MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
Tema A1a Diseño Mecánico: Diseño de prototipos
“Prototipo de molino para fraccionar fibras de agave con fines experimentales”
Magdaleno Caballero Caballeroa, José Luis Montes Bernabéa*, Maria Eugenia Silva Riveraa.
a Instituto Politécnico Nacional, Centro Interdisciplinario de Investigación para el Desarrollo Integral Regional Unidad Oaxaca, Hornos No. 1003, Col.
Noche Buena, Municipio de Santa Cruz Xoxocotlán, Oaxaca, C.P. 71230, México,
*Autor contacto.Dirección de correo electrónico: [email protected]
R E S U M E N
Debido a la tendencia de sustituir fibras sintéticas por fibras naturales, en este caso para su utilización como refuerzo en
biocompuestos, deben satisfacer los requerimientos dimensionales de diferentes formulaciones, por lo que el objetivo de
este trabajo fue el diseño de un prototipo que realice la función de fraccionar fibra seca de bagazo de agave, mediante el
impacto de masas metálicas que giran libremente. En este prototipo, las fibras se fraccionan bajo la acción de un golpe
mecánico. El tamaño de la fibra fraccionada se controla en la criba de salida del producto la cual cuenta con orificios de
dimensión igual al tamaño definido, el producto es descargado hasta que logre pasar por los orificios de la criba. El
producto obtenido podrá ser utilizado de manera directa o como materia prima en un siguiente proceso de pulverizado.
Palabras Clave: Diseño de prototipos, biocompuestos, fibra de agave
A B S T R A C T
Due to the tendency to substitute synthetic fibers by natural fibers, in this case for their use as reinforcement in
biocomposites, they must fulfill the dimensional requirements of different formulations, reason why the objective of this
work was the design of a prototype that realizes the function of fractionating dry fiber of agave bagasse, by the impact of
freely rotating metallic masses. In this prototype, the fibers are fractioned under the action of a mechanical blow. The size
of the fractional fiber is controlled in the outlet screen of the product which has holes of dimension equal to the defined
size, the product is discharged until it can pass through the holes of the sieve. The product obtained may be used directly
or as a raw material in a subsequent spraying process.
Keywords: Design of prototypes, biocomposites, agave fiber
1. Introducción
La principal fuente de material renovable en la naturaleza
es la lignocelulosa. Este compuesto tiene una tasa de
síntesis de 4x109 toneladas anuales y se compone de
lignina, hemicelulosa y celulosa [1]. Cada uno de estos
componentes tiene propiedades físicas y químicas que los
hacen substratos de interés para ser usados en procesos
biotecnológicos, debido a su bajo costo y a su amplia
disponibilidad mencionada anteriormente. En este
sentido, en México se generan residuos agroindustriales,
que pudieran ser aprovechados para obtener productos de
valor agregado. En general la mayor parte de estos
residuos se dispone por incineración, sin embargo, la
biomasa residual es abundante y se ha demostrado que es
factible convertirla en diferentes productos como
biocombustible, alimento animal, compostas y químicos,
entre otros. Dentro de estos residuos agroindustriales se
encuentra el bagazo de Agave angustifolia Haw. Este es
un subproducto derivado del proceso para la producción
del mezcal y del cual se generan miles de toneladas
anualmente por lo que su disposición representa un
problema para dicha industria [2].
A lo largo de la historia de la humanidad las fibras
naturales han desarrollado un papel importante en el
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ámbito de la construcción, existen datos de la utilización
de fibras de hojas y madera que se utilizaban como
refuerzo de bloques compuestos con base arcillas [3] para
la construcción de viviendas e incluso para soportar cargas
moderadas. Por otra parte, se están realizando diversos
estudios alrededor del mundo sumando esfuerzos por
conseguir materiales compuestos completamente bio-
degradables, para así mitigar el daño ecológico que se ha
venido dando al medio ambiente por la producción en
masa de productos sintéticos a lo largo de la segunda
mitad del siglo pasado [4]. De acuerdo con Callister [5],
las características mecánicas de los materiales compuestos
reforzados con fibras dependen no solamente de las
propiedades de la fibra, sino también del grado en que una
carga aplicada es transmitida a las fibras a través de la
fase matriz. Al respecto, es muy importante la magnitud
de la unión interfacial entre las fases de fibra y matriz,
bajo un esfuerzo aplicado, la unión matriz-fibra cesa en
los extremos de la fibra, lo que produce un patrón de
deformación de la matriz; en otras palabras, en cada uno
de los extremos de la fibra no hay transmisión de la carga
desde la matriz. Se requiere una longitud de fibra crítica
para un aumento efectivo de la resistencia y de la rigidez
del material compuesto. Esta longitud crítica depende del
diámetro de la fibra y de su resistencia última a la tracción,
así como de la resistencia de la unión matriz-fibra (o de la
resistencia a la cizalladura de la matriz, la que sea más
pequeña), por lo que el objetivo de este trabajo fue el
diseño de un prototipo que realice la función de fraccionar
fibra seca de bagazo de agave, mediante el impacto de
unas masas metálicas que giran libremente. En este
prototipo, los haces de fibras se fragmentan bajo la acción
de un golpe mecánico, durante el cual la energía cinética
de las partículas en movimiento se transforma, parcial o
totalmente, en energía para su fragmentación. El tamaño
de la partícula se controla en la criba de salida del
producto la cual cuenta con orificios de una dimensión
igual al tamaño de partícula deseado, ya que el producto
será expulsado por la tolva de descarga hasta que logre
pasar por los orificios antes mencionados.
2. Metododología
2.1. Identificación de la necesidad
Para la utilización de la fibra del bagazo de agave como
refuerzo en biocompuestos es necesario que la longitud de
la fibra tenga dimensiones dependiendo de la matriz y el
tipo de biocompuesto, por lo que en el presente trabajo se
diseñó y construyó un prototipo de molino para fraccionar
fibra de agave con fines experimentales, con las
especificaciones de desempeño del prototipo que se
enlistan a continuación:
• Capacidad de procesamiento de 20 kg/h
• Operación con bajo consumo de energía eléctrica
• Fraccionar fibra seca de bagazo de agave hasta
un tamaño de 10 mm
• Sencillez de operación
• Facilidad de limpieza
• Costo inicial menor o igual a $ 20,500.00
2.2. Generación de conceptos
Para poder alcanzar los objetivos de este punto es
importante tomar en cuenta los siguientes antecedentes
que se presentan a continuación:
• Establecer la descomposición funcional
• Generar el árbol de funciones correspondiente
• Elaborar la carta morfológica del diseño
• Generar los conceptos de solución
Función global:
Fraccionar fibra seca de bagazo de agave
Funciones primarias
o Seccionar en longitudes de 10 mm la fibra
o Controlar el tamaño de la fibra
o Evitar fugas de material
Funciones secundarias:
o Controlar el tamaño de la fibra. Garantizar la
longitud del producto
o Fragmentar en partículas de 10 mm fibra de
bagazo de agave. Seccionar las fibras.
o Evitar fugas de material. Sellar las partes en
donde pudieran existir fugas.
Árbol de funciones
El árbol de funciones describe gráficamente las funciones
que debe realizar un producto a diseñar, Fig. 1.
Figura 1- Árbol de funciones del prototipo
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Carta morfológica y generación de conceptos
Cada función puede realizarse mediante la utilización de
diferentes alternativas. Debiéndose lograr una correcta
funcionalidad del equipo por lo que a partir de esta
herramienta se harán las combinaciones de las alternativas
para lograr los conceptos. Tabla 1.
Tabla 1– Carta morfológica de diseño
Funciones Alternativas
1. Controlar el
tamaño de la fibra
Con tamices
Manual
l
Con criba de
salida
2. Fragmentar en
longitudes de 10
mm la fibra
Manual
Manual con
herramienta
mecánica basica
Por medio
mecánico
3.Evitar fugas de
material
Traslape de
pestaña
Sello de caucho
Sello de caucho
En las tablas 2, 3, y 4 se presenta la evaluación de cada una de las alternativas propuestas para satisfacer cada función del prototipo, esto se realiza con base a diferentes parámetros que el usuario y el diseñador hayan definido, y al término de la evaluación cada una de las alternativas obtendrá una calificación la cual se registrara en la carta morfológica.
Tabla 2– Evaluación de las alternativas de la función controlar
tamaño
Funciones Alternativas
1. Controlar el
tamaño de la
fibra
Con tamices
Manual
Con criba
de salida
Costo 2 3 1
Funcionalidad 2 1 3
Durabilidad 1 2 3
Materiales 2 1 3
Estética 2 1 3
Total 9 8 13
Tabla 3– Evaluación de las alternativas para la función fragmentar
en longitudes de 10 mm
Funciones Alternativas
3. Fragmentar
en longitudes
de 10 mm la
fibra
Manual
Manual con
herramienta
mecánica basica
Por medio
mecánico
Costo
3
2
1
Funcionalidad
1
2
3
Durabilidad
2
1
3
Materiales
1
2
3
Estética
1
2
3
Total 8 9 13
Tabla 4– Evaluación de alternativas para la función evitar fuga de
material
Funciones Alternativas
3 Evitar fugas
de material
Traslape de
pestaña
Sello de caucho
Sello de caucho
Costo
2
3
1
Funcionalidad
1
2
3
Durabilidad
3
2
1
Materiales
2
1
3
Estética
2
1
3
Total 10 9 11
Con base a las calificaciones obtenidas por cada alternativa de solución para cada función, se construyen los diferentes conceptos, los cuales realizaran la función principal para satisfacer las necesidades del usuario, tablas 5 y 6.
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Tabla 5– Generación de conceptos a través de la carta morfológica
Funciones Alternativas
1. Controlar
el tamaño de
la fibra
Con
tamices
Manual
Con criba de salida
2. Fragmentar
en longitudes
de 10 mm la
fibra
Manual
Manual con
herramienta
mecánica basica
Por medio mecánico
3.Evitar fugas
de material
Traslape
de pestaña
Sello de caucho
Sello de caucho
Tabla 6– Conceptos
Concepto I Concepto II
La toma de decisiones se realizó evaluando las
alternativas generadas comparándolas contra los
requerimientos establecidos del usuario, por lo que se hizo
una evaluación de la forma en que cada uno cumple los
requerimientos bajo una escala de calificación, y como
resultado se tiene el conjunto más viable y óptimo.
Tabla 7– Escala de calificación
Escala de calificación
2 Poco
4 Regular
6 Medianamente
8 Casi por completo
10 Totalmente
Tabla 8- Tabla evaluativa de los conceptos con las especificaciones
de desempeño
Usuario Conceptos
I II
Fraccionar fibra seca de bagazo
de agave
10 4
Seguridad en el servicio 10 6
Bajo consumo de energía 8 10
Facilidad de limpieza 10 10
Resistente a vibraciones 10 8
Costo de inversión 8 10
Costo de operación 8 10
Facilidad de mantenimiento 8 10
TOTAL 72 68
Con base a la evaluación se concluye que el concepto a desarrollar es la opción I, al cumplir totalmente con la función principal.
2.3. Descripción del concepto seleccionado
La fig. 2 es una proyección del concepto del prototipo de
molino para fraccionar fibras de bagazo, y de las partes
que lo integran las cuales son: 1) Tolva de alimentación
de fibra seca, 2) Rotor con elementos de trituración 3)
Criba de salida, 4) Tolva de descarga de producto.
Funcionamiento. El prototipo fue construido con lámina
calibre 12 y 18 de acero inoxidable, la cual fue trazada y
cortada, para después ser ensamblada con soldadura de
arco eléctrico, remachada y atornillada. Un rotor con
elementos de trituración, el cual es movido por un motor
monofásico de 1.5 HP, una criba también de acero
inoxidable con abertura de orificios de 10 mm, todos los
elementos están montados en una estructura construida
con ángulo de 38 mm y espesor de 6.35 mm. El prototipo
pesa 95 kg, con dimensiones de 1000 mm de largo, 1300
mm de alto y 600 mm de ancho. Es accionado con
corriente monofásica de 120 volts.
El prototipo realiza la función de triturar la fibra seca de
bagazo de agave, a un tamaño de 10 mm, esta función se
logra mediante el impacto de unas masas metálicas que
giran libremente. En este prototipo, los haces de fibras se
fragmentan bajo la acción de un golpe mecánico, durante
el cual la energía cinética de las partículas en movimiento
se transforma, parcial o totalmente, en energía para su
destrucción. El tamaño de la fibra procesada se controla
en la criba de salida del producto la cual cuenta con
orificios de una dimensión igual al tamaño de partícula
deseado, ya que el producto será expulsado por la tolva de
descarga hasta que logre pasar por los orificios antes
mencionados.
C II C I
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Figura 2 -Proyección del prototipo.
2.3. Cálculo de la potencia requerida
José [7], en pruebas de laboratorio determinó la energía
de impacto para romper la estructura de la piña o corazón
del agave, compuesta por pulpa y fibra, obteniendo un
valor de 1.15 kJ/m2 en la sección que requirió mayor
energía. Con base a la disposición de las herramientas de
corte en el prototipo y el material a procesar, el área de
impacto fue de 3 X 10-4 m2, por lo que la energía aplicada
de forma individual fue de 3.45 X 10-4 kJ o 0.345 J.
Según la fig. 3, la distancia que describe en su trayectoria
el centro de masa de la herramienta de corte es igual a
0.115 m
Figura 3 – Distancia que describe en su trayectoria el centro de
masa de la herramienta de corte.
Caballero [6] para calcular la fuerza de corte utilizó la
siguiente ecuación:
c
tra
TF N
d (1)
Donde
trad = Distancia que describe en su trayectoria el centro
de masa de la herramienta de corte
trad = 0.115 m
T = 0.345 J
Por lo que la fuerza de corte fue de:
0.3453
0.115cF N
Debido a que el rotor trabaja simultáneamente con 24
herramientas de corte
TC C hcF F xn N (2)
3 24 72TCF x N
Calculo para la selección de las poleas
Partiendo de una velocidad angular del rotor de 875.5 rpm
y teniendo una polea de diámetro de 9.75”, así como la
velocidad del motor de 1800 rpm, se tiene:
1 1 2 2n d N D (3)
En donde
n1 = velocidad del motor
d1 = diámetro de la polea motriz
N2 = velocidad de la polea conducida
D2 = diámetro de la polea conducida
Por lo que despejando la incógnita, en este caso el
diámetro de la polea motriz, se tiene:
1 2 2 1( ) /d N D n
Sustituyendo
1 (875.5 9.75) /1800d x
"
1 4.74d
Se compra una polea con diámetro comercial de 4.75”
Con base a la velocidad del rotor N2 = 875.5 rpm = 91,68
rad/s y el radio= 0.115 m, se determinó la velocidad lineal.
91.68 0.115 10.54 /CV m s (4)
Teniendo los valores de la fuerza total de corte y de la
velocidad lineal se determinó la potencia requerida para el
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fraccionado de las fibras.
72 10.541.017
745.7 745.7
TC CTC
F VP HP (5)
Por lo que se seleccionó un motor eléctrico monofásico de
1.5 HP.
2.4. Geometría de la herramienta de corte
Se definió una geometría con base a la funcionalidad y las
operaciones de maquinado, mostrándose las dimensiones
(mm), en la fig. 4.
Figura 4 – Dimensiones de la herramienta de corte.
En la Fig. 5 se puede apreciar la herramienta de corte, la
cual con base a su volumen total de 5.27x10-6 m3 y a la
densidad del acero AISI 316 igual a 7960 kg/m3 se
determinó su masa de 41.94 g.
Figura 5 – Herramienta de corte.
Figura 6 – Eje y separadores de las herramientas de corte.
Figura 7 – Herramientas de corte montadas en su eje.
Figura 8 – Discos montados en su flecha.
Figura 9 – Criba con tamaño de agujero de 10 mm.
3. Resultados
Se diseñó y construyó un prototipo de molino para
fraccionar fibras de agave con fines experimentales,
Fig.10.
Figura 10 - Prototipo terminado
Condiciones de entrada y salida de la fibra
Se probó el prototipo para evaluar su función principal,
inicialmente la fibra al entrar al molino tiene dimensiones
entre 100 mm y 200 mm, y humedad de 10%, figs. 10 y
11.
Figura 10 – Fibra antes de ser procesada, 100 mm.
Figura 11 – Fibra antes de ser procesada, 200 mm.
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Después de haber procesado 20 kg de fibra en el prototipo
de molino, se obtuvo fibra fraccionada entre 10 y 15 mm.
Fig, 12.
Figura 12 –Fibra procesada
La fibra procesada se hizo pasar por 2 tamices, para
cuantificar el porcentaje de fibra con tamaño de 10 mm,
12.5 y 15 mm, procediéndose a pesar la cantidad de fibra
de cada dimensión, por lo que el porcentaje obtenido fue:
95% de longitud 10 mm
3% de longitud 12.5 mm
2% de longitud 15 mm
Después de haber realizado 8 pruebas por un tiempo de 1
hora cada una, no se detectaron daños en las herramientas
de corte, piezas del rotor o algún otro elemento del
prototipo. En cuanto al nivel de ruido del equipo, debido
a la capacidad del motor y las características del material
procesado se alcanzarían máximo 80 decibeles.
4. Conclusión
Se diseñó y construyó un prototipo que acondiciona fibra
de bagazo de agave con fines experimentales al
fraccionarla hasta obtener una longitud mínima de 10 mm,
utilizándose el producto procesado de manera directa en
determinados biocompuestos que requieran fibra con la
dimensión que entrega el molino. Este prototipo también
puede ser utilizado para fraccionar fibra antes de ser
procesada en otro equipo el cual la pulverice, ahorrando
tiempo en esta última operación. La capacidad del molino
fue de 20 kg/h con eficiencia de 95%.
REFERENCIAS
[1] Y. García Gonzalez, e-Gnosis (2004). [2] Linerio J. (1998), Residuos Tequileros, Normatividad
y Medio Ambiente, Bebidas Mexicanas (CIATEJ) [3] Gatenholm, P. 1997.IntefacialAdhesión and
Dispersiónin Biobased Composites. Molecular Interactions between Cellulose and Other Polymers, Technical Report, Chalmers University, Suecia.
[4] Suluaga, F. 1999.ElplásticoCondenadoaNo Desaparecer. Revista Ciencia al Día, Universidad del Valle, Colombia.
[5] Callister, W. D. Jr. (2009). Ciencia e Ingeniería de los Materiales, segunda edición. Limusa Wiley. Mexico
[6] M. Caballero Caballero; L. Silva Santos; A. José José; I. López Hernández; C. I. Cortes Martínez; J. L. Montes Bernabé; R. F. García Méndez (2008), Diseño y construcción de una maquina seccionadora de agave verde, Memorias del 14 Congreso Internacional Anual de la SOMIM.
[7] A. José José (2008), Determinación de la energía de corte por impacto sobre el agave angustifolia Haw, tesis de maestría, Instituto Politécnico Nacional.
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