Campo de Marte).
Figura 9. Datos del PM10 (PUCP) y SENAMHI
(estación de Campo de Marte).
Figura 10. Datos de la temperatura (PUCP) y
SENAMHI (estación de Campo de Marte).
Figura 11. Datos de la humedad relativa (PUCP) y
SENAMHI (estación de Campo de Marte).
2.3. Interrelación entre la concentración de PM2.5 y las
variables meteorológicas.
La Tabla 11. muestra los resultados obtenidos de la
prueba de correlación de Spearman entre los resultados
de PM2.5 y la temperatura, PM2.5 y la humedad relativa.
En la tabla mencionada se encuentran los valores de “p”,
los cuales son menores al nivel de significación de la
prueba (α = 0,05). Esto indica que existe evidencia
suficiente para afirmar que los coeficientes de
correlación (r) son significativos.
Tabla 11. Análisis de correlación de Spearman y valor p
entre las concentraciones de PM2.5, y la temperatura y la
humedad relativa.
Variables meteorológicas r valor p
Temperatura -0.375 0.003
Humedad Relativa 0.265 0.012
Como se puede observar en la Tabla 11., existe una
correlación directa entre el PM2.5 y la humedad relativa,
esto ocurre debido a que las partículas finas del aire
ambiental, cuando existe una mayor humedad relativa,
incrementan la absorción de vapor de agua, lo que tiene
como consecuencia el incremento de la masa del PM2.5
y por consiguiente el aumento de la concentración del
PM2.5. Por el contrario, se presenta una correlación
indirecta entre la temperatura y el PM2.5
69
Tabla 10. Comparación de datos recolectados por SENAMHI y recolectados en la PUCP.
Día PM2.5
(ug/m³)
PUCP
PM2.5
(ug /m³)
SENAMHI
PM10
(ug/m³)
PUCP
PM10
(ug/m³)
SENAMHI
T
(ºC)
PUCP
T
(ºC)
SENAMHI
RH
(%)
PUCP
RH
(%)
SENAMHI
18 3.44 8.9 10.38 14.9 30.31 25.3 57.01 61.7
19 3.31 8.8 10.62 16.4 29.62 23.8 59.87 68.1
20 3.11 9.4 8.89 24.9 29.74 25.9 60.47 54.4
21 4.48 10.9 14.24 24.7 27.95 27.3 65.32 47.8
22 7.00 9.7 10.18 15.0 27.52 22.8 65.80 71.0
25 4.30 12.8 13.55 25.9 27.16 25.5 71.11 73.0
26 3.40 9.3 13.25 18.9 30.10 25.8 55.97 64.7
27 2.95 9.7 11.68 17.5 29.10 24.0 61.03 66.3
28 3.21 8.8 11.74 14.9 30.03 26.2 55.29 53.4
01 3.90 8.7 17.35 14.6 28.18 25.7 61.91 55.5
04 4.45 10.2 18.95 17.1 28.31 25.0 61.38 57.4
05 5.05 11.5 19.25 17.9 29.05 25.7 59.76 58.7
06 5.42 13.3 17.68 20.3 27.41 24.0 64.16 66.8
07 8.42 15.1 26.47 22.4 28.10 25.0 59.74 62.2
08 7.70 14.8 22.65 24.1 26.91 24.8 66.80 63.3
11 4.79 10.9 15.11 16.1 30.37 26.3 55.70 55.4
12 6.95 13.2 19.42 19.8 27.52 25.3 64.91 61.8
13 8.70 12.9 30.65 20.2 31.83 25.0 50.60 59.7
14 5.75 12.1 18.20 17.5 30.24 27.0 54.31 50.8
15 6.90 13.2 12.15 16.6 25.33 22.3 71.15 71.8
18 6.21 12.6 24.58 18.8 25.99 23.5 64.55 62.8
19 4.23 14.7 17.25 23.2 26.74 22.3 60.81 65.9
20 5.75 13.4 21.85 21.1 27.93 22.6 57.01 63.7
21 6.41 13.6 20.35 22.4 26.00 22.8 62.62 63.9
22 4.85 9.7 14.75 17.0 25.31 22.4 67.19 62.7
25 5.30 10.4 17.65 15.1 25.13 22.7 70.24 63.9
26 5.00 11.3 17.25 16.7 25.10 21.9 67.41 71.1
27 4.30 11.2 12.63 17.2 31.40 23.0 50.83 65.8
28 7.53 12.3 24.05 17.9 27.40 23.2 63.44 63.9
29 6.75 14.61 24.35 21.4 24.60 23.7 68.01 63.1
70
2.4. Variación espacial de la concentración de PM10
La Figura 12 muestra una distribución espacial de la
concentración de PM10 en el campus de la PUCP durante
el periodo de estudio. Se observa que la mayor
concentración se centra en dirección al punto 5, en
donde se ubica la Facultad de Arquitectura y Urbanismo.
Pese a ser el punto de mayor concentración en el campus
de la PUCP, este se encuentra debajo del límite
permisible dado por la OMS y por el ECA.
Figura 12. Variación espacial de la concentración de
PM10 en el campus de la PUCP.
2.5. Conclusiones
Se ha concluido preliminarmente que en el temporada de
verano (febrero-marzo 2019) la contaminación debido al
PM10 y PM2.5 ha sido favorable para la comunidad
PUCP al estar por debajo de los límites máximos
permitidos de la ECA y la OMS. Los resultados
encontrados tienen la misma tendencia a los
monitoreados por SENAMHI (Servicio Nacional de
Meteorología e Hidrología del Perú) en la estación
Campo de Marte, validando por lo tanto, nuestros
resultados.
2.6. Agradecimientos
Se agradece a la Pontificia Universidad Católica del
Perú por su apoyo en la investigación a través del
Proyecto ID 591.
3. Referencias
[1] R. Bustios, Carlos; Martina, Martha; Arroyo,
“Deterioro de la calidad ambiental y la salud en
el Peru actual”, vol. 17, pp. 1–9, 2013.
[2] OMS, Guías de calidad del aire de la OMS
relativas al material particulado, el ozono, el
dióxido de nitrógeno y el dióxido de azufre.
Suiza, 2005, pp. 1–21.
[3] M. O. G, “Contaminación aérea y sus efectos en
la salud *”, pp. 16–25, 2010.
[4] MINAM, Aprueban Estándares de Calidad
Ambiental (ECA) para Aire y establecen
disposiciones complementarias. Perú, 2017, pp.
6–9.
[5] OMS, “Guias de calidad del aire de la OMS
relativas al material particulado, el ozono, el
dioxido de nitrogeno y el dioxido de azufre”.
2005.
[6] MINAM, “Aprueban Estándares de Calidad
Ambiental”, pp. 6–9, 2017.
[7] C. Nacional y D. E. C. D. E. Trabajo, “NTP 549 :
El dióxido de carbono en la evaluación de la
calidad del aire interior”, 2000.
[8] E. Davis, “El monóxido de carbono”, no 530.
Department of Biological and Agricultural
Engineering, California, p. 4, 1998.
[9] J. Celis H y J. Morales P, “Estudio de la
contaminación del aire urbano en una ciudad
intermedia: El caso de Chillán (Chile)”, Atenea
(Concepción), no 495, pp. 165–182, 2009.
[10] INCA, : “Ministerial”. 2016.
71
2408. ELECTRIFICACIÓN DEL TRANSPORTE MARÍTIMO
CASO DE ESTUDIO DE NORUEGA
MARITIM TRANSPORT ELECTRIFICATION
STUDY CASE OF NORWAY
Edmundo Villacorta 1
1Facultad de Ingeniería y Ciencias,
Western Norway University of Applied Sciences, Noruega, Email: [email protected]
Resumen
La Organización Marítima Internacional (OMI) impulsa la reducción de emisiones en el transporte marítimo internacional,
razón por la cual nueva reglamentación ha sido elaborada con metas específicas para la reducción de emisiones, se espera
que la adopción de nuevas tecnologías cumpla los nuevos requerimientos y metas establecidas. Asimismo, los automóviles
eléctricos, son populares en Noruega [1] y ha inspirado a fabricantes y empresas de transporte marítimo el desarrollado
de la electrificación del transporte marítimo (transbordadores o ferris). El presente artículo describe los principales
proyectos implementados en Noruega, los mismos que buscan cumplir los requerimientos de la OMI. El éxito de estos
proyectos ha originado la intensiva implementación de transbordadores eléctricos y buques híbridos desarrollados por la
industria naviera en Noruega. En el artículo se discuten las ventajas y desventajas de la adopción de buques eléctricos y
híbridos en el transporte marítimo en Noruega y se presenta estadísticas e investigaciones recientes que sustentan y/o
condicionan la adopción de la electrificación del transporte marítimo.[2] Finalmente la experiencia y estimaciones del uso
de un buque eléctrico es presentado y discutido, mostrando las contribuciones a la reducción de emisiones de Dióxido de
Carbono (CO2) locales, reducción de consumo de combustible así como información relacionada con la evaluación
económica de un buque eléctrico. [3]
Palabras clave: Buques Eléctricos, Buques Híbridos, Transporte Marítimo, Dióxido de Carbono.
Abstract
The International Maritime Organization (IMO) promotes the reduction of emissions in international maritime transport,
new regulations have been developed with specific goals for the reduction of emissions, it is expected that the adoption
of new technologies will meet the new requirements and goals established. Likewise, electric cars are popular in Norway
[1] and have inspired manufacturers and maritime transport companies to develop the electrification of maritime transport
(ferries). This article describes the main projects implemented in Norway, that seek to fulfill the requirements of the IMO.
The success of these projects has led to the intensive implementation of electric ferries and hybrid vessels developed by
the shipping industry in Norway. The article discusses the advantages and disadvantages of the adoption of electric and
hybrid vessels in sea transport in Norway and presents recent statistics and research that support and / or condition the
adoption of electrification of maritime transport. [2] Finally, the experience and estimations of the use of an electric vessel
is presented and discussed, showing the contributions to the reduction of local Carbon Dioxide (CO2) emissions, reduction
of diesel consumption as well as information related the economic evaluation of an electric ship. [3]
Keywords: Electric Ship; Hibrid Ship; Maritim Transport; Carbon Dioxide
1. Introducción
Noruega es un país escandinavo con una larga costa y
una industria naviera bastante importante, la OMI en el
año 2014 determinó que esta industria es responsable del
3% de las emisiones globales, asimismo, planteó
medidas para la reducción de emisiones. Por otra parte,
Noruega ha sido pionera en el desarrollo de la tecnología
de transbordadores completamente eléctricos y de los
propulsados por Gas Natural Licuado (GNL).
Paralelamente y desde el año 2012 la adopción de
vehículos eléctricos (VE) en Noruega a influenciado
positivamente [1] en la sociedad y también en sectores
como el transporte marítimo. Si bien en el caso de VE
los requerimientos de los sistemas de baterías no son los
mismos que en el transporte marítimo, sin embargo, se
comparten los mismos desafíos. En el caso de VE la
relación capacidad de energía/peso resulta importante,
siendo este último, un factor que limita el diseño.
Mientras que en el caso de transbordadores el corto
72
tiempo disponible durante el embarque y desembarque
de vehículos en cada puerto limita el tiempo de carga;
por otro lado, en el caso de sistemas híbridos la
posibilidad de carga y descargas frecuentes son factores
mucho más importantes los mismos que limitan el
diseño.
La electrificación del transporte marítimo no es en
realidad una nueva tecnología, pues esta se encuentra
presente en muchas aplicaciones totalmente
desarrolladas del sector marítimo, un ejemplo de ello son
los submarinos, los cuales, son propulsados por baterías
cuando están sumergidos, el peso de las baterías, la no
necesidad de aire, la no generación de ruido ni la emisión
de gases han sido definitivamente las razones por las que
su uso ha sido tan utilizado. Normalmente las baterías se
cargan con un sistema de generación diésel el mismo que
solo funciona cuando el submarino emerge a la
superficie y puede usar este sistema de propulsión,
consumiendo oxígeno para la combustión y generando
emisiones por la combustión. Este sistema de propulsión
es conocido como sistema diésel-eléctrico. [4]
2. Metodología
El presente artículo esta basado en la revisión de
bibliografia (reportes de proyectos, consultorías, e
informes) realizos por diferentes actores de la industria
maítima noruega, los mismos que han sido traducidos,
interpretados y corroborados de manera teórica por el
autor. El objetivo del presente artículo es presentar los
diferentes criterios y metodologías que han sido usados
en Noruega para el desarrollo de algunos proyectos o
prototipos para la electrificación del transporte
marítimo. Se espera que el presente artículo inspire a
colegas de los diferentes paises iberoamericanos a
implementar soluciones similares en sus respectivos
paises, con la respectiva adecuación de las necesidades
locales de cada país.
3. Definiciones
En el presente artículo se usan las siguientes
definiciones cuyo significado abreviado se refiere a:
Sistema de propulsión diésel-eléctrico: Consiste en
generadores eléctricos gobernados por motores diésel.
La propulsión de la embarcación se realiza mediante un
motor eléctrico controlado por un variador de
frecuencia. La electricidad producida por los
generadores alimenta las necesidades de demanda de
energía eléctrica de la embarcación: motores eléctricos,
iluminación, servicios, etc.
Baterías: Sistemas de almacenamiento de energía
eléctrica en energía química.
Densidad de energía: Relación entre la energía
acumulada en una batería dividida entre el peso de la
batería (Wh/kg).
Densidad de potencia: Relación entre la potencia que
puede entregar (o cargar) una batería dividida entre el
peso de la batería (W/kg).
DOD: Son los acrónimos en ingles de "Deep of
Discharge" se refieren al estado de descarga de la batería
SOC: Son los acrónimos en ingles de "State of Charge"
se refieren a la capacidad disponible (estado de carga) de
la batería expresada como porcentaje de la capacidad
nominal (0 - 100%)
SOH: Son los acrónimos en ingles de "State of the
Health" se refieren a la condición general de la batería y
su habilidad para entregar la performance especificada
comparada con una batería nueva expresado como
porcentaje (0 - 100%)
BMS: Son los acrónimos en ingles de "Battery
Managmente System" o Sistema de Gestión de Baterías,
es un término colectivo que comprende el control,
monitoreo, funciones de protección del sistema de
baterías.
EMS: Son los acrónimos en ingles de "Energy
Managmente System" o Sistema de Gestión Energetica,
es un sistema que te permite el monitoreo y control de
las necesidades de energía.
PMS: Son los acrónimos en ingles de "Power
Managmente System" o Sistema de Gestión de Potencia,
es un sistema encargado de controlar el sistema eléctrico
dentro de un buque de una manera segura y eficiente
4. Antecedentes
No solamente Noruega ha desarrollado prototipos para
la electrificación del transporte marítimo, algunos
proyectos para tener en cuenta como referencia son:
La compañía escocesa Caledonian Maritime Assets Ltd
empezó la operación del primer transbordador híbrido
MV Hallaig en diciembre del 2011 y para diciembre del
2015 empezó operaciones con su tercer transbordador
híbrido MV Catriona.
En Suecia, el transbordador a cable Maj se reconstruyó
en el año 2005 para que funcione con baterías, y el costo
de reconstrucción fue de $ 534 mil USA (alrededor de
5.000.000 coronas suecas o SEK). Se instalaron baterías
de plomo ácido en el transbordador clásico EPzS 180 2V
180Ah (C5), montado en tres grupos de 167 células. Las
baterías fueron suministradas por TUDOR en Suecia
(Exide Industrial Energy Suecia). Los motores eléctricos
funcionan a 400 V. Con las baterías, el transbordador
podría ser utilizado sin usar los motores diésel, cargando
de 5 a 6 horas de noche, 30 minutos por la mañana y 30
minutos por la tarde. El líder del proyecto Jarl
Andreasson afirmó que Baterías después de unos años
73
(3-4 empeoraron). y por lo tanto debe ser cargado por 2-
3 horas en la mañana Con generador diesel en
funcionamiento (Andreasson 2010).
PlanetSolar: El catamarán de 85 toneladas PlanetSolar
de 15 millones de euros entro en operación en el año
2010. En el año 2012 se convirtió en el primer yate en
navegar alrededor del mundo. Navega propulsado por
paneles solares de 93kW y mantiene una velocidad
media de 7,5. Nudos (13,9 km/h). Para ello, es
imprescindible tener baterías que pueden recargarse
cuando hace sol y se descargan.
La experiencia y análisis reciente de proyectos en
transbordadores eléctricos, buques para el trabajo en
plataformas y embarcaciones de pesca en Noruega en los
últimos años es presentado a continuación
5. Casos de Estudio de la Experiencia en
Noruega
5.1. Transbordadores Eléctricos
El desarrollo de los transbordadores en Noruega es
posterior a la segunda guerra mundial. Los
transbordadores de doble extremo que se usan en la
actualidad son posteriores a 1960. El uso de
transbordadores en Noruega es importante para unir el
transporte rodado, pues muchas de las carreteras son
interrumpidas por los fiordos noruegos.
Para el año 2015 existían alrededor de 430 cruces de
transbordadores dentro de 100 conexiones dentro de
Noruega de acuerdo con la información de la
administración de caminos públicos en Noruega
(Statesvegesen).
Un total de 745 000 toneladas CO2 fueron emitidos por
la flota de transbordadores en el 2011. 400 00 toneladas
CO2 fueron emitidos por la flota de transbordadores
representando el 1% de las emisiones totales en Noruega
[6]
En el estudio publicado por la firma DNV [2] en el año
2015 se presentaron algunos criterios y supuestos para la
electrificación de 52 cruces mediante transbordadores
todos menores de 30 minutos. El estudio comprende:
- Transbordadores estándar de 120 vehículos
equivalentes de pasajeros (VEP para mayores detalles
ver la Tabla 1) por cada transbordador y todos los
transbordadores tienen una velocidad de 12 nudos
(ambos valores son altos y por lo tanto representan
valores bastante conservativos).
- Todos los transbordadores tienen la posibilidad de
carga rápida durante 5 minutos en cada muelle o puerto.
Las necesidades de potencia (kW) están dadas por el
tiempo de cruce (minutos) y el consumo de energía
(kWh).
Tabla 6. Equivalencias para tener en cuenta para
vehículos equivalentes de pasajeros
Tabla de vehículos equivalentes de pasajeros (VEP)
Descripción VEP
Automóviles particulares
(incl. taxis o pick-up)
1
Motocicleta 0,5
Bicicleta 0,2
autobús, tractor, camión 3,5 Fuente: Wikipedia.
El estudio determinó que las inversiones necesarias en
las redes eléctricas para un cruce de transbordador
varían entre CERO y 80 millones de coronas noruegas o
MNOK (aprox. $ 9,4 millones USA) y un total de 900
MNOK para los 52 cruces considerados en el estudio.
Los principales beneficios de la electrificación de los 52
cruces se estiman:
- La reducción de 155 000 toneladas de CO2/año.
- La reducción de 50 000 toneladas de Diesel/año.
- El incremento en el consumo de electricidad de 240
GWh/año.
- Las inversiones necesarias para la conversión de
transbordadores eléctricos se estiman en 1 700
MNOK.
- La teorética máxima demanda coincidente se estima
en 180MW, siempre que todos los transbordadores
se carguen al mismo tiempo, lo cual nunca
sucedería, de cualquier modo, la capacidad de la red
eléctrica noruega puede suministrar sin problemas
esa potencia adicional.
Para la evaluación de las inversiones se consideraron 3
diferentes etapas:
Etapa 1: Costos de inversión por cruces de transbordador
(inversiones en el transbordador)
Etapa 2: Costos de inversión necesarios para el
reforzamiento de la red eléctrica
Etapa 3: Se suman los costos de Etapa 1 más los costos
de Etapa 2 y se agregan costos extras relativos a la
integración
Análisis incluye lo siguiente:
10 años de vida útil para las baterías a bordo, mientras
que el tiempo de vida útil del reforzamiento de la red se
74
asume en 30 años. La tasa interna de retorno fue del 4%
Etapa 1: Costos de inversión por cruces de transbordador
(inversiones en el transbordador). Se dimensionan según
los criterios del primer transbordador eléctrico en
Noruega (Ampere). Los cálculos se definen por las
dimensiones de instalación de las baterías (kWh) y el
costo unitario de las mismas (NOK/kWh) estimado en
16 000 NOK/kWh (incluye baterías y sistema de
control). Las dimensiones de las baterías en cada
transbordador son diseñadas considerando 5 veces la
energía necesaria para un simple cruce de transbordador.
Costos por Diesel y Electricidad: Los ahorros en costos
de operación representan la diferencia entre el consumo
de Diesel y los costos de electricidad. El costo de Diesel
es de 5800 NOK/Ton y los costos de electricidad
(energía) 0,3 NOK/kWh
Reducciones de CO2: Se usa el factor de 3,09 toneladas
de CO2/tonelada de Diesel y no se consideran otro tipo
de emisiones como NOx, SOx o partículas. Finalmente,
el uso de la electricidad en los transbordadores se
considera sin emisiones debido a que Noruega tiene el
100% de la producción de energía eléctrica de fuentes
renovables (hidroeléctrica).
Finalmente, el gobierno noruego ha encargado la
fabricación de más transbordadores eléctricos y se
estima que para los años 2021-2022 existan en operación
alrededor de 60 transbordadores totalmente eléctricos.
5.1.1. El Primer Transbordado Totalmente
Eléctrico
Los puertos de Lavik y Oppedal cuentan con el servicio
de transbordador el cual los conecta y es parte de la vía
europea E39, ésta vía cruza el fiordo de Sogn. Esta ruta
de 5,6km es considerada similar a la ruta promedio de
todas las rutas de transbordadores en Noruega (6,8km de
acuerdo con Statens Vegvesen, LMG Marin, CMR
Prototech, & Norsk Energi, 2016). El Servicio de
transbordador cuenta con un total de 104 cruces de
transbordador un día normal (de lunes a viernes 52 desde
Lavik y 52 desde Oppedal). El servicio se reduce a 70
cruces los sábados (35 desde Lavik y 35 desde Oppedal)
los días sábado y un total de 90 cruces de transbordador
los días domingos o feriados (45 desde Lavik y 45 desde
Oppedal). La empresa NORLED opera este cruce con 3
transbordadores diferentes: el MS Ampere (totalmente
eléctrico), el MS Oppedal y el MS Stavanger.
Figura 1. Operación típica de un transbordador eléctrico y
las necesidades de potencia durante cada etapa de la
operación. Fuente: DNV, traducción propia.
MS Ampere fue construido en el año 2014, que opera
entre los puertos de Lavik y Oppedal realiza 34 cruces
un día normal (de lunes a viernes inicia el servicio a las
07:00 h en el muelle de Oppedal y regresa al mismo
muelle a las 23:30h lo cual le permite cargar durante la
noche (07h30 minutos), 30 cruces un día sábado (inicia
el servicio a las 06:00h en el muelle de Oppedal y
regresa al mismo muelle a las 21:30h lo cual le permite
cargar por la noche (08h30 minutos) y 32 cruces un día
domingo (inicia el servicio a las 07:00 h en el muelle de
Oppedal y regresa al mismo muelle a las 23:30h lo cual
le permite cargar durante 07h30 minutos por la noche).
Para el dimensionamiento de las necesidades de energía
y potencia se realizó un estudio de las necesidades
típicas de los transbordadores durante la maniobra en el
puerto inicial, aceleración, el tránsito de un puerto al
otro, la retardación, la maniobra en el puerto de llegada
y las necesidades durante su estancia en el puerto. En la
Figura 1 se muestran las necesidades de potencia típicos
del transbordador MS Ampere.
5.1.2. Estudio de Ciclo de Vida en
Transbordadores
Un estudio posterior se encargó de elaborar el análisis de
del ciclo de vida LCA (por sus siglas en inglés) de los
transbordadores LCA Throndeim tesis el LCA se basa
en el standard ISO 14040
Se compararon 4 casos:
- Catamarán fabricado en Aluminio (reducción de
peso) y diseño aerodinámico con propulsión
totalmente eléctrica (MS Ampere).
- Monocasco fabricado en acero con propulsión
Diesel Marino (MS Oppedal).
- Catamarán fabricado en Aluminio con propulsión
Gas Natural Licuado (Caso teórico)
75
- Catamarán fabricado en Aluminio con propulsión
Diesel Marino (Caso teórico)
El análisis realizado demostró que los resultados son
sensibles a las diferentes formas de producción de
energía eléctrica (mezcla de diferentes tipos de
producción de energía eléctrica y proporción de las
energías renovables en la mezcla).
Se estimó que para la producción del transbordador se
necesitaron 420 toneladas de Aluminio en el casco. El
transbordador cuenta con un sistema de baterías a bordo
de 1040 kWh (2 x 520 kWh con un peso de 10 toneladas
y sistema de enfriamiento por aire) y sistemas de baterías
en cada puerto de 420 kWh. Las baterías en cada puerto
se usan diferente comparadas con las baterías a bordo.
Durante la operación las baterías en puerto realizan la
mitad de los ciclos, pero con un mayor nivel de descarga
(DOD) comparados con las baterías a bordo. Se estima
un tiempo de vida de baterías de 10 años.
El sistema de carga y baterías presenta los siguientes
detalles de diseño:
- Pérdidas durante la carga del 4%
- Tiempo de carga 9 minutos en cada muelle y antes
de cada cruce.
- 1000kW de potencia es suministrado por las
baterías en puerto.
- 250kW de Potencia es suministrado por la red de
electricidad
- 7kW es la potencia requerida por el sistema de
estabilización y amarre con un consumo de energía
de 1,2kWh
- La eficiencia del ciclo de carga y descarga de
baterías es de 95%
- En promedio el transbordador consume 186kWh
por cada cruce (propulsión y auxiliares de acuerdo
con los diferentes modos de operación que tiene que
realizar por cada cruce (ver Figura 1) donde la
potencia requerida varía entre 80kW y 600kW
razón por la que 2 motores de 300kW son
considerados). La energía consumida durante la
noche y cuando el sistema de carga de baterías no
ha funcionado no está incluida
El MS Oppedal opera en la misma ruta y se estimó que
para la fabricación del transbordador se emplearon 1000
toneladas de acero en el casco. El modelo de análisis
incluye 2 motores Yanmar 6AYM-WET H-ration
equivalentes a 4,7 toneladas, estos motores producen
una potencia mayor y permiten navegar a 13 nudos. Se
consideran 2 motores debido a que los requerimientos de
mantenimiento de los motores son de cada 12 mil horas
de operación.
Para la operación del MS Oppedal se estimaron 100kW
para los servicios auxiliares. El transbordador opera a
50% de la propulsión durante maniobras, 120% durante
la aceleración y 25% durante la retardación. Esto
produce modos de operación que varían entre 175kW y
1000 kW por lo que los motores se seleccionan con una
potencia máxima continua que varía entre 60% y 80%
en la mayor frecuencia posible con dos generadores de
500kW cada uno con un consumo especifico de
combustible de 0,8g/kWh
En el caso de los modelos teóricos se asumió 2 motores
Cummins KTA 19 GC (Cummins Inc, 2009; Yanmar
CO. LTD. Marine Operations Division, n.d.) con un
peso total de 4,3 toneladas, pero el combustible y otros
sistemas tienen que ser tomados en cuenta. Si el
abastecimiento de combustible ocurre cada 4 días
alrededor de 5,5 toneladas de Diesel deben de ser
añadidos y 14 m3 de Gas Natural Licuado. Por lo tanto,
el peso del sistema Diesel varía desde unas 5 toneladas
hasta 9,8 toneladas siendo este último valor el caso del
tanque completamente lleno el cual es parecido al de 10
toneladas para el caso de baterías. El peso del sistema de
GNL es mayor debido a que los 14m3 de GNL
representan un peso de alrededor de 6 toneladas y el
tanque unas 7,5 toneladas por lo que el peso del sistema
GNL varía desde unas 12 toneladas hasta 17,8 toneladas
como máximo. Por otro lado, las estimaciones de
volumen sugieren 4m3 para los motores y 35m3 para el
tanque de GNL y un Volumen de Diesel de 6875m3
Comparados con los 21m3 de Volumen ocupado por las
baterías.
Las mayores ventajas del GNL es que no SOx es emitido
y una menor producción de partículas en suspensión con
la desventaja de la emisión de metano a la atmosfera en
el caso combustión incompleta o de fugas, pues el LNG
contiene entre 85-95% de metano, Los típicos motores
usados son:
- Lean Burn Otto ciclo (actualmente usado en
Noruega)
- Motores de doble combustible.
- Ciclo diésel de inyección de gas natural a alta presión.
"Según el estudio (Statens Vegvesen et al., 2016), los
transbordadores a batería son los más respetuosos con el
medio ambiente (solo los CO2 equivalentes fueron
incluidos en el reporte), sin embargo, existen
limitaciones. Las limitaciones son alta velocidad, largas
distancias, tiempo en el puerto para cargar y limitaciones
de capacidad de la red eléctrica. Los transbordadores
totalmente eléctricos también necesitan por seguridad un
sistema alternativo de producción de energía, en este
caso un generador eléctrico diésel es instalado a bordo.
76
El análisis del 2015 como año básico determinó que el
MS Ampere tiene un promedio de 32,9 cruces por día
mientras que el MS Oppedal 43,9 cruces por día. Esta
forma de operación definida por el operador de
transbordadores NORLED quien consigno en su oferta
de operación una demanda mínima y que una tercera
parte de la operación de transbordadores se realizaría
con transbordadores totalmente eléctrico. Cabe resaltar
que el MS Ampere tiene paradas de hasta 30 minutos a
veces con la finalidad de eliminar posibles fallas durante
el proceso de carga.
El análisis muestra que la operación de transbordadores
tiene la mayor contribución para todas las categorías
evaluadas en el LCA y durante la fabricación en el caso
de los transbordadores totalmente eléctricos, las baterías
tienen sustancialmente mayores impactos comparados
con los materiales usados en la fabricación del casco.
5.2. Buques para el Trabajo en Plataformas
La extracción de petróleo en el mar del norte es la mayor
fuente de exportaciones en Noruega para lo cual se usan
de manera intensiva los buques denominados en ingles
“Platform Supply Vessel: PSV” los mismos que se usan
de manera intensiva en Noruega.
La experiencia con estos buques que funcionan con
sistemas diésel-eléctricos ha sido la de cuantificar las
necesidades de energía en cada tipo de operación que
estos buques operan en diferentes fases tal como se
muestra en la Figura 2. Estos buques requieren en todo
momento un sistema de producción de energía eléctrica
confiable y en muchos casos operan con equipos
redundantes para garantizar en todo momento la
operación.
Figura 2. Cuantificación de las diferentes fases de la
operación de un buque durante el tiempo que trabaja en las
plataformas petroleras. Fuente: Lindstad et al. 2016,
traducción propia.
La solución tecnológica adoptada para los buques que
trabajan en las plataformas petroleras fue la de
incorporar sistemas de baterías con la finalidad de
producir la energía eléctrica de una manera más estable.
Las baterías se conectan a la red eléctrica y mientras se
cargan funcionan como una parte de la demanda del
buque la misma que permite ser administrada tanto por
el PMS el mismo que opera de manera coordinada con
el EMS y el BMS donde se gestiona las baterías. Luego
de que las baterías han sido cargadas están se comportan
como un generador y son usadas para responder a los
cambios bruscos de demanda y a la eliminación de los
picos de demanda producidos dentro de los buques.
La experiencia con este tipo de buques ha sido liderada
por la empresa Eidesvik [5] la cual ha desarrollado las
siguientes implementaciones:
En el buque Viking Lady, en el año 2012, se realizó
la primera prueba de batería a gran escala a nivel
mundial en un barco en alta mar (FellowSHIP); con
un sistema de baterías de 350kWh de energía y
máxima potencia de 900kW; usada para la
eliminación de los picos de demanda y encendido-
apagado (start-stop)
En el buque Viking Queen, en el año 2015, se
instaló un sistema de baterías de 652kWh de energía
y máxima potencia de 1600kW usada para la
eliminación de los picos de demanda y encendido-
apagado.
En el buque Viking Energy, en el año 2016 se
instaló un sistema de baterías de potencia 652kWh
- 1600kW usada para reserva “spinning”,
eliminación de los picos de demanda y encendido-
apagado.
En el buque Viking Princess, en el año 2017, se
convirtió en el primer buque de operaciones en el
mundo que reemplazó uno de los generadores del
sistema diésel-eléctrico por un sistema de baterías
de 511kWh - 1600kW - usada para reserva
“spinning”, eliminación de los picos de demanda y
encendido-apagado.
Esta secuencia de hitos evidencia el desarrollo paulatino
y conservador de la industria marítima petrolera, donde
los sistemas de almacenamiento de energía han
encontrado su lugar en la electrificación de buques. Los
análisis realizados indican que los buques con sistemas
de almacenamiento de energía obtienen beneficios
como: el 15% de reducción en el consumo de
combustible, el 20% de la reducción de emisiones, con
una reducción importante del mantenimiento y tiempo
de recuperación de la inversión estimado en 5 años.
Siendo este último la razón fundamental para realizar las
adecuaciones a la flota existente.
77
5.3. Electrificación de la Flota Pesquera
Existen poco más de 3168 botes de pesca entre 9 y 15
metros en Noruega con una antigüedad promedio de
29,4 años (6 de cada 10 con una antigüedad mayor de 30
años) y 150kW de potencia de motor. El informe
considera 2950 botes, los botes con una antigüedad
mayor a 50 años y los botes con un motor menor a 50kW
fueron descartados.
Existen 550 puertos pesqueros registrados en Noruega
sin embargo los puertos pesqueros más activos son entre
30 y 50.
El barco de pesca hibrido MS Karoline, tiene un sistema
de baterías de 195kWh (en dos paquetes) y un sistema
de generación diésel-eléctrico de 80kW, este barco
empezó operaciones en el año 2015, y generó
expectativas de reducción del 50% en el consumo de
combustible Diesel y en las emisiones de CO2.
Estas reducciones están basadas en la operación típica
de los botes de pesca como el MS Karoline:
- Las baterías se cargan de noche cuando el bote está
en el puerto.
- La operación típica para un bote de pesca se estima
en 12 horas de excursión en el mar y 200 días de
pesca por año.
- Las 12 horas de excursión en el mar se están
conformadas de 2 horas de transporte (puerto hasta
la zona de pesca), 8 horas de operaciones de pesca
y 2 horas de transporte de regreso a puerto.
- El transporte del puerto hasta la zona de pesca se
hace con Diesel
- La energía para las operaciones de pesca y los
requerimientos de cabina son cubiertos por el
sistema de baterías.
- El transporte desde la zona de pesca hasta el puerto
se hace con Diesel, eventualmente la energía
disponible en las baterías es usada en parte del viaje
de regreso tal como se muestra en la figura...
Es necesario tener en cuenta que muchos botes de pesca
tendrían que ser renovados. Los sistemas híbridos
(incluyen: paquete de baterías, electrónica y el
generador diésel) requieren de mayor espacio
comparado con un sistema tradicional de propulsión.
Los sistemas de propulsión híbridos requieren la
instalación de un motor eléctrico en el eje de la hélice
(para la propulsión). El motor eléctrico es accionado por
la energía eléctrica almacenada en las baterías o por la
energía eléctrica producida por el generador diésel.
Adicionalmente se instalan sistemas de electrónica de
potencia y de control que permiten administrar la fuente
de suministro de energía en la Figura 3 se muestra un
ejemplo de la solución técnica propuesta.
Figura 3. Ejemplo de solución técnica para pequeños barcos
de pesca, La propulsión se realiza a través de un motor
eléctrico (M). Fuente: Bellona / Siemens, traducción propia.
El mayor desafío se encuentra en el desarrollo de la
infraestructura de carga en el puerto pesquero teniendo
en cuenta los problemas de congestión de embarcaciones
pesqueras, las mismas que se producen durante las
temporadas de pesca.
El costo de Diesel es de 5 NOK/litro + 2,51 de carga
impositiva y los costos de electricidad (energía) 0,5
NOK/kWh.
Se estima una reducción del consumo del Diesel de 130
000 ton/año a 65 000 ton/año y unas reducciones de
emisiones de CO2 de 420 000 ton/año a 210 ton/año y
de NOx de 2800 ton/año a 1 400 ton/año
El estudio reveló que las inversiones promedio para
instalar un sistema hibrido se estiman en 1,7 MNOK por
bote. Estas inversiones no estarían al alcance de los
propietarios de embarcaciones pesqueras quienes
actualmente se benefician de un subsidio para poder usar
Diesel. El estado noruego asumió un total de 430
MNOK en subsidios (2015). Eliminar ese subsidio y
reemplazarlo por un programa de apoyo para la
implementación de sistemas híbridos no ha sido bien
acogido por el gobierno noruego, razón por la cual por
el momento no se aprecia un programa de electrificación
de las flotas pesqueras dada la magnitud de inversiones
a realizar.
78
6. Conclusiones
La implementación de transbordadores completamente
eléctricos en Noruega es posible debido a que la
frecuencia de servicio de los transbordadores varía
durante el día (mayor frecuencia a horas de mayor
demanda y períodos sin servicio durante la madrugada),
por lo que se dispone de tiempos de carga durante la
madrugada y parte del día.
Las soluciones típicas para transbordadores en Noruega
implican sistemas de baterías de alrededor de 500kWh
(2 en caso del MS Ampere)
Al cargar tanto como sea posible entre cada viaje durante
el día se puede reducir significativamente el peso de la
batería.
Alrededor de un tercio de la energía necesaria en cada
cruce, puede ser suministrado a las baterías,
dependiendo de la potencia de carga y cuánto tiempo
permanece el transbordador en el muelle.
En tierra las deficiencias en la red se pueden compensar
con sistemas de baterías en tierra, uno en cada puerto de
alrededor de 400kWh caso de Lavik-Oppedal.
La electrificación de los botes de pesca y buques para la
operación en plataformas petroleras se realiza con
sistemas de almacenamiento de energía (basados en
sistemas de propulsión diésel-eléctrica).
Los Buques para la operación de plataforma típicamente
operan con sistemas de baterías de entre 500kWh y
650kWh y que pueden suministrar una demanda máxima
de 1600kW en caso de picos de demanda.
Los botes de pesca, entre 9 y 15m, requieren sistemas de
almacenamiento de energía de alrededor 50kWh.
Los sistemas de almacenamiento de energía basados en
baterías de iones de litio son las más usadas para la
electrificación del transporte marítimo en Noruega.
7. Referencias
[1] E. Villacorta, “Vehículos Eléctricos. Caso de Estudio
del Éxito en Noruega”, Revista Congreso
Iberoamericano de Ingeniería Mecánica Cibim 12, 2015.
[2] A. Mjelde, et all. DNV GL report, “Elektrifisering av
bilferger i Norge – kartlegging av investeringsbehov i
strømnettet”, Report no. 2015-0500. 2015.
[3] L. B. F. Mjølhus, “Evaluation of Hybrid Battery
System for Platform Support Vessels” Master’s thesys
in Mechanical and Structural Engineering at Stavanger
University 201
[4] E. Villacorta, “Revisión de las Tecnologías
Disponibles para Reducir las Emisiones en la Industria
Naviera”, Revista Congreso Iberoamericano de
Ingeniería Mecánica Cibim 8, 2009.
[5] Arve Nilsen, (Eidesvik), “Elektrifisering og
batteriteknologi – Fordeler og utfordringer” Konferanse
Næringslivets Nox-fond 6 Sep. 2018
[6] Annelise B. Kullman, “A Comparative Life Cycle
Assessment of Conventional and All-Electric Car
Ferries” Master thesys in Marine Technology at NTNU
Norwegian University of Science and Technology June
2016
79
2500. Sustentabilidade do Processo: Práticas e Processos Mais Limpos na
Indústria do PVC: Um Estudo de Caso em Empresas no Estado de Santa
Catarina, Brasil
Process Sustainability: Cleaner Processes and Practices in the PVC Industry:
A Case Study in Companies in the State of Santa Catarina, Brazil.
1Julián F. Ordoñez D.*,2 Paola Andrea de Antonio B., 3João Carlos E. Ferreira 123 GRIMA/GRUCON, Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Federal de Santa Catarina. Brasil.
[email protected] 2 [email protected] 3 [email protected]
Resumo
O aprimoramento dos processos de manufatura do PVC de terceira geração é uma necessidade do setor, uma vez que
é mandatório o cumprimento de regulações, bem como a importância de minimizar riscos potenciais associados à
saúde dos trabalhadores e ao gerenciamento de recursos e resíduos que advêm de seu processo produtivo. Nesse
contexto, este trabalho apresenta um estudo realizado em empresas que fabricam peças e produtos finais de PVC.
Avalia-se o estado da Produção mais Limpa P+Le sua relação com práticas de Manufatura Enxuta ME mediante o
método denominado benchmarking de processos competitivos. O modelo resultante categorizou as empresas conforme
o grau de maturidade no desenvolvimento de práticas e performances ao longo dos processos, focando no
desenvolvimento de produtos e no processo produtivo. Foram coletados dados de treze empresas localizadas no estado
de Santa Catarina, região Sul do Brasil. Os resultados obtidos contêm um diagnóstico das práticas e performances das
empresas nos processos estudados, assim como o panorama atual frente a outras empresas do setor. Foram
estabelecidos indicadores chave cuja contribuição forneceu um caminho para as próprias empresas procurarem
especificar objetivos na procura da sustentabilidade de seus processos e produtos, possibilitando estabelecer um
conjunto de ações a serem implantadas, levando-se em conta a complexidade do setor e a maturidade das empresas.
Palavras chave: Produção mais Limpa, Manufatura Enxuta, PVC, Benchmarking, Indicadores.
Abstract
The improvement of third generation PVC manufacturing is a necessity of the sector, since regulatory standards are
mandatory, as well as the importance of minimizing potential risks associated to worker’s health and to resource and
residue management that occur from the productive process. In this context, the present work presents a study made in
companies that manufacture PVC pieces and final products. The state of cleaner production P+L and its relationship
with lean manufacturing ME were evaluated, using the method denominated competitive processes benchmarking.
The resulting model categorized the companies according to the maturity degree of the practices and performances
throughout the processes, focusing on the development of products and the productive process. Thirteen companies
located in the state of Santa Catarina; south region of Brazil had their data collected. The obtained results contain a
diagnostic of the practices and performances of the studied processes, as well as, a current panorama compared to other
companies of the sector. Key indicators were established which contribution provided a path for the companies their
selves to specify objectives in the search for sustainability of their processes and products, stablishing a set of actions
to be implemented, considering the complexity of sector and the maturity of the companies.
Keywords: Cleaner production, Lean manufacturing, PVC, Benchmarking, Indicato
80
1. Introdução
O gerenciamento dos recursos, a saúde dos
trabalhadores, a minimização dos riscos que advêm do
processo produtivo, o impacto ambiental, o
cumprimento das regulações e novas informações
ligadas ao processo e ao produto são alguns dos aspectos
que devem ser gerenciados no dia a dia pelas
empresas[1] [2] [3].O presente trabalho propõe
contribuir ao setor que trabalha com o Poli(Cloreto de
Vinila) ou PVC em produtos finais nas empresas do
estado de Santa Catarina localizado ao sul do Brasil.
Mediante uma avaliação comparativa denominada
Benchmarking o presente trabalho propõe estabelecer
um panorama mensurável do estado das empresas
fabricantes de produtos finais de PVC em aspectos como
Produção Mais Limpa-P+L e Manufatura Enxuta-ME,
focando nos processos ou eixos fundamentais que toda
empresa independente do tamanho possui:
Administração-AR; pessoas-P; Informação-I;
Fornecedor/Organização/Cliente-FOC;
Desenvolvimento de Produtos-DP e Processo
Produtivo-PP.
Com o intuito de verificar a situação das empresas do
setor de PVC no estado de Santa Catarina em práticas de
P+L e ME foi desenvolvido um instrumento para coleta
de dados denominado “Benchmarking para análise da
cultura e maturidade da produção mais limpa aplicada
no setor de peças e produtos de PVC”, onde, para sua
construção, foi abordado o referencial teórico sobre os
conceitos, tais como, PVC, Benchmarking e a coesão
entre a produção mais limpa P+L e a manufatura enxuta
ME. Este desenvolvimento se deu através de artigos,
livros, documentos e sites técnicos especializados,
considerando aspectos intrínsecos ao processo de
transformação do PVC, tais como, uso responsável dos
aditivos na produção [4], implantação de medidas que
visam contribuir com o meio ambiente, práticas de
treinamento, limpeza e redução do desperdício, parceria
com universidades e centros de pesquisa para o
desenvolvimento e aproveitamento de peças e produtos
de PVC e repercussão na saúde dos trabalhadores entre
outros. Construiu-se assim o instrumento para a coleta
das informações que geraram os resultados do
Benchmarking. A seguir são apresentados os elementos
da literatura com maior destaque para a presente
pesquisa.
O Poli(Cloreto de Vinila) ou PVC pertence aos
termoplásticos, os quais podem ser repetidamente
amolecidos pelo aumento da temperatura e endurecidos
pela diminuição da mesma [5], embora permaneçam
sólidos em algum estágio de seu processamento, tornam-
se fluidos e podem ser moldados por ação isolada ou
conjunta de calor e pressão [6]. Entre os processos mais
utilizados se encontram a moldagem por extrusão, com
um alto volume de fabricação de produto contínuo,
comumente aplicada na fabricação de produtos como
tubos, perfis e chapas, filmes e cabos elétricos;
moldagem por sopro em garrafas, frascos em
embalagens, bem como a moldagem por injeção, em
calçados e conexões de PVC [6] . As aplicações variadas
do PVC são o resultado das propriedades do
termoplástico, e estas são alcançadas pela gama de
aditivos que ele pode aceitar na composição de sua
estrutura molecular [4]. Entre os aditivos se encontram
os estabilizadores que atuam para atrasar ou neutralizar
os mecanismos de degradação do PVC [7] os quais são
indispensáveis para fornecer a estabilidade necessária do
polímero de PVC contra o calor, a luz e intempéries.
Estabilizadores aplicáveis ao PVC são metais pesados,
bem como coestabilizadores orgânicos, dependendo das
propriedades desejadas do produto e do processo de
fabricação, assim como as emissões de dioxinas
provenientes da incineração dos resíduos de PVC [8]
[9][10][11]. Os estabilizantes à base de chumbo foram
utilizados nos anos 1980, entre outras razões, devido ao
preço e à resistência obtida ao serem combinados com
cádmio e bário [6]. Esta situação mudou drasticamente
devido aos impactos ambientais e na saúde pela
fabricação e uso do PVC, especialmente após a decisão
da União Europeia de eliminar o chumbo de todo
produto feita de PVC para 2015 [8][12]. Diante deste
cenário, associações Européias como (ECVM,ECPI
ESPA, EuPA) uniram esforços para fazer frente ao
desafio de desenvolvimento sustentável do PVC [12],
foram então identificados critérios e desafios de
sustentabilidade para a indústria de PVC, sendo
relevantes para o presente trabalho: (a) recuperação de
produtos de resíduos de PVC (incluindo prevenir e
diminuir o desperdício); (b) melhorar a participação dos
atores interessados, melhorando a infraestrutura de
recuperação; e (c) investigar as implicações de
sustentabilidade do descarte em aterro (se necessário).
No Brasil a cadeia de fornecimento do PVC iniciou em
2002 com um projeto que tinha por objetivo a adoção de
um enfoque responsável em todo o ciclo de vida do PVC
e assim, consequentemente, se adequar ao cumprimento
das regulações externas. Em 2016 foi realizada uma
primeira pesquisa com o intuito de medir o avanço da
iniciativa e no ano 2018 foi feita a segunda pesquisa.
Conforme [13] “Hoje do total de produtos de PVC feitos
no Brasil apenas 2,6% usam chumbo devido a
mudanças na formulação substituído pela liga Ca/Zn
usada em 86,8 das aplicações do mercado brasileiro”
dados que vão ao encontro do alvo da presente pesquisa
que justamente avalia como as empresas transformam
critérios de sustentabilidade globais em Praticas-PR e
Performance-PR na gestão do dia a dia das empresas.
Estabelecido o panorama geral das empresas de PVC no
Brasil a partir do referencial teórico e técnico
prosseguiu-se com a compreensão de como o
81
Benchmarking poderia trazer um maior entendimento do
estado da cultura e maturidade da P+L nas empresas
participantes da pesquisa.
O Benchmarking é um processo contínuo e sistemático
que possibilita realizar comparações entre as
organizações objetos e atividades, criando um padrão de
referência, identificando pontos que permitam
comparar oportunidades na busca de melhores práticas
e que conduzam a uma performance superior,
proporcionando uma compreensão mais clara da
empresa e permitindo priorizar melhorias,
considerando-se assim um processo de aprendizagem
[14]. Existem dois aspectos a levar em consideração:
Praticas-PR e performance-PF [15], sua relação gera
uma compreensão maior das oportunidades de melhoria
e permite à empresa conhecer e priorizar suas ações de
melhoria. Deve-se enfatizar que as práticas são
procedimentos e técnicas aplicadas ao sistema produtivo
da empresa, como a performance e o resultado
mensuráveies obtidos dos processos implantados pela
empresa [16]. Sendo assim, neste trabalho foi abordado
o Benchmarking de processos competitivos que
comparou níveis de PR como de PF de diversas funções
comprometidas na administração da produção de uma
empresa [17]. Ao longo do tempo têm sido
desenvolvidos e testados diferentes métodos destinados
ao benchmarking como Benchmarking Enxuto e
Benchmarking da produção mais limpa [18][19][20]. O
Benchmarking aplicado no presente trabalho contém
uma estrutura híbrida com singularidades próprias do
setor de aplicação, neste caso, empresas fabricantes de
peças e produtos de PVC. Foram comparadas empresas
do mesmo setor, diretamente concorrentes, presentes em
um banco de dados, sob a condição de sigilo de suas
identidades.
Para as palavras manufatura enxuta-ME e produção mais
limpa-P+L foi conduzida uma busca, inicialmente pelos
termos e a partir destas, suas intersecções. Procurando
uma conjunção destes sob uma ótica de melhoria em
aspectos de processo produtivo de desenvolvimento de
produtos e produção. Alguns dos trabalhos mais
representativos foram: [16] os autores avaliam 48 artigos
que abordam a implantação da ME com o intuito de
identificar as principais caraterísticas de cada prática e
sua possibilidade de implantação conforme a realidade
das empresas. Existem abordagens que avaliam o nível
de aderência das práticas de ME e sua aplicação e êxito
em diferentes países [21]. No trabalho [20] utilizou-se
em um checklist da ME que teve como objetivo
examinar a implantação de conceitos e ferramentas da
ME no chão de fábrica das empresas, devido à
praticidade e à facilidade na interpretação desta
ferramenta, optou-se por utilizá-la como complemento
do Benchmarking.
Sustentabilidade nas empresas, na busca da adoção de
critérios de sustentabilidade, o modelo GRI com foco
nas necessidades econômicas, ambientais e sociais
avalia a empresa ao longo de dimensões, considerando
todos os stakeholders, seus relatórios permitem gerar um
maior entendimento a respeito da eficácia de suas ações
sustentáveis [22], [23].
Os indicadores ETHOS de responsabilidade social e
empresarial foram desenvolvidos pelo instituto ETHOS
com o alvo de sensibilizar, mobilizar e ajudar as
empresas a gerir seu negócio de forma socialmente
responsável [24], [25].
Os autores [26] apresentam os chamados níveis de
sustentabilidade sob os quais as empresas podem
começar a agir de forma sustentável conforme suas
possibilidades e potencialidades, começando pelo nível
um (1) de conformidade com os requerimentos e
legislação vigente até o nível cinco (5) de maior
complexidade que mede como os processos de produção
da empresa se encaixam no quadro maior de uma
sociedade sustentável .
2. Metodologia
A metodologia descrita a continuação procurou
estabelecer um panorama das empresas na busca de uma
produção mais sustentável, medindo e comparando a
adoção de medidas sustentáveis traduzidas em PR e PF
ao longo da execução de seus processos.
Foram estudadas diferentes empresas conforme a
afirmação de Yin [27] onde os casos múltiplos são mais
relevantes que um caso único. Desta forma, através da
análise das bases de dados empresariais de empresas de
fabricantes de produtos finais de PVC, 45 empresas
foram contactadas por meio eletrônico apresentando a
pesquisa e seus objetivos e os responsáveis da mesma,
como resultado duas empresas desde o começo
declinaram sua participação, das 43 restantes, somente
com 25 empresas obteve-se um contacto assertivo via
telefone com os seguintes resultados: Sete empresas
declinaram a participação na pesquisa e 18 empresas
foram agendadas com data de visitação para a realização
da pesquisa, a última hora cinco empresas desistiram
de participar por razões administrativas. A duração
média desde o contato inicial até o agendamento da
última visita foi de 5 meses e a média de ligações para
estabelecer contato com as empresas foi de 5 ligações.
Esta etapa finalizou-se com um total de 13 empresas
participantes.
A estrutura para a aplicação do Benchmarking advém do
Benchmarking da produção mais limpa apresentada na
Figura 1.
A construção do instrumento de coleta de dados e
aplicação da ferramenta denominada “Benchmarking
para análise da cultura e maturidade da P+L aplicada no
setor de transformação de peças e produtos de PVC”
visou compreender profundamente as empresas do setor
estudado, suas necessidades e seu estado atual frente as
condições externas, o que foi um motivador da pesquisa,
sendo que as perguntas foram cuidadosamente
82
formuladas para criar um ambiente no qual o
entrevistado evidenciaria o interesse no setor estudado,
o conhecimento dos processos e o reconhecimento das
necessidades e desafios que enfrentam as empresas
Para o desenvolvimento da fase de pesquisa foi
necessário o preenchimento do termo de
confidencialidade, razão pela qual as empresas foram
sorteadas aleatoriamente e nomeadas pela letra E
seguido do número correspondente. No relatório final
entregue a cada empresa, esta reconheceu sua posição,
mas não a posição específica de seus concorrentes,
garantindo assim o sigilo e privacidade das empresas e o
resultado das avaliações.
A coleta de dados começou pelos dados gerais a fim de
estabelecer caraterísticas intrínsecas das empresas como
número de funcionários, composição do capital e
mercados que atua, assim como conhecimentos prévios
sobre P+L e ME. Recomendou-se responder ao
questionário com um sistema de pontuação de 1 a 5 que
advém dos trabalhos “Benchmarking da produção
mais limpa, [18][20] e Benchmarking Enxuto. As
perguntas foram divididas em seis eixos:
Administração/Responsabilidade–AR; Pessoas-OS;
Informação-I; Desenvolvimento de produtos-DP;
Fornecedor/Organização/Cliente-FOC e Processo -
produtivo PP; cada uma com avaliação de PR e PF, sob
uma escala de pontuação de 1 a 5, onde os pesquisadores
junto com o pessoal do processo produtivo da empresa
avaliaram cada uma das questões. Conforme [20] Este
sistema de pontuação descreve três situações para cada
item a ser medido, tais como: Nota 1 - equivalente a um
nível básico de PR ou PF, Nota 3 - equivalente a um
nível intermediário de PR ou PF e Nota 5 - equivale à
excelência de PR ou PF. A autora salienta que as notas
2 ou 4 são referentes às posições intermediárias de
avaliação do item. Vale destacar que não foram
utilizados valores fracionados, de maneira a facilitar a
leitura dos resultados obtidos. Na análise dos dados esta
avaliação numérica será multiplicada por 20% e
transformada em porcentagem, gerando assim os três
tipos de gráficos ( ver Figura 1), o gráfico de Pratica v.s.
Performance teve como finalidade a análise global das
empresas; já o gráfico radar proporciona uma análise
dos aspectos em estudo e finalmente o gráfico de barras
aprofunda a relação causa efeito nos pontos de maior e
menor desempenho das empresas.
O gráfico de Práticas vs. Performance apresenta uma
divisão por quadrantes, considerando como valor de
referência o mínimo desempenho que uma empresa
deveria obter como 60 %, dessa forma a análise
encontra-se dividida em quatro quadrantes: o quadrante
I - Alta PR e Alta PF, o quadrante II - Alta PR e Baixa
PF , o quadrante III - Baixa PR e Alta PF e finalmente o
quadrante IV - Baixa PR e Baixa PF.
A avaliação numérica é multiplicada por 20% e
transformada em porcentagem, pois foi empregada na
geração de três tipos de gráficos, onde foram analisados
as práticas v.s. performances e a situação da empresa ao
longo dos seis eixos mediante. O gráfico radar e o
gráfico de barras contribuem na análise do nível de
maturidade de PR e PF do setor estudado.
A PR deve ser compreendida aqui como a implantação
de procedimentos mediante o desdobramento de
técnicas gerenciais e tecnológicas, enquanto a PF pode-
se evidenciar nos resultados mensuráveis obtidos dos
procedimentos implantados na empresa [18], [20]. O
questionário traz aspectos intrínsecos que mensuram o
nível de PR e PF da empresa ao longo dos seis eixos
principais como apresentado na Figura 2.
A pesquisa é de natureza aplicada e participante já que
Figura 1 Estrutura metodológica para a aplicação do
Benchmarking Fonte:[20]
Figura 22 Desdobramento dos indicadores de PR e PF ao
longo do Benchmarking.
83
utiliza conhecimentos já avaliados pela comunidade
científica, tais como, Benchmarking, P+L e ME em um
estudo de caso, trazendo um diagnóstico do estado do
setor estudado em PR e PF. A abordagem do problema
foi de natureza qualitativa, devido à aplicação e posterior
análise da ferramenta com o interesse de analisar o setor
e propor oportunidades de melhoria para cada uma das
empresas participantes .
3. Resultados
A aplicação da ferramenta Benchmarking conduz à
análise da situação geral do setor e de cada uma das
empresas participantes frente a seus concorrentes. Nesta
etapa são apresentados os resultados dos índices obtidos
através das entrevistas e análise dos dados das treze
empresas mapeadas que aceitaram participar da
pesquisa.
Para isto foram gerados os três tipos de gráficos
mencionados nas seções anteriores: 1) Gráfico Prática
versus Performance, 2) Gráfico Radar e 3) Gráfico de
Barras; lembrando que a decisão para a utilização desses
tipos de gráficos é oriunda dos métodos de
Benchmarking [18], [20].
A ferramenta de Benchmarking caracterizou as
empresas participantes da seguinte forma: 39% das
empresas pertencem ao setor de perfis; 23% ao setor de
formas plásticas; 15% ao setor de tubos e conexões; 15%
ao setor calçadista e finalmente, 8% ao setor de
embalagens, apresentando um panorama gral do
desenvolvimento das empresas que usam o PVC para a
fabricação de seus produtos finais no sul do Brasil.
As razões sociais das empesas não são apresentadas no
trabalho e para a sua identificação foram sorteadas de
forma aleatória e colocadas em ordem numérica de 1 até
13. As empresas participantes são em sua maioria de
pequeno ou médio porte de acordo com a classificação
estabelecida pelo IBGE; entre as caraterísticas de maior
notoriedade encontram-se a idade das empresas, cuja
média foi de 17,92 anos, cabe salientar que as empresas
que possuem entre 6 e 15 anos representaram um 69%.
Enquanto ao estabelecimento do capital das empresas,
85% das empresas participantes possuem capital
nacional e 15% possui capital estrangeiro.
No mercado de atuação as treze empresas participantes
da pesquisa atuam suprindo o mercado interno, sendo
que 5% das empresas apresenta uma participação com
uma margem reduzida no mercado externo.
Com referência ao tipo de estratégia competitiva
utilizada pela empresa, os resultados mostraram que as
empresas optam pela qualidade (35%), seguida pelo
custo(28%) e a flexibilidade no desenvolvimento de
produtos (18%). O restante das empresas não possui uma
estratégia competitiva concreta e definida.
A análise da situação geral do setor e de cada uma das
empresas participantes frente a seus concorrentes
iniciou-se com o a construção do gráfico de índice de
práticas e performance, dividido em quatro quadrantes
principais indicando o nível de prática e performance
alcançado por cada uma das empresas e estabelecendo
um panorama geral do setor
Na figura 3 apresenta o panorama das empresas
participantes conforme a adoção de PR e PF no
desenvolvimento das atividades da empresa. A
distribuição das empresas de forma predominante nos
quadrantes I e IV identifica o estado atual das mesmas,
a média para o setor identificada pelo ponto preto sem
número foi de 48,13% na execução de PR e 47,19% de
PF, observa-se como nenhuma das empresas obteve
desempenho nos quadrantes II e III que correspondem
a Altos níveis de PR e Baixos níveis de PF e Altos
níveis de PF e baixos níveis de PR.
Conforme [20] as empresas posicionadas no quadrante
I, ou seja, com alto índice de PR e alto índice de PF,
apresentam as melhores condições para que os
conceitos da P+L sejam implementados ou aplicados
com sucesso, ou ainda, podem ser consideradas
detentoras de um grau avançado de P+L, entanto as
empresas posicionadas no quadrante IV, ou seja, que
apresentam baixos índices tanto de PR como de PF,
apresentam situação desfavorável para
implementação da P+L.
Para compreender com maior profundidade procurou-se
posicionar a empresa frente a seu próprio desempenho
mediante o gráfico Radar ao longo da avaliação das 6
tipos de variáveis mencionadas anteriormente
Administração/Responsabilidade–AR; Pessoas-P;
Informação-I; Desenvolvimento de produtos-DP;
Fornecedor/Organização/Cliente-FOC e Processo
produtivo-PP .O gráfico radar descreve o
comportamento das variáveis considerando em cada
uma delas a PR e o PF numa escala de 0 a 100%. O
padrão de excelência é 100%, dado que 60% será
Figura 23 Índice de Práticas e Performance
Figura 2 Índice de práticas e performance
Figura 24 Gráfico de barras dos indicadores de AR
84
considerado uma referência mínima; os pontos abaixo da
linha do 60 % são considerados pontos prioritários e de
atenção direita na tomada de decisões dentro dos
critérios de melhoria das empresas. A Figura 4 apresenta
a média dos índices das empresas participantes (linha
azul) frente a linha referência mínima do 60% (linha
vermelha)
Ao observar o gráfico radar pode-se evidenciar que as
menores porcentagens se encontram nas variáveis do
tipo administrativo como são: AR/ com PR de 38,7% e
PF de 39,7 %; seguida pela variável I/ com PR de 47%
e PF 37,4% e a variável P/ com PR de 47,3% e PF de
40,8%. No seguinte passo foram analisados os
indicadores de PR e PF que advêm do questionário.
Os resultados mais notórios encontram-se no eixo de
AR/ cujos dados advêm da avaliação dos indicadores
mencionados na Figura 2. Estes indicadores foram
desenvolvidos com perguntas que avaliaram a PR e
outras que avaliaram a PF daquela PR mencionada.
Assim, para o indicador de existência de um plano de
desenvolvimento da P+L a resposta foi de 41% de PR e
26,2% de PF; com referência ao compromisso da alta
gerência os resultados mostram um de 43% de PR e
43,1% de PF; no quesito do Desdobramento das políticas
de P+L se obteve um 30% de PR e 38,1% de PF, e
finamente sobre o progresso da P+L em todos os níveis
da empresa as empresas responderam com um 42,5% de
PR frente a um 43,1 % de PF. Os dados foram analisados
através da geração do gráfico de barras para o eixo AR
na figura 5 na coluna seguinte.
Embora nenhum valor ultrapasse o valor mínimo
estimado de 60%, cabe salientar que existem planos
incipientes de desenvolvimento da P+L e um
compromisso parcial da gerência, mas na hora de
desdobrar este plano em políticas de P+L, as empresas
não estabelecem objetivos concretos, isto se vê refletido
nos baixos índices de PR. Já na avaliação da PF a
maioria das empresas possui indicadores, tais como o
índice de eficiência na utilização das matérias primas e
insumos, que termina contribuindo de forma indireta
para a aplicação da P+L, o qual se vê refletido pelos
resultados maiores em PF para este indicador.
A possível existência de práticas de ME implantadas nas
empresas vai ao encontro das questões de P+L estudadas
pelo Benchmarking, o que evidenciou a necessidade de
aplicação do checklist da ME. (Figura 6 ) A seguir são
apresentadas 16 das práticas enxutas que foram
avaliadas pelas empresas participantes, as quais
obtiveram uma média de 5,97 em 10,0; refletindo a
complexidade do setor da produção de PVC.
O interesse na aplicação do Checklist visa uma
compreensão maior das práticas de ME e como estas
alavancam a P+L nas empresas. Para sua estruturação
foram ponderadas as informações obtidas no
levantamento bibliográfico assim como foram
analisadas as práticas da ME que são consideradas
contribuintes para a aplicação e melhoria da P+L.
Entre as práticas mais conhecidas e com alto índice de
utilização pelas empresas encontram-se: ferramentas de
controle de qualidade (7,5), modificação da estrutura
financeira (7,1), redução de tempos de setup (6,7) JIT
(6,7) entre outras.
A seguir serão apresentadas as conclusões de maior
relevância no presente trabalho.
4. Conclusões
1.4. Construção da ferramenta
Estabeleceu-se um panorama inicial das empresas ao
longo de seus principais processos com foco no
desenvolvimento de produtos e processo produtivo,
avaliando-as de forma intrínseca a traves do cruzamento
Figura 25 Gráfico radar Práticas e Performance
Figura 26 Resultados da aplicação do Checklist
85
de variáveis de PR e PF, estabelecendo assim o grau de
desenvolvimento dos processos.
Foram levados em consideração aspectos intrínsecos do
processo e questões ligadas ao processamento do PVC
tais como: Redução do consumo de energia e de matérias
primas, Emissões de organoclorados, avaliação do risco
por transporte de matérias primas, uso de aditivos na
fabricação de peças, reciclagem do PVC e introdução
nos novos mercados.
Foram considerados conceitos de sustentabilidade,
questões ambientais, políticas sociais e governamentais
em favor da sustentabilidade, que são analisadas nos
relatórios de auto declaração como o GRI, ETHOS, ISE
e os princípios orientadores de Lowell, que procuram
evidenciar as tendências mundiais incentivando a
logística reversa o ciclo fechado de produção e o
gerenciamento de agua e energia.
1.5. Aplicação do benchmarking
Os critérios de avaliação do Benchmarking e sua análise
posterior deram origem a uma grade de práticas no
âmbito da manufatura sustentável visando o
desenvolvimento das empresas nos pontos de maior
relevância e possibilidade de melhoria e indicando os
pontos que precisam maior atenção.
Com o gráfico de barras foi aprofundada a análise de
cada uma das variáveis na busca da identificação das
causas e a relação causa efeito entre elas
Os resultados da aplicação do benchmarking
apresentados na Figura 3 o ‘Gráfico de Índice de Práticas
e Performance” apresenta no quadrante IV dez das treze
empresas participantes que são empresas que
apresentam baixos níveis de PR e de PF e que
usualmente não possuem uma estrutura organizacional
definida para implantação da P+L e a ME de forma mais
eficiente.
Um dos aspectos a salientar corresponde ao
gerenciamento da produção com atuações que estão
diretamente relacionadas com a P+L , todas as empresas
participantes apresentam uma baixa utilização de água
no processo, sendo necessária para a execução dos
processos como resfriamento dos tubos após a extrusão,
esta agua é reutilizada é só se agrega à água produto da
perda por evaporação. No quesito de gerenciamento de
energia as empresas utilizam exaustores para minimizar
o consumo de energia e geradores diesel para o
gerenciamento de energia do processo. Resíduos,
papelão, embalagens e tambores são vendidos para
empresas de reciclagem, e os lucros obtidos são
destinados a atividades para os colaboradores da
empresa. Entre os aspectos positivos encontrou-se que o
setor calçadista que corresponde ao 15 % das empresas
do presente estudo aproveitam o PVC reciclado
externamente a partir de botas de borracha, depois de
processado (lavado, secado e moído) como parte dos
componentes de primeira linha dos produtos em
porcentagens específicas para não alterar as
propriedades físicas do produto final. Outro ponto
positivo é a utilização de tinta à base de água para os
acabados das solas nas empresas.
A empresa E8 (empresa com maior pontuação no
Benchmarking) transforma em pellets seu resíduo
interno de PVC (com o intuito de minimizar poeira
causada pela trituração e manejo do PVC em pó), e com
ele fábrica eletrodutos e redes de irrigação, pois por
serem pretos não necessitam de adição de corantes. Há
automação na formulação, dosagem e distribuição da
resina através do sistema, e o resfriamento dos tubos
após a extrusão ocorre em circuito fechado para evitar
perdas de água por evaporação e efetua-se a captação de
água da chuva. A empresa possui uma ampla trajetória
no aprimoramento de práticas de ME. A troca de
inversores de frequência gerou para a empresa E8 uma
economia de 19% na tarifa de energia da empresa. As
células de manufatura foram projetadas para contribuir
na confecção e montagem da embalagem em produtos
prontos para sair da fábrica com um ganho de tempo
considerável no fornecimento do produto pronto para o
cliente final.
Algumas das razões que dificultam a implantação de
melhorias conforme as empresas consultadas são os
fatores externos, condições de entrega de seus produtos
e a complexidade dos processos.
5. Agradecimentos
Os autores agradecem às empresas participantes da
pesquisa e ao Conselho de Desenvolvimento Científico
e Tecnológico CNPq e à Capes pelo apoio através de
bolsas e de recursos materiais.
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[27] R. K. Yin, Pesquisa Estudo de Caso - Desenho
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87
2542. RESULTADOS DE LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA ESTRATEGIA PARA LA GESTIÓN DE
INFORMACIÓN DE LLANTAS ORIENTADA AL INCREMENTO DE VIDA OPERACIONAL.
RESULTS OF THE IMPLEMENTATION OF A STRATEGY FOR THE CONTROL OF TIRE
INFORMATION TARGETED TO THE INCREASE OF OPERATIONAL LIFE.
Sander Álvarez Zuluaga*, Santiago Bedoya Ríos, Cindy Paola Yánez Ayala, Gabriel Jaime Ovalle Cañas y
Fernando Jesús Guevara Carazas.
*Grupo de Investigación Gestión, Operación y Mantenimiento de Activos (GOMAC)
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Minas
Av. 80 # 65 - 223, Medellín, Antioquia
e-mail: [email protected] web page: https://minas.medellin.unal.edu.co/
RESUMEN
En este artículo se presenta el desarrollo de una metodología fundamentada en la gestión de información para la
administración de llantas en una empresa de transporte de carga semipesada (9 a 14 ton), asociada a la operación de 80
vehículos recolectores de residuos ordinarios en la ciudad de Medellín, Colombia; se muestran los resultados obtenidos,
entre los cuales se destaca el conocimiento en tiempo real del estado, localización y antecedentes de cada una de las
llantas, con el objeto de facilitar y soportar la toma de decisiones. Teniendo como base este sistema de información se
consigue aumentar la vida útil de las llantas en el proceso de reencauche y la disminución de costos de mantenimiento
asociados a este sistema. En un año de implementación se ha reducido en un 19 % los costos y también, se ha logrado
afianzar la gestión del mantenimiento basado en condiciones y acciones preventivas en las llantas. El estudio concluye
que la solución desarrollada es replicable para cualquier tipo de flota de transporte.
Palabras clave: Sistema de información, Gestión de Llantas, Estandarización, Indicadores de desempeño, Mantenimiento
de Flotas de Transporte.
ABSTRACT
This article presents the development of a methodology based on the management of information for tire management in
a semi-heavy load transport company (9 to 14 tons), associated with the operation of 80 ordinary waste collector vehicles
in the city from Medellín, Colombia; the results obtained are shown, among which the knowledge in real time of the state,
location and background of each of the tires, in order to facilitate and support decision making. Based on this information
system, it is possible to increase the useful life of the tires in the retreading process and the decrease in maintenance costs
associated with this system. In one year of implementation, costs have been reduced by 19% and maintenance management
based on tire preventative conditions and actions has also been strengthened. The study concludes that the solution
developed is replicable for any type of transport fleet.
1. Introducción
Los neumáticos o llantas cumplen una función
primordial ya que estas se encargan de soportar,
direccionar y brindar tracción para el movimiento y
frenado de los vehículos. Las llantas, al no estar en
buenas condiciones representan sobrecostos ya que el
motor requiere de un mayor esfuerzo por el aumento de
la resistencia a la rodadura, por lo que aumenta el
consumo de combustible. Así mismo, aumenta el riesgo
de colisionar contra otro vehículo, objeto o persona en
caso de que se explote la llanta. Por lo anterior, el
mantenimiento de las llantas es un proceso crítico en la
cual se deben desarrollar estrategias que permitan
aprovechar eficientemente el activo.
Para los gerentes de flotas de transporte, administrar
eficientemente las llantas puede convertirse en un
proceso complejo, debido a la cantidad de datos que se
genera diariamente en cada una de las posiciones de este
activo acerca de las variables sobre las cuales se debe
hacer seguimiento. Adicionalmente los datos registrados
requieren ser procesados para obtener información que
permita tomar decisiones oportunas de mantenimiento,
88
labor que requiere ser soportada por un sistema de
información.
Algunas empresas invierten en sistemas robustos de
información para gestionar adecuadamente sus
procesos, sin embargo, no presentan el suficiente grado
de madurez para garantizar aprovechamiento eficiente
del recurso obtenido, como resultado se hacen
inversiones que no retornan en beneficios económicos
para la organización y se generan desperdicios en la
cadena de valor. Otras, presentan restricciones de
presupuesto o limitaciones contractuales para hacer
inversiones, casos en los cuales se vuelve más complejo
administrar y llevar una trazabilidad de los datos
generados, obteniendo desconocimiento total del estado
real de sus activos, lo cual impulsa a tomar decisiones
intuitivas y poco oportunas.
Considerando las restricciones de la empresa objeto de
estudio, se implementa una metodología para solucionar
los problemas de información en el proceso de
administración de llantas, se exponen las características
de la situación inicial, las etapas principales del
desarrollo y los resultados obtenidos en un año de
implementación.
2. Justificación
Según el Ministerio de Transporte de Colombia, el costo
de mantenimiento de las llantas equivale al 15 % de los
costos totales de mantenimiento de un vehículo [1].
Consecuentemente, al aumentar su vida útil, se pueden
lograr obtener mayores beneficios, lo cual se logra
principalmente a través del aumento de las operaciones
de reencauche, debido a que una llanta reencauchada
tiene un valor entre un 60 al 80 % menos que una llanta
nueva. Adicionalmente, se pueden lograr reducciones
hasta de 13 galones de petróleo, ya que para producir una
llanta nueva se requieren de 22 galones y para una llanta
reencauchada se requieren de 7 [31], esta diferencia es
significativa desde el punto de vista económico y
ambiental, ya que además de la reducción en galones de
petróleo en producción también se reducen los residuos,
pues no se desechan las llantas sino que se reutilizan.
Con el fin de lograr optimizar recursos, la toma
decisiones oportunas y eficaces en función del
mantenimiento de las llantas es una tarea esencial, por lo
que es indispensable en las flotas de transporte un
sistema de información que brinde datos del estado
actual de llantas y su ubicación. El sistema de
información tiene como fin ejecutar el mantenimiento
basado en condiciones ya que administra la información
de manera organizada y la persona encargada del
mantenimiento analiza la mejor decisión que se pueda
tomar para aumentar la vida útil de estos activos.
El sistema de información se comenzó a utilizar desde
mayo de 2018 en una empresa de recolección de
residuos sólidos de la ciudad de Medellín, las mejoras
que se han presentado son los siguientes:
- En los primeros cinco meses del año 2018 se
reencaucharon 38 llantas, en este mismo
periodo para el 2019 se reencaucharon 62
unidades lo que equivale a un aumento del
38,71 % en la utilización de reencauches
- Durante este mismo periodo de tiempo, luego
de la utilización de este sistema se ha
presentado una reducción del 19,38 % de los
costos del mantenimiento de las llantas.
3. Contextualización
La empresa a la cual se aplica la metodología para la
gestión de la información tiene como actividad
económica la recolección de residuos sólidos y cuenta
con una flota de 80 vehículos recolectores que pesan
entre 9 y 14 toneladas, los cuales son de diferente tipo
como Doble troques, sencillos, NPR, barredoras,
volquetas y carro tanques. La empresa contrata terceros
para la realización del mantenimiento, entre ellos está el
encargado de las llantas el cual todas las actividades que
realiza es supervisado por la interventoría. Para poder
realizar los trabajos, los contratistas, deben tener un
soporte llamado orden de trabajo (OT) el cual es
autorizado por el personal administrativo y de
coordinación de mantenimiento de la empresa.
4. Metodología
Para comenzar a implementar un sistema de información
en una empresa, se realizan principalmente 3 pasos,
estos son
Gráfico 1. Pasos para implementar un sistema. Fuente:
Elaboración propia.
El primer paso que se debe realizar es conocer y
consolidar qué datos se tienen, qué información nos
facilitan estos y qué indicadores importantes podemos
extraer; al revisar los datos de la empresa recolectora de
residuos sólidos se evidenció que la única información
que se manejaba era el montaje de llantas nuevas a los
vehículos, inspecciones mensuales de profundidades
que se le realizaban a los vehículos y llantas que se
Establecer línea de
base
¿Cómo lo hacen las empresas líderes
en el sector? (Benchmarking)
Aplicación (Diseño,
Socialización, Implementación)
89
dieron de baja, teniendo como resultado falta de
trazabilidad en los activos (Todo quedaba en archivos
físicos y no se consolidaba digitalmente) y falta de
información para implementar indicadores de gestión. El
segundo paso es comparar con el mercado
(Benchmarking) sobre qué indicadores son esenciales en
una gestión de llantas y se encuentra que son los
siguientes:
- Reencauchabilidad: Promedio de reencauches por
llanta.
∑𝑵𝒐. 𝒅𝒆 𝒓𝒆𝒆𝒏𝒄𝒂𝒖𝒄𝒉𝒆𝒔 𝒅𝒆 𝒄𝒂𝒅𝒂 𝒍𝒍𝒂𝒏𝒕𝒂 𝒆𝒗𝒂𝒍𝒖𝒂𝒅𝒂
∑𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒅𝒆 𝒍𝒍𝒂𝒏𝒕𝒂𝒔 𝒆𝒗𝒂𝒍𝒖𝒂𝒅𝒂𝒔
(Ecuación 1)
- Reencauche: Fracción de las llantas
reencauchadas, respecto a las nuevas.
𝑪𝒂𝒏𝒕𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒅𝒆 𝒍𝒍𝒂𝒏𝒕𝒂𝒔 𝒓𝒆𝒆𝒏𝒄𝒂𝒖𝒄𝒉𝒂𝒅𝒂𝒔
𝑪𝒂𝒏𝒕𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒅𝒆 𝒍𝒍𝒂𝒏𝒕𝒂𝒔 𝒏𝒖𝒆𝒗𝒂𝒔
(Ecuación 2)
- Vida útil de la llanta: Promedio del kilometraje
recorrido por las llantas durante su vida útil. ∑𝑲𝒊𝒍𝒐𝒎𝒆𝒕𝒓𝒂𝒋𝒆 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒓𝒆𝒄𝒐𝒓𝒓𝒊𝒅𝒐 𝒑𝒐𝒓 𝒄𝒂𝒅𝒂 𝒍𝒍𝒂𝒏𝒕𝒂
𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒅𝒆 𝒍𝒍𝒂𝒏𝒕𝒂𝒔 𝒆𝒗𝒂𝒍𝒖𝒂𝒅𝒂𝒔
(Ecuación 3)
- Kilometraje por milímetro de desgaste en llantas
nuevas: Promedio del kilometraje recorrido por
milímetro de desgaste en las llantas nuevas.
∑𝑲𝒊𝒍𝒐𝒎𝒆𝒕𝒓𝒂𝒋𝒆 𝒓𝒆𝒄𝒐𝒓𝒓𝒊𝒅𝒐 𝒑𝒐𝒓 𝒄𝒂𝒅𝒂 𝒍𝒍𝒂𝒏𝒕𝒂
∑𝑴𝒊𝒍𝒊𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐𝒔 𝒅𝒆𝒔𝒈𝒂𝒔𝒕𝒂𝒅𝒐𝒔 𝒑𝒐𝒓 𝒄𝒂𝒅𝒂 𝒍𝒍𝒂𝒏𝒕𝒂
(Ecuación 4)
- Costo por kilómetro: Promedio del costo por
kilómetro recorrido de las llantas.
∑𝑪𝒐𝒔𝒕𝒐 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒅𝒆 𝒍𝒂𝒔 𝒍𝒍𝒂𝒏𝒕𝒂𝒔
∑𝑲𝒊𝒍𝒐𝒎𝒆𝒕𝒓𝒂𝒋𝒆 𝒓𝒆𝒄𝒐𝒓𝒓𝒊𝒅𝒐 𝒑𝒐𝒓 𝒄𝒂𝒅𝒂 𝒍𝒍𝒂𝒏𝒕𝒂
(Ecuación 5)
- Vida útil por tipo de reencauche: Promedio de
kilometraje recorrido por las llantas con un tipo de
reencauchen.
∑𝑲𝒊𝒍𝒐𝒎𝒆𝒕𝒓𝒂𝒋𝒆 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒓𝒆𝒄𝒐𝒓𝒓𝒊𝒅𝒐 𝒑𝒐𝒓 𝒄𝒂𝒅𝒂 𝒍𝒍𝒂𝒏𝒕𝒂 𝒄𝒐𝒏 𝒓𝒆𝒆𝒏𝒄𝒂𝒖𝒄𝒉𝒆 𝒕𝒊𝒑𝒐 𝒏
𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒅𝒆 𝒍𝒍𝒂𝒏𝒕𝒂𝒔 𝒄𝒐𝒏 𝒓𝒆𝒆𝒏𝒄𝒂𝒖𝒄𝒉𝒆 𝒕𝒊𝒑𝒐 𝒏
(Ecuación 6)
- Kilometraje por milímetro de desgaste en llantas
con reencauches tipo n: Promedio de kilómetros
recorridos por milímetro desgastado en llantas con
reencauche tipo n.
∑𝑲𝒊𝒍𝒐𝒎𝒆𝒕𝒓𝒂𝒋𝒆 𝒓𝒆𝒄𝒐𝒓𝒓𝒊𝒅𝒐 𝒑𝒐𝒓 𝒄𝒂𝒅𝒂 𝒍𝒍𝒂𝒏𝒕𝒂 𝒄𝒐𝒏 𝒓𝒆𝒆𝒏𝒄𝒖𝒂𝒄𝒉𝒆 𝒕𝒊𝒑𝒐 𝒏
∑𝑴𝒊𝒍𝒊𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐𝒔 𝒅𝒆𝒔𝒈𝒂𝒔𝒕𝒂𝒅𝒐𝒔 𝒑𝒐𝒓 𝒄𝒂𝒅𝒂 𝒍𝒍𝒂𝒏𝒕𝒂 𝒄𝒐𝒏 𝒓𝒆𝒆𝒏𝒄𝒖𝒂𝒄𝒉𝒆 𝒕𝒊𝒑𝒐 𝒏
(Ecuación 7)
- Kilometraje recorrido por una llanta nueva hasta su
primer reencauche: Promedio del kilometraje
recorrido por una llanta nueva hasta su primer
reencauche.
∑𝑲𝒊𝒍𝒐𝒎𝒆𝒕𝒓𝒂𝒋𝒆 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒓𝒆𝒄𝒐𝒓𝒓𝒊𝒅𝒐 𝒑𝒐𝒓 𝒄𝒂𝒅𝒂 𝒍𝒍𝒂𝒏𝒕𝒂 𝒏𝒖𝒆𝒗𝒂
𝑻𝒐𝒕𝒂𝒍 𝒅𝒆 𝒍𝒍𝒂𝒏𝒕𝒂𝒔 𝒆𝒗𝒂𝒍𝒖𝒂𝒅𝒂𝒔
(Ecuación 8)
En las ecuaciones anteriores, se pueden evidenciar los
indicadores que se pueden utilizar en una gestión de
llantas teniendo como principales el índice de
reencauche, el costo por kilómetro y el kilometraje por
milímetro recorrido de la llanta, este dato de los
indicadores fue brindada por un experto que trabaja con
llantas reencauchadas en la ciudad de Medellín
(Comparación con el mercado). Al revisar la
información de las bases de datos y los indicadores que
podrían ser calculados se logró evaluar el índice de
reencauche y lo que permitió conocer es la fracción de
llantas reencauchadas sobre llantas nuevas que hay en la
flota. Este indicador para ese entonces nos arrojó como
resultado un promedio para 2017 de 43,52 % lo que
indica que ni la mitad de llantas estaban siendo
reencauchadas para la flota en ese momento. Al revisar
las causas principales sobre este bajo porcentaje de
reencauche se evidenciaron varios problemas que serán
detallados a continuación:
- Respecto al mantenimiento, los activos deben
llevar una trazabilidad con el fin de tomar
decisiones de mantenimiento (cambio,
reparaciones o dar de baja), y para conocer el
estado y la ubicación en la que se encuentra el
activo, el archivo que manejaba la empresa no
permitía conocer ésta información ya que si
hubo cambios, rotaciones, reparaciones de
llantas, esta información no se tenía
suministrada en la base de datos, por lo que el
estado real de la llanta no se sabía y al tomar las
decisiones éstas se hacían ya cuando la llanta
presentaba un desgaste en el cual no se podía
aprovechar. Toda la información era física y no
se recopilaba.
- Uno de los agravantes que también se
evidenciaron era que las llantas constantemente
90
se dañaban debido a la operación que tienen los
vehículos y se perdía el activo completo con
muy buenas profundidades para seguir
operando. Los daños más graves en las llantas
generalmente se presentan en el área de las
cejas y en el costado, al analizar el porcentaje
de daños que representaba el daño en el costado
de las llantas se encontró que este representaba
el 50 % del total de daños en las llantas y el
siguiente daño más repetitivo que representa el
15 % del total de llantas dadas de baja es el de
“Llantas dada de baja por numerosas
reparaciones”, este generalmente se presenta
cuando las llantas se envían a reencauchar y la
empresa encargada de realizar este proceso las
rechaza debido a que no cumple con la cantidad
de reparaciones de acuerdo a la norma NTC
5384.
- El mantenimiento preventivo es una actividad
que se debe de realizar constantemente con el
fin de mantener el activo en un buen estado y
aprovechar su máxima vida útil. Para las
llantas, el mantenimiento preventivo consiste
en calibrar, rotar y alinear las direccionales
(para el caso de la empresa en estudio). La
actividad más importante de estas tres es el de
calibración ya que al mantener una correcta
presión, la llanta no va a presentar desgastes
irregulares, sobreesfuerzos en los cinturones,
desgaste localizado, entre otros. Se evidenció
que esta actividad no se realizaba con una
frecuentemente (Cada vez que regresa de
operación el vehículo) por lo que los activos se
veían afectados en su rendimiento.
De acuerdo a esta información y novedades presentadas,
se decide enfocar esfuerzos (Aplicación) en recopilar
información en un sistema de hojas de cálculos que tiene
como fin obtener trazabilidad de cada llanta de la flota
de transporte para que las personas encargadas tengan la
facilidad de tomar decisiones más acertadas conociendo
el estado real de la flota completa, también al ser este un
proceso llevado a cabo por una interventoría, se busca
que el sistema de información facilite los procesos
administrativos como la revisión de rendimientos de las
llantas (Garantías) que se dieron de baja o se llevaron a
un proceso de reencauche. En este proceso de aplicación
se llevan a cabo tres “subprocesos” que son:
- Diseño: Diseñar los procedimientos para
capturar los datos de acuerdo al contexto de la
organización. Se trabajó con el contratista
sobre los
- Socialización: Capacitar al contratista y a todas
las personas involucradas en el proceso de
mantenimiento de llantas con el fin suministrar
y administrar la misma información.
- Implementación: Poner en marcha. La puesta
en marca incluye el ciclo PHVA para ejecutar
las decisiones con base en la información
proporcionada teniendo en cuenta la mejora
continua de los procesos y del tipo de
información almacenada.
Para llevar a cabo el sistema de información, uno de los
primeros pasos que se deben de tener en cuenta es
realizar una ficha técnica de los activos, ésta ficha,
básicamente representa los requerimientos técnicos a los
que opera el activo.
Luego, se continuo con el registro diario en el cual, como
el nombre lo indica, se alimenta el archivo todos los
movimientos diarios que tienen las llantas. La
información que se suministra en este archivo es la
siguiente:
- Fecha: Fecha del movimiento que se va a
realizar
- Control: Número del vehículo al cuál se le va a
realizar el movimiento
- Kilometraje: Kilometraje del vehículo
- Número de llanta: Número al calor de llanta a
la que se le va a realizar el movimiento
- Referencia: Referencia de la llanta.
- Marca: Marca de la llanta.
- Diseño: Diseño de la banda de rodamiento de
la llanta.
- Movimiento: Esta es la cacilla que define la
actividad que se le realizó a la llanta, en este
caso se tienen los siguientes movimientos:
o Reparación menor: Es una reparación
que el técnico en planta puede
realizar, consiste en colocar un parche
y un vástago. Generalmente la llanta
se desmonta del vehículo y luego de la
reparación se vuelve a colocar.
o Sale a reparación mayor: Esta es una
reparación que no se realiza en planta
y se requiere de una máquina para
reparar la llanta, en este movimiento
nunca se vuelve a montar la llanta ya
que esta se la deben de llevar de planta
y el vehículo no se deja varado por lo
que se requiere colocar una llanta que
se encuentra en STOCK
o Fin de servicio: Llanta que se dio de
baja
o Montaje: Se monta la llanta al
vehículo
o Bajar STOCK/REMANENTE: La
llanta se baja y se deja en STOCK para
ser utilizada en desvares de vehículos
en operación, cuando haya un fin de
91
servicio o reparaciones mayores.
o Rotación: A la llanta se le realiza una
rotación de posición
o Servicios de ajustes y cambios:
Consiste en actividades como la
calibración completa del vehículo,
cambio de pernos o cambio de rines,
estas actividades se especifican en la
casilla de observación.
o Sale a reencauche: La llanta se lleva a
proceso de reencauche.
- Tipo: Tipo de reencauche
o Tipo 0: Es una llanta nueva
o Tipo 1: Es una llanta que tiene un solo
reencauche
o Tipo 2: Es una llanta que tiene dos
reencauches.
Y así sucesivamente
- Posición inicial: Posición de la llanta antes de
realizar el movimiento, la posición 0 es
definida cuando la llanta estaba en STOCK. En
el vehículo las llantas tienen un numero de
posición que es del 1 al 10 dependiendo del
número de llantas.
- Posición final: Posición en la que finaliza la
llanta luego del movimiento. La posición 0
indica que la llanta se dejó en STOCK.
La idea de este archivo es que la información se actualice
diariamente y evite incongruencias con respecto a la
realidad. A lo largo de la implementación de este sistema
de información, se ha evidenciado uno de los grandes
problemas que se tienen en las empresas con respecto a
la información manipulada y es la estandarización;
cuando los datos no están bajo estándares, el archivo no
es útil para la toma de decisiones ya que a veces se
utilizan terminologías diferentes para las actividades de
mantenimiento y al momento de obtener indicadores los
resultados arrojan incongruencias. La condición para
que este archivo funcione correctamente es que los datos
de origen suministrados sean correctos y actualizados
permanentemente, pues el archivo automáticamente
arrojará la ubicación de la llanta y manualmente será
posible calcular el rendimiento de esta según los
kilometrajes y el control por los cuales estuvo la llanta.
Otra de las condiciones para que este archivo funcione
correctamente es organizar la fecha de más recientes a lo
más antiguos, esto debido a las fórmulas que se utilizan
en la base de datos.
El otro archivo que se realiza es el de inspecciones, el
objetivo de este archivo es brindar apoyo visual a la
persona encargada sobre las profundidades de las llantas
en los vehículos, con este valor lo que se busca es
identificar necesidades de rotaciones, apareamientos o
cambios de tendidos completos. La información que
aparece en el archivo es la misma que se suministraba a
la empresa antes de la implementación del sistema sólo
que tiene unos cambios en la organización y se añade la
celda del kilometraje con el fin de hallar el indicador de
km/mm.
Tabla 1. Archivo de inspecciones.
Seguimiento 636638
Fecha 27/05/2018
Control 63
Posición 1
N. Llanta 6638
Km Actual 102511
P_Ext 17
P_Media 15
P_Int 17
P_Prom 16,3
Fuente: Elaboración propia.
En la Tabla 1. se puede observar que algunas casillas
tienen colores que las caracterizan, estos colores son un
formato condicional que se asigna según la profundidad
de la llanta, es decir, una profundidad entre 9 y 21 mm
el color que se asigna es el verde, entre 6 y 8 mm
Amarillo o llanta pendiente para cambiar entre 0 y 5 mm
Rojo. Uno de los problemas que más se ha evidenciado
con este archivo es la veracidad de información, ya que,
durante la toma de profundidades de la llanta se
requieren varias precauciones, la primera es que el
medidor debe ser colocado en el fondo de la ranura y no
en el testigo de desgaste que tiene la llanta, la segunda
es que por ranura como mínimo se deben de tomar tres
profundidades y realizar un promedio de estas ya que la
llanta no forma un circulo perfecto por lo que en algunas
partes de la circunferencia tiene desgastes localizados;
este procedimiento debe ser realizado siempre que se
realice el diagnóstico de las profundidades. Este archivo
tiene un periodo de actualización mensual ya que, con
esta se realiza la planificación del mantenimiento a
ejecutar realizar para todo el mes.
Se realiza la unión del archivo de “registros diarios” y el
de “inspecciones” para facilitar aún más los cambios y
apareamientos necesarios. Esta base de datos tiene el
nombre de “Llantas” y lo que hace es buscar la última
llanta que tuvo movimiento en el control y posición
especificada, esto lo busca en los registros diarios
(debido a esto se colocan las fechas de más recientes a
más antiguo en registros diarios) y el color corresponde
a que se realiza una búsqueda en el archivo de
inspecciones y según la profundidad promedio de la
última inspección de la llanta arroja diferentes colores
(Verde, amarillo, azul, rojo), en la parte superior de la
Tabla 3. Se puede evidenciar los rangos de
profundidades que toman cada color.
92
Tabla 2. Estado y ubicación llantas del control 245.
P > 15 10 <= P < 15 6 <= P <
10
P < 6
Tipo de Vehículo Doble Troque
Control 245
1 6636
2 6637
3 5684
4 6384
5 6381
6 6382
7 6379
8 6380
9 6377
10 6378
Fuente: Elaboración propia.
De acuerdo a lo explicado anteriormente y lo que
se puede observar en la Tabla 2 los vehículos a
tener presente para cambio son el 380, 381 y 386 y
para aparear son las llantas 5694 del control 245 y
la llanta 5905 del control 387, este apareamiento es
necesario debido a que en promedio las otras llantas
tienen una profundidad de por lo menos de 10 mm
y estas tienen profundidades de menos de 6mm por
lo que se presenta desgaste acelerado en la dual con
la que se encuentra. Hay algunas casillas que no
tienen color y esto significa que la actividad de
toma de profundidades no ha sido realizada a las
llantas que están montadas no se han tomado
profundidades.
Otro archivo que se realiza es el de
“Programación”, la finalidad de este es evidenciar
a cuáles llantas ya sobrepasaron el límite de tiempo
para reportar las profundidades que tiene, este sirve
de alerta para tomar medidas y verificar qué
inspecciones hacen falta. El funcionamiento de este
es parecido al archivo anterior sólo que ahora no se
comparan profundidades sino fechas, compara la
fecha del día actual (=Hoy()) con la última del
archivo de inspecciones y si esta es mayor a 30 días
resalta de color amarillo la casilla lo que indica que
la inspección está vencida.
Tabla 3. Inspecciones vencidas del control 315.
Control 315
1 7584
2 7585
3 7586
4 7435
5 7587
6 7588
7 7695
8 7500
9 7689
10 7690
Fuente: Elaboración propia.
Según lo que se puede observar en la Tabla 3. 4 de las
10 llantas del vehículo 315 tienen la inspección vencida.
Con esta gestión de información se ha logrado tener
mejoras en la gestión de las llantas, alimentando y
consolidando los datos en un archivo digital, este brinda
facilidad y asertividad en la toma de decisiones de
mantenimiento que finalmente lo que se busca es la
reducción de costos y reducción en impactos
ambientales.
5. Resultados
El resultado también incluye la metodología final, la
cual es:
1. Captura de datos: Se captura la información por
parte del contratista de acuerdo al
procedimiento diseñado.
2. Procesamiento: Se procesan los datos que envía
el contratista (Por medio de la macro,
organización de fechas)
3. Análisis de datos: Se analiza la información
suministrada. Por ejemplo: Si la llanta en el
archivo de registros diarios aparece montada en
el vehículo 245, ¿Por qué no aparece en el
archivo de inspecciones la inspección de la
llanta en ese vehículo?, en éste análisis se
revisa coherencia de la información, llantas que
cumplieron rendimiento, vehículos necesarios
para cambios, proyección de llantas,
apareamientos de llantas, rotaciones
necesarias.
4. Toma de decisiones: Al tener conocimiento
total del estado actual de la flota, se toman
decisiones de cambios de llantas entre
vehículos, cambios completos de llantas en
vehículos, rotaciones y alineaciones necesarias.
5. Medición de resultados: A continuación, se
menciona los resultados obtenidos y la
estrategia de cómo se midieron.
93
La implementación de este sistema comenzó el mes de
mayo de 2018, y desde entonces el sistema ha adquirido
valor, luego de octubre del mismo año ya que las llantas
que estaban montadas en los vehículos al no tener
registros de cambios y movimientos simplemente no se
tenía la trazabilidad de estas mismas por lo que no se
conocía el rendimiento real de la totalidad de llantas
instaladas. Uno de los problemas evidenciados luego de
la puesta en marcha del programa es que existen llantas
con el mismo número de identificación (llantas
repetidas), falta de movimientos en los registros por lo
que van a seguir apareciendo novedades que van a
entorpecer el correcto funcionamiento de este sistema,
sin embargo, son novedades que se pueden dar solución.
Gráfico 1. Cantidad de llantas enero-mayo 2018 vs 2019
Se puede observar en el Gráfico 1. que la cantidad de
llantas en los tres ámbitos (Nuevas, dadas de baja y
reencauche), luego de tener un sistema de información y
con personal idóneo en la toma de decisiones habrá
tomado efecto luego de un tiempo de gestión y
adaptación de este sistema, el porcentaje de reducción en
llantas nuevas es de 36.5 % y el porcentaje de aumento
en llanta reencauchadas es de 38.71 %, teniendo en
cuenta que una llanta reencauchada tiene un valor entre
60 % y 80 % menos que una llanta nueva, así mismo se
presenta que los costos de mantenimiento se han
reducido, en la siguiente gráfica se puede observar la
diferencia.
Gráfico 2. Costos de llantas entre enero y mayo de 2018 y
2019.
En el Gráfico 2. Se puede evidenciar una reducción
considerable en los costos de mantenimiento del 19.38
% lo equivale a una diferencia de 69´586.243 COP en el
mismo periodo antes de la implementación del sistema
de información y luego del funcionamiento de este.
También, se logró evidenciar por medio del archivo de
inspecciones que las llantas de la flota están teniendo un
desgaste localizado en la parte central de la banda de
rodamiento, lo que posiblemente esto indique es sobre
presión que están manejando las llantas por lo que se
enviaron a pesaje los vehículos para determinar la
cantidad exacta de aire al que se deben de llenar cada
una de las llantas.
6. Conclusiones
- Un sistema de información para llantas en el
que se tenga trazabilidad de cada una de estas
es primordial para una flota de transporte ya
que suministra suficientes datos y arroja estos
de una manera organizada con el fin de que la
toma de decisiones sea una tarea más sencilla y
más acertada de acuerdo a la realidad.
- Los resultados obtenidos dependen
considerablemente del sistema de información,
debido a que este es la base para la toma de
decisiones en los mantenimientos.
- El sistema de información se creó con el
enfoque de la trazabilidad de los activos y para
reducir los tiempos en el área administrativa
(Revisión de garantías), sin embargo, el
próximo paso a seguir con este sistema es la
generación de indicadores automáticos como lo
son el índice de reencauche, costo por
kilómetro y kilometraje por milímetro
recorrido de la llanta.
148
113
200
127
3862
0
50
100
150
200
250
DES
ECH
O
DES
ECH
O
NU
EVA
NU
EVA
REE
NC
AU
CH
E
REE
NC
AU
CH
E
2018 2019 2018 2019 2018 2019
CANTIDAD LLANTAS ENERO -
MAYO 2018 vs 2019
$359.080.665
$289.494.422
$0
$50.000.000
$100.000.000
$150.000.000
$200.000.000
$250.000.000
$300.000.000
$350.000.000
$400.000.000
2018 2019
COSTOS DE LLANTAS ENTRE
ENERO Y MAYO 2018 VS 2019
2018
2019
94
- La base para un buen funcionamiento de un
sistema de información es el suministro
correcto y en tiempo real de los datos ya que, al
no tener información real en este, simplemente
serán arrojados valores en los indicadores que
no son acordes a la realidad.
- El tiempo de acoplamiento del sistema de
información varía dependiendo de cada flota de
transporte, este depende del historial que se
tenga y el tipo de información que se suministra
a la base de datos (en caso de que se tenga).
- Tener un sistema de información por hojas de
cálculo tiene una desventaja y es debido a que
cada flota de transporte varía con respecto a la
cantidad de información que se maneja, por lo
que en flotas grandes la cantidad de
información aumenta y el archivo cada vez es
más lento.
7. Referencias
[1] M. d. Transporte, «Ministerio de transporte,» Enero
2018. [En línea]. Available: www.mintransporte.gov.co.
[Último acceso: Agosto 2018].
[2] P. S. P. Garzón y J. A. Villareal Cabrera,
«Univerisdad Internacional de Ecuador,» Julio 2012.
[En línea]. Available:
https://repositorio.uide.edu.ec/bitstream/37000/82/1/T-
UIDE-0022.pdf. [Último acceso: 10 Junio 2019].
[3] Michelin, «Michelin,» 2007. [En línea]. Available:
https://www.michelintruck.com/assets/pdf/XOneTireSe
rviceManual_53-78.pdf. [Último acceso: 05 2018].
[4] T. A. M. COUNCIL, «LANKAHUASA,» 1995. [En
línea]. Available: http://www.lankahuasa.com/wp-
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DE-CARCASA-LLANTA-NUEVA.pdf. [Último
acceso: 2018].
[5] OSHA, «OSHA,» [En línea]. Available:
https://www.osha.gov/Publications/wheel/3402tube-
type-truck-and-bus.pdf. [Último acceso: 2018].
[6] Continental, «Continental,» 2013. [En línea].
Available: https://blobs.continental-
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30efccec1d67eee53d/tyre-damage--causes-and-
avoidance-data.pdf. [Último acceso: 2018].
