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1 Desarrollo de material mediante la reutilización de los desperdicios generados en la cadena de producción de CADELI S.A.S Carlos Mario Ortiz Cardona 1088329234 Universidad Católica de Pereira Facultad de Arquitectura y Diseño Programa De diseño Industrial Pereira 2018
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Desarrollo de material mediante la reutilización de los desperdicios generados en la cadena de
producción de CADELI S.A.S
Carlos Mario Ortiz Cardona
1088329234
Universidad Católica de Pereira
Facultad de Arquitectura y Diseño
Programa De diseño Industrial
Pereira 2018
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Desarrollo de material mediante la reutilización de los desperdicios generados en la cadena de
producción de CADELI S.A.S.
Carlos Mario Ortiz Cardona
1088329234
Trabajo de grado para obtener el título de diseñador industrial
Asesor: Dr. Juan Fernando López
Universidad Católica de Pereira
Facultad de Arquitectura y Diseño
Programa de diseño industrial
Pereira 2018
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TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................ 10
1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .............................................................................. 11
1.1 Pregunta de investigación............................................................................................... 12
2 JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................. 13
3 OBJETIVOS .......................................................................................................................... 15
3.1 Objetivo general ............................................................................................................. 15
3.2 Objetivos específicos...................................................................................................... 15
4 MARCO TEÓRICO .............................................................................................................. 17
4.1 Estado del arte ................................................................................................................ 17
4.2 Marco conceptual ........................................................................................................... 21
4.2.1 Caucho .................................................................................................................... 21
4.2.2 Impresión 3D .......................................................................................................... 26
4.2.3 Impresión en polímero PLA.................................................................................... 26
4.3 Marco legal ..................................................................................................................... 27
4.3.1 Normativa para el tratamiento, investigación, de material caucho ......................... 28
5 ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE DATOS .................................................................. 29
6 metodologia de diseño ........................................................................................................... 39
7 analisis de tipologias .............................................................................................................. 43
7.1 Requerimientos de producto........................................................................................... 46
7.1.1 Requerimientos de uso ............................................................................................ 47
7.1.2 Requerimientos de función ..................................................................................... 48
7.1.3 Requerimientos estructurales .................................................................................. 49
4
7.1.4 Requerimientos técnico-productivos ...................................................................... 50
7.1.5 Requerimientos ambientales ................................................................................... 51
7.2 Concepto de diseño ........................................................................................................ 52
7.3 Alternativas de diseño .................................................................................................... 53
7.4 Evaluación de alternativas .............................................................................................. 56
7.5 Modelos .......................................................................................................................... 58
7.5.1 Pulverizadora de caucho ......................................................................................... 58
7.5.2 Extrusor de filamento .............................................................................................. 60
7.5.3 Modificación impresora 3D .................................................................................... 63
7.6 Propuesta final ................................................................................................................ 65
7.7 Proceso productivo ......................................................................................................... 66
7.8 Materiales ....................................................................................................................... 69
ANEXOS ................................................................................................................................... 71
Planos generales ........................................................................................................................ 71
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TABLA DE FIGURAS
Figura 1Molde de probeta. Fuente: elaboración propia. ............................................................... 29
Figura 2 Caucho granulado. Fuente: elaboración propia. ............................................................. 31
Figura 3 Probeta caucho 100%. Fuente: elaboración propia. ....................................................... 33
Figura 4 Mezcla material. Fuente: elaboración propia. ................................................................ 34
Figura 5 Compresión. Fuente: elaboración propia. ....................................................................... 35
Figura 6 Comparación de probeta. Fuente: elaboración propia. ................................................... 36
Figura 7. Metodología de diseño .................................................................................................. 39
Figura 8. Tipología 1..................................................................................................................... 43
Figura 9. Tipología 2..................................................................................................................... 44
Figura 10. Tipología 3................................................................................................................... 45
Figura 11. Concepto ...................................................................................................................... 52
Figura 12. Alternativa N°1 ............................................................................................................ 53
Figura 13. Alternativa N°2 ............................................................................................................ 54
Figura 14. Alternativa N°3 ............................................................................................................ 55
Figura 15. Alternativa N°4 ............................................................................................................ 56
Figura 16 Pulverizadora ................................................................................................................ 58
Figura 17. Partes de pulverizadora................................................................................................ 59
Figura 18. Extrusor de filamento .................................................................................................. 60
Figura 19. Adaptación hottend de impresión ................................................................................ 61
Figura 20. Tornillo sin fin ............................................................................................................. 62
Figura 21. Modificación impresora 3D ......................................................................................... 63
Figura 22. Simulación entrada del filamento ................................................................................ 64
Figura 23. Planos 1. Pulverizador de caucho ................................................................................ 71
Figura 24. Plano 2. Extrusor ......................................................................................................... 72
Figura 25. Obtención del filamento .............................................................................................. 66
Figura 26. Materia prima ............................................................................................................. 67
Figura 27.Caucho pulverizado ...................................................................................................... 67
6
Figura 28. Materiales .................................................................................................................... 69
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Norma técnica. ................................................................................................................. 30
Tabla 2 Porcentaje de material ...................................................................................................... 32
Tabla 3 Caucho virgen 100% caucho natural 0% ......................................................................... 37
Tabla 4. Requerimientos de uso .................................................................................................... 47
Tabla 5. Requerimiento de función ............................................................................................... 48
Tabla 6. Requerimiento estructural ............................................................................................... 49
Tabla 7. Requerimientos tecnico-productuvo ............................................................................... 50
Tabla 8 . Requerimiento ambiental ............................................................................................... 51
Tabla 9. Evaluación de alternativas .............................................................................................. 57
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RESUMEN
El proyecto a desarrollar enfoca su interés en la utilización del caucho y su transformación a un
prototipo de filamento de impresión 3D.
Para esto se toman dos materiales de la empresa CADELI S.A.S, uno es el caucho virgen y el
otro es el caucho vulcanizado resultante en la cadena de producción, con el fin de convertir estas
dos en un filamento útil para el proceso de impresión 3D.
La composición química del caucho virgen permite dar la utilización directa desde la materia
prima al resultado.
El caucho vulcanizado es combinado con un polímero estándar de impresión 3D (PLA),
posteriormente se lleva a cabo la prueba de impresión 3D para la cual se realizan modificaciones
físicas a la impresora.
Palabras clave: Caucho vulcanizado, Reutilización, Impresión 3D, Filamento
ABSTRAC
The project to be developed focuses on the use of rubber and its transformation into a 3D printing
filament prototype.
For this, two materials of the company CADELI S.A.S are taken, one is the virgin rubber and the
other is the vulcanized rubber resulting in the production chain, in order to turn these two into a
useful filament for the 3D printing process.
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The chemical composition of virgin rubber allows direct use from the raw material to the result.
Vulcanized rubber is combined with a standard 3D printing polymer (PLA) Subsequently, the 3D
printing test is carried out for which physical modifications are made to the printer.
Key words: Vulcanized rubber, Feuse, 3Dprinting, Filament
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INTRODUCCIÓN
En el municipio de Risaralda se encuentra la empresa CADELI S.A.S la cual se dedica a trabajar
el caucho para repuestos de motocicletas o transformadores. Al realizar una aproximación en la
empresa, se observan cuáles son los componentes de los materiales y labores que allí se realizan
esta conduce a ejecutar una investigación la cual permita definir cuáles son las carencias o
impactos que está generando la empresa dentro del territorio.
Se propone la reutilización del material sobrante de la cadena de producción de la empresa
CADELI S.A.S, el cual le da un valor agregado a la empresa al ser amigable con el medio
ambiente, pero también le permite el aprovechamiento de material reciclado, generando una
rentabilidad en la producción y competitividad con las empresas de la región.
En el transcurso de la investigación se implementan tres etapas; una de ellas la experimental donde
se da cierta reutilización al material, este pasa por una serie de transformaciones físicas y es
sometido a pruebas de resistencia con el fin de permitir una nueva posible aplicación en la misma
cadena de producción de la empresa. Si bien hay que tener claridad que la empresa cuenta con los
espacios necesarios para realizar la producción del nuevo material a partir de los desechos que la
misma genera.
Es por esto que todo proceso que facilite la reutilización de material y permita un óptimo
aprovechamiento del mismo, servirá como un método de conectar lo reciclable con lo que se puede
desechar y de este modo forjar una mayor economía y cuidado al medio ambiente sin necesidad
de contaminar en exceso con los residuos. Mediante la reutilización de este material desperdicio
se busca la realización de un prototipo de filamento que permita la impresión 3D con características
similares a las de un moldeo por presión y temperatura.
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1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La industria del caucho ha explotado el recurso natural en numerosas cantidades con el fin de
responder a muchos de los problemas cotidianos, o en su defecto enfocado a brindar una mejor
calidad de vida al ser humano. Este aprovechamiento del recurso, ha incluido diferentes industrias,
siendo la automotriz la más grande de ellas, donde se ven aplicaciones desde neumáticos hasta
empaques de ajuste, incrementando día a día su consumo debido a la demanda del mercado.
Basado en lo anterior se debe mencionar que la contaminación por parte de este material aumenta
directamente proporcional a la producción que se lleve a cabo en diferentes productos comerciales
e industriales. Es decir, hay una acumulación del material desechado, esto debido a la dificultad
que presenta el procesamiento o reciclado de este mismo. Se analizan diferentes formas de
reutilización del material, generando una prolongación en su ciclo de vida suplantando material
nuevo u de otro tipo contaminante.
CADELI S.A.S es una de las empresas de la región que se dedican a la manipulación y
transformación del caucho virgen en piezas industriales con aplicativo en el ámbito automotriz
especialmente en motocicletas, y el ámbito eléctrico directamente en transformadores, dicha
manipulación se hace desde la composición química hasta la vulcanización y distribución del
producto. La investigación centra su mirada en el desperdicio o desecho resultante del proceso de
producción, el cual se convierte en un problema de carácter contaminante o poco amigable con el
medio ambiente debido a la finalidad que se le está dando en su ciclo de vida el cual es el vertedero
de basura como un desecho común.
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Este desecho es llamado por los trabajadores de la empresa como rebaba de caucho, es el resultante
de uno de los procesos que se dan en la empresa el cual consiste en pulir las piezas para su acabado
final antes de ser empacadas y distribuidas, las características formales de la llamada rebaba son
diferentes en cada pieza ya que los moldes de fabricación varían en formas y tamaños, es decir no
hay una homogeneidad del desecho, esto también se debe a que el proceso de pulido es de carácter
manual y por diferentes operarios, lo que influye que no exista uniformidad en el corte.
La responsabilidad ambiental es un tema de carácter importante para el desarrollo de toda empresa
y es por esto que CADELI S.A.S muestra interés por la reutilización del material sobrante de sus
procesos de fabricación, con el fin de disminuir en el impacto ambiental que está causando y
plantear una posible aplicación de este material en sus procesos productivos, o en su defecto
generar producto a partir de este desecho.
1.1 Pregunta de investigación
Con base en lo anterior se genera la pregunta de investigación: ¿Cómo aprovechar el residuo
industrial de caucho vulcanizado, con el fin de obtener materiales y/o productos que les den un
valor significativo para el aprovechamiento por parte de la empresa CADELI S.A.S.?
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2 JUSTIFICACIÓN
La presente investigación tiene como fin un nuevo valor de reutilización al residuo de caucho
vulcanizado de la cadena de producción de la empresa CADELI S.A es pertinente ya que el caucho
vulcanizado es considerado un material de alta contaminación debido al periodo de tiempo que
tarda en descomponerse y a las cantidades en las que es desechado este material, éste ha dado
respuesta a muchos de los problemas cotidianos, pero su composición química se ha convertido en
un problema ambiental.
La reutilización de materiales ha tomado grandes niveles de importancia basado en dos factores
que traen beneficios en diferentes ámbitos, uno de ellos es la producción, donde el material
reciclado vuelve a ser nuevamente materia prima en el proceso productivo donde el factor
económico es uno de los más beneficiados, así mismo el siguiente ámbito es el medio ambiental,
el cual es un tema latente debido a los altos niveles de contaminación que hay en el planeta y las
consecuencias que esta ha tenido; a partir de y en su gran mayoría del desecho de materiales u
objetos los cuales su composición química y física rompen con los esquemas de la biodegradación.
La intención y el resultado del proyecto se ven enmarcados en la reutilización del material sobrante
de las piezas fabricadas en la empresa de cauchos CADELI S.A que actualmente están siendo
desechados como cualquier otro material sin ningún tipo de tratamiento de degradación. Esto con
el fin de encaminar a la empresa en un estado de responsabilidad social y ambiental, aumentando
su nivel de competitividad ante otras empresas dedicadas a la misma labor o productoras de piezas
en común, es decir la implementación del caucho vulcanizado en su proceso productivo es un plus
que les brinda una disminución de costos productivos y una diferenciación en el mercado.
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Así mismo la investigación se ve respaldada por el estudio y aplicación de pruebas mecánicas que
garantizan las propiedades del material y su calidad para ser implementado nuevamente en un
proceso productivo que responda con las necesidades del ser humano.
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3 OBJETIVOS
3.1 Objetivo general
Realizar un prototipo de material para impresión 3D aprovechando el sobrante de caucho
vulcanizado de la empresa CADELI S.A.S.
3.2 Objetivos específicos
Objetivos específicos ¿Cómo?
Desarrollar un proceso de pulverización, el
cual permita tener una mayor adaptabilidad
al material.
Diseñar y elaborar máquina herramienta capaz
de moler el caucho bajo un principio abrasivo
hasta un estado de polvo.
Implementar un proceso de
homogeneización del material y producción
de filamento para llevar a cabo la impresión
3D.
Diseñar y elaborar prototipo de extrusor capaz
de producir el filamento; realizar prueba en
extrusor industrial.
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Intervenir las características físicas y
software de la impresora 3D que cumpla con
el requerimiento del material.
Traslado del motor de inyección con el fin de
generar una entrada directa del material al
hotend (boquilla de impresión) de la impresora
3D.
Realizar la impresión 3D de un modelo con
base en caucho virgen y/o vulcanizado.
Realizar prueba de impresión 3D a partir de las
modificaciones realizadas y del filamento
resultante.
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4 MARCO TEÓRICO
4.1 Estado del arte
La reutilización de materiales es un tema latente en la actualidad, por esto es que el caucho es uno
de los materiales más importantes durante este proceso, ya que sus componentes químicos lo hacen
un material poco amigable con el medio ambiente, de tal manera en la investigación se encuentran
temas sobre como procesar dicho material para posibles aplicaciones, en este caso su uso se verá
reflejado en la fabricación de placas de caucho, esteras de caucho o productos similares en los que
se pueda implementar el granulo de caucho que se desea obtener. En este caso tiene una
importancia especial el hecho de que el granulado de goma o bien sus superficies no deben fundirse
por medio de calor, para garantizar una unión perfecta. (HÜNEKE, 2007)
El caucho es un material difícil de trabajar después de un proceso de vulcanización, ya que sus
propiedades han sido modificadas por medio de componentes aditivos como el azufre para llevar
a cabo tal proceso, además de variaciones térmicas que debilita el material para otros posibles
procesos; en el artículo se menciona acerca del proceso a llevar a cabo para una posible
reutilización del caucho, haciendo énfasis en porcentajes de temperatura y cantidades de material
para garantizar un producto de calidad. En primer lugar, se encola el granulado de caucho que se
fabrica a partir de neumáticos usados en una mezcladora o similar con el aglutinante, por ejemplo,
isocianato (HÜNEKE, 2007)
El procedimiento empleado para la creación de placas mencionadas en el artículo, sirve como guía
para el proceso de reutilización de caucho en la empresa CADELI.
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Los procedimientos para el reciclado y des vulcanización de caucho suelen ser un poco complejos
debido a la composición y procesos realizados antes de ser un material útil para la industria de
vulcanización, es por esto que la investigación se encuentra enfocada en como volver el caucho
vulcanizado en un material reutilizable, con el fin de implementar su aplicación en nuevos
productos u objetos. Por lo tanto, un proceso de reciclado tiene que hacer que sea posible romper
los enlaces químicos creados por el azufre, de manera tal que el material elastómero vuelva al
estado físico/químico original antes del tratamiento de vulcanización y esté listo para ser
reutilizado en el ciclo productivo. (Gianfranco, 2016)
Durante el proceso de reutilización del caucho lo que se busca es llevar su composición a un estado
inicial o similar que le pueda permitir la realización de una nueva vulcanización. Moler dicho
caucho en un molino con el fin de triturar en partículas que tienen un tamaño sustancialmente
comprendido entre 5 y 15 mm (Gianfranco, 2016)
Este es uno de los procesos más recomendados y lo encontramos en el texto anterior, ya que el
granulo de caucho permite acercarse un poco más a esa composición química inicial, además de
brindar mayor facilidad en el proceso de reutilización y aplicación en nuevos moldes.
En el caso de la investigación, se busca la fabricación de una línea de objetos sustentables a partir
de la reutilización de neumáticos, es decir caucho vulcanizado, un material que se considera que
ha terminado su ciclo de uso. Generando nuevas propuestas de objetos a partir de un proceso de
diseño mediante la manipulación y exploración del material ya que tiene múltiples características
entre las más principales son su flexibilidad y maleabilidad (Gianfranco, 2016)
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El caucho es un material que permite múltiples aplicaciones, desde la industria automotriz hasta
la industria del calzado, ya sea caucho virgen o caucho vulcanizado, en este caso se le esta brindado
una nueva utilización o aplicación al producto; de esta forma es lo que se busca en el proyecto con
la empresa de caucho CADELI, a partir del residuo generado en varios de sus procesos
productivos.
Otras de las aplicaciones que se le da al caucho vulcanizado es en la ingeniería donde existe un
innovador pavimento sellado, en el cual se hicieron diferentes estudios y pruebas los cuales
demostraban que el buen rendimiento del material se debía al bajo peso unitario y de la miga del
caucho el cual permite que la capacidad de absorción sea mayor.
El objetivo de este estudio es el desarrollo de nuevos compuestos multifuncionales con interfaz
controlada. Propiedades, para productos dedicados al entorno construido sostenible” (Cristina
Cazan, 2018)
Como se dijo anteriormente el calzado es una de las múltiples aplicaciones que se le puede dar a
la reutilización de caucho vulcanizado, en este caso se habla de caucho pulverizado, proveniente
de los neumáticos viejos de vehículos. Para realizar los productos se analiza la viabilidad del
material para generarlo, desde aspectos como la maleabilidad, resistencia, durabilidad, entre otros,
las cuales son propiedades necesarias para generar un nuevo producto de alta durabilidad. Esto
puede ampliar las perspectivas de diversas aplicaciones del material, no solo en la industria
automotriz, sino que también se puede beneficiar la industrial del sistema moda, la cual integra de
una manera holística diversas empresas.
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La revalorización del caucho en esta investigación se busca por medio de la implementación del
caucho vulcanizado en combinación con otro material como lo es el aserrín o viruta de madera y
aglutinante que le permiten una composición con mayor homogeneidad; su finalidad es darle uso
en nuevos productos u objetos de tipo ecológicos. Para esto es indispensable la realización de
probetas que dan validez al nuevo material.
Para la validez se realizan ensayos mecánicos como lo son dureza, compresión e intemperie esto
con el fin de verificar las características que componen el nuevo material. Para la presente
investigación es importante tener en cuenta los resultados y algunos de los procesos mencionados
anteriormente empleados en la investigación; los cuales sirven como punto de comparación y
posible adaptación al proceso investigativo en la empresa CADELI S.A.
Actualmente se están viviendo diferentes problemas ambientales por la presencia desmesurada de
materiales a los cuales no se les encuentra una posible reutilización; con el estudio y aceptación
del caucho vulcanizado como una nueva alternativa de consumo en las industrias este servirá como
apoyo para la recuperación de residuos y así mismo permitir menos contaminación al medio
ambiente, por medio de su transformación y desarrollo sostenible.
Los efectos negativos derivados de la presencia de materiales de desecho en el medio ambiente es
un problema importante en todo el mundo, que requiere el énfasis en los procesos de reciclaje y
los procesos de reutilización.(Dobrota, 2017)
Al querer utilizar el caucho vulcanizado como un nuevo material se está contribuyendo al progreso
de recuperación de neumáticos siendo este uno de los factores más contaminantes, son un auténtico
atentado contra el entorno. El caucho y su masiva fabricación los convierten en un problema medio
21
ambiental de primer orden en todo el mundo, pues no siempre se reutilizan, aunque también es
cierto que su reciclaje cada vez es más común e imaginativo.
La tecnología aplicada puede transformar los neumáticos postconsumo en una fuente de energía o
valiosas materias primas, de las cuales se puede obtener una amplia gama de materiales
compuestos poliméricos sostenibles caracterizados por buenas propiedades botánicas y
funcionales (Dobrota, 2017)
4.2 Marco conceptual
4.2.1 Caucho
4.2.1.1 Caucho virgen
Durante el desarrollo industrial, se han visto involucrados diferentes materiales que han aportado
al desarrollo mediante sus aplicaciones u objetos fabricados que han permitido avanzar sobre viejas
tecnologías. En este caso es el caucho y sus propiedades el tema de interés; es preciso mencionar
que es el caucho uno de los materiales que más ha aportado en el desarrollo industrial, productivo,
y por ende el desarrollo del ser humano en busca de mejores condiciones de vida; como lo
menciona:
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La especie Hevea brasiliensis (Willd. ex Adr. de Juss.) Muell.-Arg. es la principal fuente
de caucho natural del mundo. A su vez, este producto es considerado materia prima
estratégica para el progreso de la humanidad. (Silva et al., 2007, 2010), y su consumo se
ha asociado con el estilo y la calidad de vida de la población.
Pues ha permitido soluciones en múltiples aspectos industriales como complemento de maquinaria
en procesos productivos, mejoramiento de objetos o utensilios de uso común, además de su gran
aporte y desarrollo en la industria automotriz.
En la utilización de materias primas es importante reconocer los procesos de cultivo, ya que desde
allí se ven reflejadas las características y cambios que brinda el material, es preciso realizar un
análisis más profundo acerca de cada material como lo menciona (Quarteroli Silva, y otros, 2012)
“En los últimos años, ha ocurrido una revalorización y mayor utilización de materias
primas de origen natural y, para garantizar la sustentabilidad en la utilización de este
producto, se hace necesario alcanzar un profundo conocimiento de las prácticas de manejo
de la especie productora”
Esto con el fin de poder aprovechar en su totalidad las propiedades que brinda cada material,
además de tener una manipulación desde su cultivo, es allí donde se pueden realizar cambios o
mejoras en la composición química, con diferentes finalidades como también lo
menciona (Quarteroli Silva, y otros, 2012)
“A partir de este momento se multiplican las posibilidades de uso del caucho y nuevos
objetos fabricados con este material salen al mercado. La demanda por este producto
natural crece vigorosamente, impulsada entre otras por el naciente mundo del automóvil,
23
actualmente, la industrial de la fabricación de llantas es el mayor consumidor de caucho en
el mundo”.
En Colombia se inició un proceso por la importancia del cultivo de caucho desde el año 1999
específicamente con el Instituto de Biotecnología de la Universidad Nacional de Colombia en su
línea de investigación en caucho natural. Actualmente el grupo de investigación lleva a cabo
estudios que amplían el panorama del caucho natural como lo menciona (Quarteroli Silva, y otros,
2012)
“El grupo de investigación de caucho natural ha desarrollado un esquema de trabajo para
la elaboración y ejecución de los proyectos de investigación a partir de la identificación de
las demandas tecnológicas del subsector heveícola. A continuación, referimos los
proyectos desarrollados por el Grupo individualmente y en alianza con otras instituciones
de investigación y empresas”.
4.2.1.2 Caucho vulcanizado
La materia prima del caucho fue implementada en múltiples aplicaciones para el desarrollo de
productos, objetos y procesos que cambiaron la industria, fue allí donde se inició el proceso de
vulcanización del caucho el cual consiste en la aplicación de componentes como el azufre y
temperatura específica para darle una transformación a la estructura química original de este
mismo. Esto con el fin de brindar mayores propiedades física y mecánicas a los elementos
fabricados a partir del caucho, así es mencionado por (Martínez Covaleda, 2005)
24
“La demanda a gran escala por el caucho natural se inició a mediados del siglo XIX,
impulsada entre otras cosas por el descubrimiento de la vulcanización, que multiplico sus
posibilidades de uso y posteriormente, por la naciente industria del automóvil”.
Así pues, la industria automotriz se encarga de la utilización de grandes cantidades de caucho, pero
también se ven aplicaciones eléctricas, estructurales, en objetos cotidianos, entre otros, lo que nos
da como referente que el caucho vulcanizado es un material que nos permite satisfacer necesidades
en diferentes ámbitos. Esto también es posible debido a otros componentes mezclados con el
caucho que permiten mayores características, como lo menciona (Martínez Covaleda, 2005)
“La utilización de materiales de relleno puede reducir el coste del caucho como producto
y aumentar considerablemente su resistencia. El negro de carbono se utiliza como material
de relleno para el caucho. Generalmente, cuanto más pequeño es el tamaño de las partículas
de negro de carbono, mayor es su dureza, su resistencia mecánica y su resistencia a la
abrasión”.
Estas son propiedades y en muchos casos pruebas que se le realizan al material, con el fin de
verificar su validez ante las normas técnicas que rigen la aplicabilidad para objetos.
4.2.1.3 Reutilización del caucho
Actualmente los temas de interés alrededor de materiales, centran su mirada en la reutilización de
ellos, y en la disminución del impacto ambiental que este pueda estar causando. Los materiales de
índole natural suelen ser más sencillos de ingresar en este proceso de reutilización que los
materiales sintéticos, esto debido a las mezclas de componentes que se deben realizar para llegar
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a ellos. En este caso el caucho es un material natural que ha sido mezclado con otros componentes
con el fin de modificar sus características y brindar mejores propiedades; (Cano Serrano, Cerezo
García, & Urbina Fraile, 2007, pág. 21) menciona una de las posibles aplicaciones, en este caso a
partir de neumáticos fuera de uso (NFU), la cual consiste en transformar el caucho en gránulos,
permitiéndole una combinación más factible para ser empleados en la construcción de carreteras,
“ Este proceso normalmente se realiza a través de trituradoras formadas por dos o más ejes
paralelos de cuchillas que giran a distintas velocidades para favorecer la incorporación del
neumático”
Lo anterior es uno de los usos más comunes que se le pueden dar al caucho reutilizado, en la
actualidad se encuentran múltiples aplicaciones desde la reutilización en láminas o placas para
gimnasio, baldosines anti deslizantes, hasta reutilización en calzado. También como lo menciona
(Peláez Arroyave, Velásquez Restrepo, & Giraldo Vásquez, 2017)
“La búsqueda por nuevas aplicaciones para el caucho reciclado debe orientarse a obtener
productos con mayor valor agregado, para que esta alternativa planteada sea
económicamente atractiva, tenga mayores posibilidades de comercialización y
consecuentemente al aumentar los volúmenes de utilización de caucho reciclado, se
disminuya el impacto ambiental de la disposición de los residuos de caucho, como se ha
resaltado insistentemente en este documento”.
Es importante resaltar que un proceso de re utilización debe ser más efectivo en diferentes ámbitos
que la misma utilización de la materia prima en estado virgen, es decir el gasto energético,
monetario, entre otros debe ser inferior a un proceso con materia prima en estado virgen, además
de una alta reducción en el impacto ambiental.
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4.2.2 Impresión 3D
La impresión 3D es una superposición de finas capas de materia más conocida como extrusión de
material; dicha impresión funciona de modo completamente distinto: la pieza se crea en un solo
paso, capa por capa, a un ritmo medio de unos dos centímetros de altura por hora. El objeto creado
puede constar de mecanismos internos (como un rodamiento de bolas), formas tejidas y
entrelazadas, o incluso de huecos y curvas.
Si bien existen números procesos de impresión 3D, todos tienen en común que los objetos se
producen a base de superposición de capas sucesivas. Esta técnica recibe el nombre de fabricación
“aditiva” pues se lleva a cabo mediante la adición de materia; el objeto cobra forma a medida que
las capas se solidifican. (Luyt, 2014)
4.2.3 Impresión en polímero PLA
El PLA cuenta con unas excelentes propiedades medioambientales. Se trata de un plástico
procedente del almidón de maíz que no usa ninguna energía fósil. Es biodegradable y compostable
(en un compostador industrial a más de 90°C), lo que hace de él un material cada vez más escogido
por los particulares. Sin embargo, es sensible al agua: un lavado a máquina repetido o una
exposición prolongada a la intemperie puede debilitar y estropear un objeto PLA.
27
El PLA puede ser de diferentes colores (negro, blanco, amarillo, rojo y verde) e incluso
transparente. Además de admitir toda clase de acabados (pintura, barniz, etc.) (Luyt, 2014)
4.3 Marco legal
El artículo 34 del Decreto Ley 2811 de 1974, establece que “en el manejo de residuos, basuras,
desechos y desperdicios, se observaran las siguientes reglas: a) Se utilizaran los mejores métodos,
de acuerdo con los avances de la ciencia y la tecnología para la recolección, tratamiento,
procesamiento o disposición final de residuos, basuras, desperdicios y, en general, de desechos de
cualquier clase; b) la investigación científica y técnica se fomentara para: (…) 2) Reintegrar al
proceso natural y económico los desperdicios sólidos, líquidos y gaseosos, provenientes de
industrias, actividades domésticas o de núcleos humanos en general (…).” (MINISTERIO DE
AMBIENTE Y DESARROLLO SOSTENIBLE , 2017)
Que según el artículo 38 ibídem, “por razones del volumen o de la cantidad de los residuos o
desechos, se podrá imponer a quien los produce la obligación de recolectarlo, tratarlos o disponer
de ellos, señalándole los medios para cada caso” (MINISTERIO DE AMBIENTE Y
DESARROLLO SOSTENIBLE , 2017)
El articulo 34 y 38 del Decreto Ley 2811 de 1974 consignados en la Resolución 1326 de 2017 es
importante mantenerlo durante el proyecto, ya que su enfoque es sobre el cuidado que se debe de
tener con los desechos o materiales sobrantes de cualquier tipo de producción que puedan ser
material contaminante. La recolección, reutilización o posible uso que se le da al material
28
desechado, puede ser aprovechada por la empresa para su desarrollo o aplicación en nuevos
productos.
4.3.1 Normativa para el tratamiento, investigación, de material caucho
ISO 37: 2011 describe un método para la determinación de las propiedades de tensión-deformación
por tracción de cauchos vulcanizados y termoplásticos.
El método descrito por la norma permite realizar el ensayo con mayor precisión y obtener un
análisis más detallado sobre las características del material; el método consiste en realizar una
precarga de 0.1Mpa. Se aplica carga a la velocidad indicada hasta que la probeta se rompa
ISO 7619: 1997 Caucho - Determinación de la dureza de indotación mediante medidores de dureza
de bolsillo
Dureza Shore A. Se aplica en las probetas del ensayo de compresión antes de realizar la prueba de
compresión. Su especificación consiste en aplicación de una masa de 0.822 Kg
ISO 7743: 2011 especifica métodos para la determinación de las propiedades de tensión-tensión
de compresión del caucho vulcanizado o termoplástico utilizando una pieza de prueba estándar,
un producto o una parte de un producto.
El método para la determinación de las propiedades en el material caucho vulcanizado consiste en
aplicar una carga a la velocidad de 10mm/min hasta que se alcanza 25% de deformación. Se libera
a la misma velocidad y se realiza 4 veces el ciclo.
29
5 ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE DATOS
La experimentación con el material reutilizado caucho vulcanizado dieron ciertas condiciones
significativas que empezaron a mostrar una serie de posibles factores viables los cuales responden
a ciertos momentos de acuerdo con la reutilización de dicho material.
La fabricación de las probetas se hizo en la empresa CADELI S.A.S y las pruebas de resistencia
de materiales en los laboratorios de la Universidad Tecnológica de Pereira, al realizar dichas
pruebas se cuenta con caucho virgen y caucho vulcanizado los cuales se encuentran en porcentajes
de 0 a 100 en intervalos de 20% lo que significa que al tener distintas alternativas estas podrían
arrojar resultados más certeros sobre la viabilidad del uso del material.
Estas pruebas permiten complementar factores sobre la viabilidad del uso de material, o aplicación
en los procesos industriales de la empresa.
Figura 1. Molde de probeta. Fuente: elaboración propia.
30
En la Figura 1 se puede observar el molde a usar para la realización de las probetas de material,
esto según los estándares dados por la NTC en cuanto a la forma de que deben llevar dichas
probetas, en este caso de tipo botón y corbatín. En la siguiente tabla se muestran las características
específicas a aplicar a cada ensayo, ya establecidas por la norma.
Tabla 1 Norma técnica.
Ensayo
Norma
Técnica
Cantidad
de
Probetas
Velocidad de
Aplicación
Observación
Tensión
ISO 37
3
500mm/min
Precarga de 0.1Mpa. Se aplica carga a la
velocidad indicada hasta que la probeta se
rompa.
Dureza
ISO 7619
3
Masa
aplicada
0.822 Kg
Dureza Shore A. Se aplica en las probetas
del ensayo de compresión antes de realizar
la prueba de compresión.
Compresión
ISO 7743
3
10mm/min
Se aplica carga a la velocidad indicada
hasta que se alcanza 25% de deformación.
Se libera a la misma velocidad. Se hace 4
veces el ciclo.
31
Para llevar a cabo dichas pruebas es necesario el procesamiento del material a utilizar con el fin
de facilitar el montaje en el molde, para ello se transforma la rebaba de caucho vulcanizado en
formas similares a gránulos de 5 mm, con el fin de obtener resultados con mayor satisfacción, esto
mismo se realiza con el porcentaje de caucho virgen a utilizar, en busca de una mayor
homogeneización de la mezcla, como se muestra en la Figura 2.
Figura 2 Caucho granulado. Fuente: elaboración propia.
Tanto el caucho virgen como el vulcanizado son utilizados en diferentes porcentajes con el fin de
obtener diferentes resultados y realizar comparaciones más certeras. Estos porcentajes fueron
designados de la siguiente manera como se puede analizar en la Tabla 2.
32
Tabla 2 Porcentaje de material
Número de prueba
Porcentaje de caucho
Vulcanizado
Porcentaje de caucho
Virgen
1 100 0
2 80 20
3 60 40
4 40 60
5 20 80
6 0 100
La obtención de probetas con diferentes características en su composición permiten a la
investigación tener varios puntos de referencia en el momento de realizar los ensayos mecánicos,
a su vez la realización de varias cantidades de una misma probeta permite una mayor precisión en
el análisis del comportamiento del material, esto debido a que las probetas pueden salir con
fallos generados durante el proceso de prensado, en el cual pueden ocurrir variaciones debido a la
complejidad del uso y manipulación del material.
33
Figura 3 Probeta caucho 100%. Fuente: elaboración propia.
En la Figura 3 se puede observar la precisión de las probetas, estas han sido realizadas con un
100% del caucho natural lo que puede arrojar resultados positivos en los ensayos mecánicos. La
investigación centra su mirada en la reutilización del caucho vulcanizado, es por esto que a manera
de comparación se puede analizar en la Figura 4 las notable diferencias en su acabado final después
del proceso de prensado, esto se debe a su distinta composición, en esta el porcentaje de caucho
natural es de un 40%, por ende, el 60% restante se compone de caucho vulcanizado. Esto permite
identificar visualmente las características físicas que toman el material y los posibles fallos que se
generan en cada pieza.
34
Figura 4 Mezcla material. Fuente: elaboración propia.
Aplicación de ensayos mecánicos
El siguiente paso a realizar es la aplicación de ensayos mecánicos ya mencionados anteriormente,
como él es ensayo de tensión, dureza y compresión, estos a realizar en el laboratorio de resistencia
de materiales de la Universidad Tecnológica de Pereira. A partir de este punto se da inicio al
análisis para la viabilidad del uso del material resultante de mezcla entre caucho virgen y
vulcanizado.
El comportamiento que presenta el material durante las pruebas es uno de los factores importantes
para la investigación, debido a que están siendo afectadas por cargas externas lo que podría
modificar sus características estructurales o formales, y a partir de esto analizar su posible
aplicación dentro del proceso industrial de la empresa CADELI S.A.S
35
Figura 5 Compresión. Fuente: elaboración propia.
En la Figura 5 se puede observar el comportamiento que va teniendo el material durante el proceso
del ensayo de compresión, el cual consiste en la aplicación de dos cargas en dirección contraria
llevando el material a sus límites, o en algunos casos a la rotura.
En acción de comparación se puede observar en la Figura 6 los cambios presentes en una de las
probetas respecto a otra a la que no se le ha aplicado ningún ensayo; principalmente las
características formales tienen un cambio notable a su forma original y dimensiones establecidas,
lo que nos lleva a concluir que el material no tiene memoria, también se puede realizar un análisis
a partir de la observación de las probetas, donde se puede establecer que el material a pesar de
haber sido deformado no llego al punto de ruptura, es decir la dureza del material le permite estar
completo.
36
Figura 6 Comparación de probeta. Fuente: elaboración propia.
Los resultados del ensayo de compresión son el factor que permite determinar la usabilidad del
material y en qué porcentaje de mezcla, para ello se consignan en unas tablas o curvas gráficas
donde se analiza el esfuerzo aplicado al material versus la deformación que puede llegar a tener
este mismo para esto se mantuvo un rango de fuerza entre 0 (cero) y 3000 ( tres mil) kilo pascales
(kPa); no obstante durante el proceso se encontraron valores de fuerza superiores a los ya
mencionados que doblan su valor, es decir entre 0 (cero) y 7000 (siete mil) Kilo pascales (Klp)
estos valores se deben a las características físicas que componen el material, es decir que la
resistencia del material durante la prueba de compresión se ve afectado por el porcentaje de mezcla
de material entre caucho virgen y vulcanizado.
La deformación del material se estableció hasta un 35%, esto debido a que fue el porcentaje
máximo de deformación en cada una de las probetas, es decir que cada probeta se llevó a su límite
permitido. Los cambios físicos se pueden analizar visualmente ya que se pueden encontrar grietas
o trozos del material desprendido lo que da a clasificar las posibles aplicaciones del material.
37
A continuación, como ejemplo se muestra una de las gráficas del ensayo de compresión, de las
cuales se realizaron 6 probetas en diferentes porcentajes de mezcla de material como se indica en
la Tabla 2.
Tabla 3 Caucho virgen 100% caucho natural 0%
Para el desarrollo del ensayo se realizó una repetición de 4 (cuatro) veces la aplicación del esfuerzo
sobre cada una de las probetas, esto con el fin de analizar el comportamiento del material y dar
cumplimiento a la norma ISO 7743 para el ensayo de compresión la cual se encuentra especificada
en la Tabla 1.
38
Se puede analizar en la gráfica anterior que cada una de ellas presenta variaciones en las curvas,
no obstante, estas curvas suelen ser similares, lo que da a concluir que las mezclas de materiales
no son del todo diferentes y que sus características son similares.
Como lo indica la norma mencionada en el párrafo anterior el esfuerzo se debe aplicar sólo hasta
un 25% en deformación de la pieza, para este ensayo cada una de las probetas fue llevada hasta
casi un 35% en su deformación sin tener ningún tipo rotura total, en algunos casos se presentaron
fisuras en las caras laterales. Es decir que la mezcla de material de caucho virgen y vulcanizado a
partir del ensayo de compresión presenta una viabilidad para ser utilizado en sus porcentajes
establecidos en la tabla (porcentajes); estás usos o aplicaciones deben ser establecido a partir de
las características de cada probeta, es decir que las aplicaciones son variadas o según el uso final
que se le quiera brindar.
39
6 METODOLOGIA DE DISEÑO
La metodología de diseño para el desarrollo de la investigación, se basa en el método de diseño
propuesto por Nigel Cross, donde se adapta alguno de sus ítems para la investigación y se suman
otros los cuales se consideran pertinentes para el desarrollo del trabajo a realizar. Como se describe
en la Figura 7.
Figura 7. Metodología de diseño
Interpretación metodología de Niggel Cross
40
A. Fase analítica
1. Definición del problema: Definir la situación problema o la necesidad a resolver con el
fin de encontrar una posible respuesta adecuada a partir del estudio realizado a nivel general
sobre el caucho.
a) Analizar el estado actual del caucho: Analizar la situación actual del material, es
decir, si no existe y hay que crearlo, o si existe y debe rediseñarlo.
b) Árbol de objetivos: Una vez identificado el problema y sus principales causas, se
puede definir el árbol de objetivos, este método reúne los medios y alternativas para
solucionar el problema principal, gracias a esto se logra una visión positiva de las
situaciones negativas.
B. Fase experimental
2. Establecimiento de funciones: Fijación de un nuevo sistema de impresión 3D y la
transformación del caucho en filamento donde sus especificaciones deben ser detalladas
para de este modo lograr lo planteado.
3. Fijación de requerimientos: Hacer una especificación exacta de los aspectos necesarios
para la solución de diseño.
41
a) Reconocimiento del material tanto antiguo como nuevo: Indagar e identificar sobre
el material adecuado para realizar la impresión 3D y así desarrollar de forma adecuada
el producto.
4. Determinación de características: Estipular e identificar si las características con las que
cuenta el nuevo material cumplen con el régimen de calidad que quiere obtener el cliente,
para de este modo satisfacer sus necesidades.
C. Fase productiva
5. Generación de alternativas: Las propuestas inicialmente requieren un alto grado de
creatividad y un gran compromiso razón por lo cual es necesario generar una serie de
soluciones que permitan dar continuación a lo ya planteado, para de este modo mejorarlo
y perfeccionarlo gracias a un nuevo método de impresión, estas técnicas están basadas en
estudios previos para de este modo llegar al nivel aspirado y propuesto.
a) Bocetación inicial o preliminar: Examinar la mayor cantidad de soluciones que pueda
brindar el filamento del caucho al momento de producirlo.
b) Evaluación de alternativas: Seleccionar las alternativas que respondan a las
necesidades del cliente y así mismo generar nuevas propuestas al mercado.
42
c) Mejora de detalles: Perfeccionar las diferentes alternativas y problemas que puedan
presentar la obtención del nuevo material como un filamento fino para la impresión 3D.
6. Evaluación de alternativas: Gracias a las alternativas estudiadas anteriormente se busca
el mejoramiento en cuanto a costos y calidad del producto al momento de la impresión en
caucho.
a) Relación costo/producción: Indagar si el nuevo material al que se le está dando uso
tiene una mejor calidad para el cliente reduciéndole de este modo el valor del producto
y así mismo el tiempo en el cual se está ejecutando.
b) Pruebas de validación: Comprobar que en la nueva obtención del filamento este sea
lo suficientemente resistente para obtener la impresión y demostrar su funcionalidad.
c) Acabados de impresión: Realizar pruebas de impresión para ejecutar los ajustes
pertinentes con los cuales se lleve una impresión óptima en 3D con el caucho.
d) Objetivos cumplidos: En este punto se deben aclarar y dar por terminados y cumplidos
los objetivos propuestos al comienzo del trabajo, para de este modo incentivar a los
clientes a utilizar un nuevo material.
43
7 ANALISIS DE TIPOLOGIAS
TIPOLOGIA 1
La Figura 8 muestra una tipología de Loseta de caucho para gimnasio.
Figura 8. Tipología 1
44
TIPOLOGIA 2
La Figura 9 muestra una tipología de cubierta para techos.
Figura 9. Tipología 2
45
TIPOLOGIA 3
La Figura 10 muestra una tipología de aditivo.
Figura 10. Tipología 3
46
7.1 Requerimientos de producto
Para el desarrollo del proyecto fue necesario el estudio de requerimientos del producto con el fin
de identificar los factores más relevantes de este mismo y los parámetros a tener en cuenta para su
elaboración.
Así mismo es importante resaltar que los requerimientos se construyen en relación a los objetivos
planteados para en la investigación, de tal forma el proyecto seguirá su lineamiento u enfoque en
el proceso de re utilización del caucho vulcanizado como desecho de la empresa CADELI S.A.S.
47
7.1.1 Requerimientos de uso
Tabla 4. Requerimientos de uso
REQUERIMIENTO
DETERMINANTE
PARAMETRO
Practicidad
El material debe permitir
adaptarse en diferentes contextos
Diversidad de espacios
Seguridad
No debe generar riesgos
biológicos
No debe generar ningún tipo de
lesión al usuario
Sin aristas
No toxico
No contaminante
Percepción
El material debe indicar
fácilmente su composición
material
Depresión en las formas
aplicadas, material al natural
Conveniencia
El material debe poseer las
características ejercidas por el
contexto
Resistencia a humedad
Resistencia a temperatura
Resistencia a plagas
Durabilidad
48
7.1.2 Requerimientos de función
Tabla 5. Requerimiento de función
Requerimiento
Determinante
Parámetro
Resistencia
El material debe tener la densidad
para diferentes aplicaciones
Resistencia a la humedad
Resistencia aplicación de
fuerza sobre la superficie
Resistencia fricción
Versatilidad
Se puede generar diferentes tipos
de piezas con el material
Aplicación en moldes
Confiabilidad
Debe garantizar la calidad de la
pieza elaborada
Durabilidad
Excelentes acabados
Elemento compacto
49
7.1.3 Requerimientos estructurales
Tabla 6. Requerimiento estructural
Requerimiento
Determinante
Parámetro
Número de
componentes
Caucho virgen
Caucho vulcanizado
Diferentes porcentajes de
ambos cauchos según su
aplicación
Unión
Los materiales se unen por medio
de temperatura
Re vulcanización para el
caucho reciclado compuesto
de caucho virgen
Prensado y aplicación de
temperatura
50
7.1.4 Requerimientos técnico-productivos
Tabla 7. Requerimientos técnico-productivo
Requerimiento
Determinante
Parámetro
Materia prima
Dureza
Impermeabilidad
Resistencia
No humedad y deterioro de plaga
Rebaba caucho vulcanizado
(picado, granulado)
Caucho virgen
Pruebas de material
Probetas que validen los
requerimientos formales
Aplicación de pruebas de material
Diferentes porcentajes de
ambos cauchos en intervalos
de 20 %
Ensayo Dureza
Ensayo Compresión
Ensayo Tensión
51
7.1.5 Requerimientos ambientales
Tabla 8 . Requerimiento ambiental
Requerimiento
Determinante
Parámetro
Durabilidad
El material debe tener el mismo o
mayor tiempo de uso que el
caucho 100% virgen
Piezas compacta y resistentes
Mayor aprovechamiento del
caucho reciclado
Disminuir
contaminación
Mayor utilización en porcentaje
de caucho vulcanizado en la
mezcla
Piezas en diferentes tamaños
Formas compactas
52
7.2 Concepto de diseño
“Hilando Caucho”
Bajo el concepto de hilar, el cual influye directamente en las propiedades del tejido final el cual
podría convertirse en un fino hilo; se considera la posibilidad de transformar una porción de caucho
en un delgado filamento, el cual permita la impresión 3D en dicho material, para de este modo
tener en cuenta la idea principal la cual se basa en concebir, idear y proyectar, donde un nuevo
material, llevado al proceso del hilaje puede convertirse en un gran aporte tecnológico.
Figura 11. Concepto
53
7.3 Alternativas de diseño
De acuerdo con el proceso de investigación previo, se identifican variables que permiten el
planteamiento de diferentes técnicas que permiten el desarrollo del proyecto; la propuesta de valor,
requerimientos y el concepto de diseño permite llevar a cabo un proceso en generación de
alternativas, y de tal manera determinar cuál cumple con las necesidades manifestadas en el
proyecto.
Para el desarrollo de las alternativas se realizan esquemas gráficos que permiten identificar los
procesos en cada una de ellas, al ser un prototipo de filamento para impresión 3D es pertinente
mantener la forma, por lo tanto, la exploración se da en la variación de los procesos y la mezcla de
diferentes materiales.
Figura 12. Alternativa N°1
54
El desarrollo de esta alternativa consiste en la extrusión de filamento a partir de caucho virgen, el
siguiente paso a seguir es el proceso de impresión 3D a base de este filamento, y como proceso
complementario para un mejor acabado y presentación final del producto, se somete la pieza a un
proceso de vulcanización en autoclave.
Figura 13. Alternativa N°2
El desarrollo de la alternativa numero dos (2), se compone de seis (6) procesos hasta su etapa final;
el proceso inicial consiste en la pulverización de caucho vulcanizado, para ellos se desarrolla una
máquina herramienta basada en un sistema abrasivo capaz de llevar trozos de caucho a un estado
de polvo, el proceso siguiente es la homogenización del material anterior con caucho virgen lo que
55
permite que el material sea más compacto durante los demás procesos, el paso a seguir es el
proceso de extrusión de filamento y posterior a este la impresión 3D; en este punto se obtiene una
pieza lista para ser llevada al proceso de vulcanización en autoclave y posteriormente se obtiene
una pieza final que cumple con las características deseadas.
Figura 14. Alternativa N°3
El desarrollo de la alternativa número 3 se inicia con el proceso de pulverización de caucho
vulcanizado, para ello se desarrolla una máquina herramienta basada en un sistema abrasivo capaz
de llevar trozos de caucho a un estado de polvo, el paso a seguir es la homogenización con pelets
de polímero PLA el cual presenta unas optimas características para la impresión 3D, seguido a este
se da el proceso de extrusión del filamento a partir de la mezcla de materiales, éste filamento
56
resultante se lleva a un proceso de impresión 3D, arrojando una pieza final con las características
deseadas.
Figura 15. Alternativa N°4
El desarrollo de la alternativa número 4 se reduce en 3 pasos, a diferencia de las demás alternativas
se omiten varios procesos los cuales no son pertinentes. Es decir, el primer proceso es la
pulverización de caucho vulcanizado, para ello se desarrolla una máquina herramienta basada en
un sistema abrasivo capaz de llevar trozos de caucho a un estado de polvo, seguido a esto se
presenta el polvo de caucho directamente en la impresora 3D, mediante altas temperaturas
alrededor de 400° el material es llevado a un estado casi liquido lo que permite una fluente durante
el proceso de impresión 3D; como paso final se obtiene una pieza con las características deseadas.
7.4 Evaluación de alternativas
57
Para realizar la selección de las alternativas más adecuada se realiza una matriz, en la cual se
incluyen los bocetos de las ideas plasmadas con anterioridad y se evalúan según los atributos con
los cuales debe contar el diseño final, derivados de todo el proceso investigativo. En la tabla 9 se
mencionan los atributos y se comparan y cuantifican las alternativas según su acatamiento:
Tabla 9. Evaluación de alternativas
Según la matriz realizada la alternativa 1 y 3 tienen la mayor puntuación, lo que se deduce como
la viabilidad de cada una de ellas, al cumplir con los atributos establecidos en la tabla. La
adaptabilidad del material se hace más simple con materiales estandarizados, es decir como lo es
el caucho virgen y la mezcla con polímero PLA a su vez facilita la manipulación y el uso, además,
permite obtener resultados de óptimos acabados gracias a sus características de transformación.
58
7.5 Modelos
De acuerdo con el análisis investigativo previo, para el desarrollo de las alternativas propuestas
fueron necesarios los requerimientos y el concepto de diseño para llevar a cabo el proceso de
bocetación y generación de dos prototipos máquina - herramienta y así determinar cuál es más
pertinente en cuanto a su función y producción, esto bajo el planteamiento de los objetivos
específicos.
7.5.1 Pulverizadora de caucho
Para la realización de la máquina – herramienta fue necesario la adaptación de objetos ya
existentes, como lo es la chumacera y una piedra de esmeril, además de otros componentes.
Figura 16 Pulverizadora
59
Como se observa en la figura 16 se dispone una chumacera doble lo que permite formar una
capsula la cual lleva a cabo la trituración del caucho.
Figura 17. Partes de pulverizadora
En la figura anterior se observa la pulverizadora con sus partes donde cada número hace referencia
a la pieza que lo compone: Número 1. Lija abrasiva, la cual permite el desgaste del material.
Número 2. Tornillos de ensamble. Número 3. Chumacera o carcasa, es la encargada de contener
todos los elementos. Número 4. Soportes, permite una nivelación graduable en la piedra de esmeril
60
para obtener diferentes resultados en la pulverización. Número 5. Piedra esmeriladora, es la
encargada de generar la fricción del material y la lija abrasiva lo que permite el desgaste del caucho
llevándolo a una fase de polvo. Número 6. Eje de transmisión, transfiere el movimiento de giro a
base de un taladro o fuente rotativa con características de un torque elevado con el fin de garantizar
un buen funcionamiento.
7.5.2 Extrusor de filamento
Como se menciona en otros apartados del texto, durante el desarrollo del proyecto fue necesario
el planteamiento y fabricación de una máquina herramienta que realice el proceso de extrusión a
pequeña escala, es decir transformar el caucho hecho polvo en un filamento de diámetro 1.75mm.
Figura 18. Extrusor de filamento
61
En la figura 18 se observa el extrusor de filamento y cada una de las piezas que lo componen con
su respectiva numeración. Número 1. Hottend de impresión, se realiza la adaptación de una
boquilla de impresión 3D la cual cuenta con el diámetro específico para la extrusión del filamento,
además de contener el bloque calefactor, resistencia térmica y termocupla los cuales permiten la
aplicación y control de temperatura necesaria durante el proceso de extrusión. Número 2.
Contenedor, su función es el almacenamiento del caucho hecho polvo donde se le aplica
temperatura y presión. Número 3. Tornillo sin fin, su función es la aplicación de fuerza sobre el
material hecho polvo, generando “empuje” o compresión de modo que su liberación es el
filamento. Número 4. Driver, permite realizar el control de software sobre el motor paso a paso.
Número 5. Motor paso a paso, su función es brindar el torque necesario al tornillo sin fin para
generar la presión adecuada durante el proceso de extrusión. Número 6. Arduino UNO, el arduino
es un controlador de software el cual permite manipular diferentes atributos, en este caso se
implementan dos tarjetas ARDUINO uno para realizar el control de temperatura sobre el hottend
de impresión, por otro lado, el segundo permite el control sobre el motor paso a paso y su driver
de funcionamiento.
Figura 19. Adaptación hottend de impresión
62
La figura 19 muestra la aplicación del hottend de impresión para el proceso de impresión, su
función es similar, en este caso se utiliza un material hecho polvo y se le aplica temperatura y
presión constante, con el fin de liberar esta presión por medio de una perforación de 1.75mm por
donde fluye el filamento a realizar. De la misma manera en la figura 20 se muestra la perforación
de entrada de material y se contempla una sección del tornillo sin fin.
Figura 20. Tornillo sin fin
Para la realización del tornillo sin fin y que cumpla su función de generar presión dentro del
contenedor, se adapta una broca de diámetro ¾” utilizada en el ámbito de la carpintería o
ebanistería, empleada especialmente en la perforación de guadua. Esto se especifica en la figura
20.
63
7.5.3 Modificación impresora 3D
Para llevar a cabo el proceso de impresión con el filamento en caucho fue necesario la modificación
física de la impresora a utilizar, con el fin de garantizar un buen prototipo de impresión.
Figura 21. Modificación impresora 3D
En la figura 21 se resalta lo que es la base de sujeción y el motor de arrastre para el filamento en
caucho. Esta modificación permite que el filamento quede lineal al hottend (boquilla de impresión)
para que de este modo el material fluya adecuadamente; además esta modificación permite reducir
la longitud de recorrido que hace el filamento para llegar al cabezal de impresión.
64
Figura 22. Simulación entrada del filamento
La figura 22 hace referencia al párrafo anterior donde se puede observar el punto de entrada y
recorrido que realiza el filamento con el fin de llevar a cabo un óptimo proceso de impresión. La
modificación se lleva a cabo debido a las características físicas del filamento como lo es la
elongación que se puede presentar al ser un material blando y al aplicarse una fuerza constante por
medio del motor de arrastre.
65
7.6 Propuesta final
El filamento de impresión 3D a base de caucho surge inicialmente con la propuesta de innovar en
el proceso de impresión y la utilización de materiales, brindando un nuevo material que responda
a las características similares a un proceso industrial de caucho, donde se habla de extrusión,
moldeo por presión y temperatura, vulcanizado y acabados finales. Además, la impresión en
caucho busca reducir el tiempo y costo de producción en el ámbito industrial del caucho, es decir
la propuesta reduce el proceso a los siguientes pasos, modelado digital de la pieza a fabricar,
impresión 3D, proceso de vulcanización en auto cable, pieza final. Paralelo a esto durante el
proceso también se busca la implementación de caucho reciclado generando valor agregado frente
al tema ambiental, además se precisa brindar un apoyo al material realizando una mezcla de caucho
con un material base y estándar en el mundo de la impresión el cual es un polímero PLA, esto con
el fin de garantizar el rendimiento en el proceso de impresión 3D.
En el apartado de Alternativas de Diseño revisar las alternativas número 1 y 3, las cuales son el
proceso a desarrollar como propuesta final. Cada una de ellas tiene su proceso determinado, aunque
comparten pasos en su desarrollo, se busca o se trata de obtener dos resultados diferentes a un
punto de realizar un proceso comparativo en características óptimas en el proceso de impresión.
66
Figura 23. Obtención del filamento
La figura 23 muestra la obtención del filamento a base de caucho para impresión 3D, el proceso
realizado se llevó a cabo en un extrusor industrial en la empresa CADELI S.A.S.
7.7 Proceso productivo
Para la realización del envase es recomendable optar por los procesos descritos en el apartado de
alternativas, allí se describe punto por punto el proceso que se lleva a cabo para cada alternativa.
Revisar el apartado de Alternativas de diseño, propuesta 1 y 3
67
Figura 24. Materia prima
La transformación del material inicia a partir de la recepción de la materia prima, esta sale de la
planta de producción en tiras irregulares, diferentes anchos y longitudes; el paso a seguir es la
pulverización para tener un mayor control del material durante el proceso y garantizar una
homogenización adecuada con el polímero PLA.
Figura 25.Caucho pulverizado
68
La figura 25 hace referencia a la presentación que se debe llevar en el caucho para realizar un
proceso de homogenización que garantice unas características de impresión adecuadas. En este
punto la materia prima ya ha pasado por un proceso de transformación el cual se realiza en la
máquina herramienta pulverizadora de caucho.
69
7.8 Materiales
Los materiales a utilizar en las propuestas finales se mencionan en la figura 26 con sus
características esenciales.
Figura 26. Materiales
70
CONCLUSIONES
- Por medio de probetas se puede concluir que para el desarrollo del proyecto es pertinente
llevar el residuo de caucho a un proceso de pulverización.
- El proceso de homogenización se da a partir del residuo de caucho en polvo en conjunto
con el polímero (PLA); la aplicación de temperatura (300°) y presión constante dan como
resultado la extrusión.
- Por medio de las modificaciones realizadas a la impresora se disminuye el margen de error
en todo el proceso, lo que garantiza el funcionamiento óptimo de la impresión.
- Por medio de los procesos realizados anteriormente al material se evidencia que este es
apto para la impresión 3D.
Este proceso de investigación es susceptible a continuar con el desarrollo y mejoramiento de
las técnicas que permiten la obtención de del filamento. Se recomienda dar continuidad a la
investigación, con el fin de proporcionar un aprovechamiento de las propiedades del material
base (caucho) y sus posibles combinaciones con otros materiales, además de ser experimento
en diferentes aplicaciones.
71
ANEXOS
Planos generales
En la Figura 27 se evidencian los planos generales de la máquina herramienta utilizada para la
pulverización del caucho su funcionamiento se basa en una capsulada abrasiva por medio de una
piedra de esmeril adaptada a un eje transmisor y paredes recubiertas con lija, lo cual permite que
el material ingresado sea pulverizado.
Figura 27. Planos 1. Pulverizador de caucho
72
La Figura 28 muestra una vista general del extruder o extrusor a escala, desarrollado para llevar a
cabo el prototipo de filamento para impresión 3D. Su funcionamiento se da por temperatura
aplicada por medio de una resistencia en uno de sus extremos y la presión ejercida por el tornillo
sin fin permite trasladar el material hasta el final, permitiéndole tomar forma por medio de una
boquilla de 1.7mm de diámetro.
Figura 28. Plano 2. Extrusor
73
BIBLIOGRAFÍA
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energética de neumáticos fuera de uso. Madrid.
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Production.
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