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MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
Tema A1a Diseño Mecánico: Metodologías de Diseño y fabricación
“Diseño conceptual y fabricación de un prototipo de dispositivo para el engargolado de láminas metálicas”
Limon Leyva Pablo Albertoa, García Zugasti Pedro de Jesúsa, Balvantín García Antonio de Jesúsb, Diosdado De la Peña José Ángelb, Govea Valladares Eder Hazaela, Pedro Alberto Pérez Olivasc.
a División de Estudios de Posgrado e Investigación, Instituto Tecnológico de San Luis Potosí, Av. Tecnológico S/N, Col. UPA., C.P. 78437, Soledad de
Graciano Sánchez, S.L.P., México.
b Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Guanajuato, Carretera Salamanca–Valle de Santiago km. 3.5 + 1.8 km, Comunidad de Palo
Blanco, C.P. 36885, Salamanca, Gto., México, Tel: 01 464 64 79940 ext. 2345.
c Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Instituto Tecnológico de Sonora, Calle Antonio Caso y Kino, Col. Villa Itson, Cd. Obregón, Sonora.
Tel 01644 4-10-09-00.
*Limon Leyva Pablo Alberto, ing.pablo_limon@hotmail.com
RESUMEN
El presente trabajo de investigación muestra la metodología de diseño conceptual y el proceso de fabricación de un prototipo
de dispositivo para engargolar láminas metálicas. La metodología utilizada para el desarrollo de dicho prototipo, es la
presentada por Shigley en su obra: “Diseño en Ingeniería Mecánica”. Los requerimientos de diseño considerados para el
prototipo incluyen la necesidad de lograr y mantener la calidad en los productos engargolados, incluyendo las etapas del
proceso como el pre-engargolado y el engargolado final. Siguiendo la metodología considerada, se propusieron 3 diseños
preliminares, los cuales fueron evaluados en función de los requerimientos de diseño establecidos, así como en los criterios
de desempeño y su factibilidad de fabricación. La manufactura del modelo seleccionado se llevó a cabo implementando
métodos convencionales de maquinado. Como resultado de este trabajo se presenta el diseño conceptual y el prototipo
fabricado en base a las metodologías de diseño y fabricación consideradas.
Palabras Clave: Diseño Conceptual, Procesos de Manufactura, Engargolado por Rodillo.
ABSTRACT
The present research work shows the methodology of conceptual design and the manufacturing process of a prototype of roll
hemming metal sheets. The methodology used for the development of this prototype is the one presented by Shigley in his
work: "Design in Mechanical Engineering". The design requirements considered for the prototype include the need to
achieve and maintain quality in the hemming products, including the process steps such as pre-hemming and final hemming.
Following the methodology considered, 3 preliminary designs were proposed, which were evaluated according to the
established design requirements, as well as in the performance criteria and their manufacturing feasibility. The manufacture
of the selected model was carried out by implementing conventional machining methods. As a result of this work we present
the conceptual design and the prototype manufactured based on the design and manufacturing methodologies considered.
Keywords: Conceptual design, Manufacture process, Roll Hemming.
ISSN 2448-5551 DM 259 Derechos Reservados © 2017, SOMIM
MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
1. Introducción
La industria automotriz es una de las más dinámicas y
competitivas de México y se ha consolidado como un
jugador importante del sector a nivel global. En las últimas
décadas, México ha llamado la atención de los principales
actores del sector automotriz debido al crecimiento
sostenido en la producción de vehículos y autopartes, así
como a la fortaleza y las perspectivas de crecimiento de su
mercado interno. Hoy la industria automotriz mexicana
vuelve a ser centro de atención en la escena global, debido
a que vive un proceso de transición de un perfil orientado
principalmente a la manufactura, a uno en el que la
innovación y el diseño juegan un papel preponderante [1].
El diseño de maquinaria y dispositivos debe ser una
actividad apoyada y respaldada por el sector
gubernamental, las instituciones de educación superior y el
sector industrial, con el fin de minimizar la dependencia
tecnológica que nuestro país padece desde hace siglos [2].
Para llegar a ser proveedores de tecnología, se requiere
realizar ingeniería inversa de las tecnologías importadas en
conjunto con metodologías del diseño y fabricación para
desarrollar prototipos, dispositivos, maquinaria y los
sistemas que las empresas requieren para generar productos
de alto valor agregado. Además, es necesario impulsar una
cultura de propiedad intelectual sobre los diseños que se
generan en nuestro país, es decir, fomentar la protección de
los inventos por medio de patentes y modelos de utilidad
[3].
En últimas fechas México ha logrado colocarse en el
quinto lugar mundial como productor de autopartes, detrás
de países como China, Japón, Estados Unidos y Alemania,
superando a Corea del Sur, según datos del Instituto
Nacional de Estadística y Geografía (INEGI). [4] Sin
embargo, la industria automotriz nacional requiere
mantenerse en los altos niveles internacionales de
competitividad. Para esto se considera importante generar
vinculación entre la industria y las instituciones educativas,
con la finalidad de desarrollar investigación que dé
solución a las necesidades de la industria. Y se proyecten
en el desarrollo tecnológico y económico del país.
El engargolado es un proceso de manufactura que consiste
en doblar el extremo de una lámina sobre si misma o sobre
otra lámina [5]. Este proceso de formado es empleado para
aumentar la rigidez de la pieza engargolada, para optimizar
los bordes de las estructuras y, por último, para unir los
paneles interiores y exteriores. Existen tres métodos para
llevar a cabo el proceso de engargolado (ver Figura 1);
engargolado con dados de movimiento vertical (Die
Hemming), engargolado de mesa con dados de movimiento
vertical y horizontal (Table Hemming), y engargolado con
rodillos (Roll Hemming) [6].
El Die Hemming se lleva a cabo en tres etapas, la etapa de
doblado a 90°, pre-engargolado y engargolado final, las
cuales se realizan en una prensa con un patrón de
movimiento vertical [6]. De manera similar, el Table
Hemming se realiza empleando una prensa, sin embargo, el
movimiento del herramental puede ser horizontal, vertical
o una combinación de ambos. La desventaja de este
método es el alto costo de inversión ya que cada
configuración de herramentales genera un solo tipo de
producto (no son intercambiables) [6,7]. El Roll Hemming,
emplea un rodillo conducido a lo largo de una trayectoria
dada. Este proceso se lleva a cabo generalmente en tres
pasos; inicialmente se tiene una lámina plana sobre la que
se genera un doblez a 90° por medio de una prensa y sus
herramentales; posteriormente utilizando el rodillo se
generan un pre- engargolado y engargolado final a 120° y
180° respectivamente [8].
Figura 1. Tipos de engargolado (izquierda: Pre-engargolado,
derecha: engargolado final): a) engargolado con dados de
movimiento vertical; b) engargolado de mesa con dados de
movimiento vertical y horizontal; c) engargolado por rodillo.
Las necesidades actuales de la industria automotriz
incluyen la reducción del peso de los automóviles para el
mejor aprovechamiento del combustible y otras
consideraciones ambientales, así como la disminución de
tiempos de análisis, pruebas y desarrollo de nuevos
productos. Debido a esto, los procesos de manufactura
como el engargolado requieren un continuo desarrollo para
adaptarse a los nuevos materiales y demandas actuales. En
consecuencia, al alto costo de inversión para la realización
de investigaciones experimentales, se han aplicado nuevas
alternativas como los estudios numéricos, incluyendo el
Método de Elemento Finito (MEF), los cuales han sido
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propuestos para el análisis de diversos procesos de
manufactura [9-16].
Recientemente se han realizado estudios teóricos,
numéricos y experimentales analizando la recuperación
elástica de materiales (springback), el radio óptimo de
engargolado y el límite de fractura de distintos materiales
[17-19]. Sin embargo, aún se requiere de prototipos
funcionales que realicen la inspección de los parámetros
que intervienen en el proceso de engargolado, por ejemplo,
la fuerza de sujeción que ejerce la lámina exterior sobre la
interior bajo distintas condiciones del proceso.
En cuanto a la región de San Luis Potosí, es evidente el
creciente desarrollo y establecimiento de industrias sobre
todo en la rama automotriz que recientemente se ha dado.
Sin embargo, actualmente los laboratorios del Instituto
Tecnológico de San Luis Potosí no cuentan con el equipo
necesario para realizar la caracterización del proceso de
engargolado con materiales utilizados por la industria
automotriz. Por lo tanto, establecer una estación para el
estudio del engargolado en el Instituto brindará la
posibilidad de consolidar una red de colaboración de
conformado de metales, para satisfacer las necesidades de
la industria.
En este trabajo, se presenta el diseño y fabricación de un
prototipo de máquina, que se utilizará como banco de
pruebas para la caracterización del proceso de engargolado
de láminas de aluminio 6061 y acero ASTM A36,
metales utilizados en la industria automotriz para la
elaboración de piezas de cierre de carrocerías.
2. Metodología de diseño
El formular un plan para satisfacer una necesidad
especifica o resolver un problema es lo que conocemos
como proceso de diseño. Debido a lo anterior, el proceso
de diseño es innovador, altamente iterativo y requiere la
toma de decisiones [21].
Por lo general el proceso de diseño (ver Figura 2) comienza
con la identificación de una necesidad, con frecuencia, el
reconocimiento y la expresión de ésta constituyen un acto
creativo, debido a que la necesidad quizá sólo sea una vaga
incomodidad, o la detección de que algo no está bien.
Hay una diferencia notable entre la necesidad y la
identificación del problema. La definición del problema es
más específica y debe de incluir todas las especificaciones
del objeto que va a diseñarse. Las especificaciones son
todas las cantidades de entrada y salida, las características
y dimensiones y todas las limitaciones sobre estas
cantidades, por ejemplo, las velocidades, limitaciones de
temperatura, el peso máximo, etc.
A la síntesis de un esquema que conecta elementos
posibles del sistema se le llama invención del concepto o
diseño del concepto. Este es el primer y más importante
paso en la tarea de la síntesis. Se deben de proponer varios
esquemas para investigarse y cuantificarse en términos de
medidas establecidas (especificaciones). A medida que el
desarrollo del esquema progresa, se deben realizar análisis
para evaluar si el desempeño del sistema es cuando menos
satisfactorio, y si lo es, qué tan bien se desempeñará.
Figura 2. Proceso de Diseño [21]
Los esquemas del sistema que no sobreviven al análisis se
revisan, se mejoran o se desechan. Los que cuentan con
potencial se optimizan para determinar el mejor desempeño
del esquema. Los esquemas en competencia se comparan
de manera que se pueda elegir la solución que conduzca al
producto más competitivo. Puede observarse, que el diseño
es un proceso iterativo en el cual se procede a través de
varios pasos, se evalúan los resultados y luego se regresa a
una fase inicial del procedimiento. De esta manera, es
posible sintetizar varios componentes de un sistema,
analizar y optimizarlos y regresar a la síntesis para ver qué
efectos tiene sobre las partes restantes del sistema.
Tanto el análisis como la optimización requieren que se
construyan o inventen modelos abstractos del sistema que
admitirá alguna forma de análisis matemático. A estos
modelos se les llama modelos matemáticos. Cuando se les
crea se espera que sea posible encontrar uno que simule al
sistema físico real. Como se indica en la Figura 2, la
evaluación es una fase significativa del proceso de diseño
total. La evaluación representa la prueba final de un diseño
exitoso y por lo general implica la prueba del prototipo en
el laboratorio. La comunicación de los resultados a otros es
el paso final y vital de presentación del proceso de diseño.
Reconocimiento de la
Necesidad
Definición del Problema
Síntesis
Análisis y Optimización
Evaluación
Presentación
Iteración
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Sin duda, una gran cantidad de diseños, invenciones y
trabajos creativos se pierden sólo porque sus creadores no
fueron capaces o no estuvieron dispuestos a explicar sus
logros a otros [20,21].
2.1 Propuesta de Diseño
Se requiere un prototipo de máquina para engargolar
láminas de aluminio 6061 y acero ASTM A36, utilizados
en la industria automotriz para la elaboración de piezas de
cierre de carrocerías. Para realizar el proceso de
engargolado por rodillo conducido se requiere de los
siguientes pasos:
1. Embutido: el panel exterior y el panel interior se
someten a una deformación plástica, para proveer
la forma deseada de la pieza a engargolar.
2. Corte: el panel exterior y el panel interior se
someten a un proceso de corte. En esta etapa es de
suma importancia considerar los esfuerzos
residuales que se generan en los paneles. Se
recomienda utilizar el corte por láser o chorro de
agua, debido a que estos procesos inducen menor
cantidad de esfuerzos residuales.
3. Doblez de la ceja: el proceso de doblado consiste
principalmente en realizar un doblez a 90° en el
borde del panel exterior para generar la ceja.
Posteriormente, dicha ceja será utilizada para unir
el panel exterior con el interior por medio de una
deformación plástica.
4. Ensamblaje de los paneles: el ensamble consiste
en colocar el panel interior dentro del panel
exterior. este proceso puede ser realizado en
forma manual o por medio de un manipulador; a
su vez se puede utilizar dicho manipulador o
algún dispositivo mecánico de sujeción. En
algunas piezas se añade adhesivo como medio
para prevenir vibraciones.
5. Pre-Engargolado: una vez ensamblados los dos
paneles, el pre-engargolado consiste en realizar un
doblez a la ceja que puede variar entre los 30° y
60°, a partir del doblez de la ceja [5].
6. Engargolado Final: el engargolado final consiste
en realizar el doblez de la ceja a 90° con respecto
al doblez de la ceja, es decir a 180° en el panel
exterior.
Del proceso mencionado anteriormente se resalta que, para
el presente trabajo, sólo se consideran los dos últimos
pasos (Pre y Engargolado Final), los cuales se llevaran a
cabo en el prototipo. Los pasos previos (Embutido, Corte,
Etc.) se realizarán en los equipos comerciales
correspondientes, en la Figura 3 se muestra el diagrama de
flujo del proceso de engargolado.
Figura 3. Proceso de Engargolado
2.2 Metodología Implementada
Actualmente en la industria, lograr y mantener la calidad
del producto sigue siendo un proceso empírico de prueba y
error; por lo tanto, uno de los retos actuales para el proceso
de engargolado con rodillo conducido sigue siendo mejorar
la calidad del producto. Para el presente trabajo, se plantea
el uso de herramientas de diseño mecánico, metodologías
de diseño y herramientas de diseño asistido por
computadora, (CAD). Adicionalmente, se manufacturaron
los componentes necesarios para el ensamble del prototipo.
El problema que presenta la industria automotriz es la falta
de control en la calidad del proceso de engargolado de
láminas metálicas. Por lo cual, dicho problema se pretende
resolver con el diseño del prototipo de máquina para
engargolar, debido a que con dicho prototipo se podrá
caracterizar el proceso de engargolado con rodillo
conducido en función de cada material (aluminio o acero) o
debido a requerimientos específicos del modelo o por
normativas vigentes.
Los requerimientos de diseño del prototipo deben de incluir
la modificación de las variables geométricas de entrada del
proceso de engargolado (diámetro del rodillo, ángulo de
pre-engargolado, etc.), así como, modificaciones en el
procedimiento para realizar el engargolado, por ejemplo,
velocidad de desplazamiento del rodillo, dirección del
engargolado, posición del rodillo, etc. Esto con el fin de
poder controlar y predecir el comportamiento de las
variables de salida de interés en el proceso, las cuales son
responsables de definir la calidad en el producto
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engargolado tanto dimensionales (Roll-In y Roll-Out) como
superficiales las cuales están relacionadas con las
deformaciones que pueden o no generarse en el área
interior y exterior a lo largo del borde del producto, tales
como arrugas, grietas, Recoil y Warp, ver Figura 4.
Figura 4. Roll-In, Roll-Out de un engargolado, b) Warp y Recoil
de una pieza engargolada [22].
En función de cumplir con los parámetros de calidad del
proceso de engargolado, los requerimientos para el diseño
del prototipo se enlistan a continuación. El prototipo debe:
• Ser capaz de engargolar láminas de aluminio 6061 con
un módulo de Young (E=68.9 GPa), una relación de
Poisson (ν=0.33), una densidad (ρ=2700 Kg/m3) y
acero ASTM A36 con un módulo de Young (E=200
GPa), una relación de Poisson (ν=0.26), una densidad
(ρ=7850 Kg/m3) en espesores desde 0.5 a 1.5 mm.
• Generar un pre-engargolado que varié desde 30° a 60°,
con respecto la forma inicial de la lámina.
• Generar un engargolado final de 90°, con respecto la
forma inicial de la lámina.
• Tener un área de trabajo (carrera) de 50 mm como
mínimo.
• Contar con elementos de sujeción, para fijar el
ensamble de la parte a engargolar.
• Realizar el proceso de operación en menos de 5 min.
• No exceder las dimensiones del prototipo un área de
2.5 m2.
• Ser de fácil operación e instalación.
• Contar con elementos de seguridad para evitar
accidentes.
• Resistir las cargas generadas por el proceso de pre-
engargolado y engargolado final.
• El accionamiento del prototipo debe de ser de forma
manual.
Considerando las especificaciones de diseño y la
experiencia del equipo de trabajo, se realizó una lluvia de
ideas para plantear posibles soluciones al problema que se
está abordando. Cabe comentar que ninguna propuesta de
solución se descartó y a partir de dicho ejercicio se
plantean conceptos de diseño que satisfacen la necesidad
planteada anteriormente.
En el entendido de características comunes, se propone
realizar una lista simplificada para generar módulos para
conformar el prototipo de máquina para engargolar. Los
cuales se en listan a continuación:
• Modulo estructural.
• Módulo mecanismo.
• Módulo de sujeción.
• Modulo guías.
• Módulo de movimiento.
Para cada uno de los módulos anteriores se realizó tanto
una matriz de decisión como una morfológica, tomando
como base los siguientes criterios de diseño:
• Seguridad
• Funcionalidad
• Resistencia
• Rigidez
• Operación y mantenimiento
• Manufacturabilidad
• Tamaño
• Costo
Considerando los criterios anteriores se presentan 3
posibles soluciones como se puede observar en la Figura 5.
Los modelos mostrados satisfacen los requerimientos de
diseño para el prototipo de máquina para engargolar.
Debido a que cumplen con todos los requerimientos de
diseño, así como las especificaciones del pre-engargolado,
del engargolado final, la adaptabilidad de engargolar
láminas de acero y aluminio, etc. Adicionalmente, en la
Figura 5, se presentan los 3 diferentes módulos mecanismo,
estructura y guías de los prototipos mostrados, poniendo
estos módulos de ejemplo para comparar los módulos
restantes (sujeción y movimiento).
a)
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b)
c)
Figura 5. Módulos, a) Prototipo 1, b) Prototipo 2, c) Prototipo
3
3 Elección del prototipo a manufacturar
Para realizar una elección adecuada del concepto de
prototipo de máquina para engargolar, se requiere elaborar
una matriz de evaluación, en donde se encuentren todos los
módulos de los prototipos analizados presentados en las
matrices morfológicas. En la matriz de evaluación se
comparan todas las opciones de diseño que se
contemplaron. Tomando en cuenta los criterios de diseño,
se les asigna un valor a cada una de las opciones, esto tiene
como objetivo ver cual opción es la que salió mejor
evaluada (la que tiene mejor puntaje) y poderla considerar
como la opción más factible [23].
La evaluación se realiza asignándole un factor de peso a
cada uno de los requerimientos de diseño, de acuerdo a la
jerarquización que se definió anteriormente.
Posteriormente, se le asigna a la opción de diseño un valor
entre 1 y 5, de acuerdo a la Tabla 1. El valor asignado se
multiplica por el factor de peso y se obtiene la calificación
de la opción de diseño. Finalmente, se observan los
resultados y se obtiene la solución más factible para el
prototipo.
Tabla 1. Valor de diseño.
Valor de 5 puntos Descripción
1 Inadecuado
2 Débil
3 Satisfactorio
4 Buena
5 Excelente
Utilizando las opciones mejor calificadas, se obtiene una
idea clara de lo que será el diseño final del prototipo de
máquina para engargolar y sus componentes principales.
3.1 Diseño de detalle.
Teniendo la opción de diseño mejor evaluada para el caso
de estudio, se procede a realizar los planos de diseño y
ensamble del prototipo 2 (ver Figura 5), así como la lista de
materiales de a utilizar (ver Tabla 2). En la Figura 6a se
puede observar el plano de diseño de detalle para una
pieza, en específico del mecanismo del prototipo. De
manera similar, se realizó un plano de diseño de detalle
para cada pieza que conforma el diseño seleccionado.
Tabla 2. Lista de materiales
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a)
b)
Figura 6. Planos de diseño, a) plano de pieza, b) planos de
ensamble
En la Figura 6b, se observa el plano de ensamble del
prototipo completo. En éste se detallan las partes y la
posición en el ensamble. De manera similar se realizó un
plano para cada ensamble que conforma el diseño
seleccionado.
3.2 Fabricación y ensamble del prototipo seleccionado.
El diseño del prototipo de máquina para engargolar láminas
metálicas, así como la manufactura y ensamble, se llevaron
a cabo en los laboratorios y talleres del Instituto
Tecnológico de San Luis Potosí. (ITSLP). El prototipo
cuenta con una mesa de trabajo de soporte para el
engargolado, fabricada en acero estructural, la cual cuenta
en la parte superior con una solera de cold roll de 5”
rectificada. Dicha superficie rectificada se utiliza como
base del engargolado para el caso 2D, ya que tiene las
mismas dimensiones y forma que el panel exterior. Para el
caso 3D, la mesa sirve como apoyo del herramental externo
que se utiliza para realizar el engargolado. Finalmente, la
sujeción de la base del engargolado, así como de los
paneles interior y exterior se lleva a cabo utilizando
diferentes tipos de dispositivos mecánicos como prensas,
pernos, soleras, entre otros.
Empleando procesos de manufactura convencional se
realizaron las partes que conforman el prototipo de
máquina para engargolar. En la Figura 7 se observa el uso
de la fresadora para el careado de las piezas, el manejo del
torno para fabricar los ejes y rodillos, el uso del arco
eléctrico para soldar partes fijas del prototipo y el uso del
equipo de oxi-acetileno para el corte de las placas.
Figura 7. Manufactura de componentes.
Ejemplos de piezas manufacturadas se observan en la
Figura 8a y en la Figura 8b se presenta el prototipo final
ensamblado, todas las piezas fabricadas se limaron y
lijaron para eliminar filos y posteriormente ser
ensambladas.
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a)
b)
Figura 7. Manufactura de Partes, a) piezas terminadas, b)
prototipo final ensamblado.
4. Conclusión
Mediante la metodología descrita es posible fabricar un
prototipo de dispositivo para engargolar láminas metálicas,
que satisfaga las necesidades de la industria automotriz
referente a la calidad de productos engargolados.
En el desarrollo del prototipo, se ha observado que la base
para obtener el diseño final requerido. Es necesario y de
suma importancia plantear los requerimientos y criterios de
diseño en una forma clara y precisa.
El uso de programas de diseño asistido por computadora
(CAD) en el proceso de diseño, es una herramienta
beneficiosa. Ésta permite a los diseñadores observar
resultados sobre el avance del mismo, facilitando la
realización de cambios y toma de decisiones respecto a las
iteraciones que existen en el proceso de diseño, antes de
enviar a manufacturar cualquier pieza.
El contar con un banco de pruebas para la caracterización
del proceso de engargolado de láminas metálicas, en los
laboratorios del Instituto Tecnológico de San Luis Potosí,
propiciará la consolidación de una red de colaboración de
conformado de metales para satisfacer las necesidades de la
industria. Además, los beneficios del prototipo influirán en
la formación de recursos humanos de alto nivel en un área
de la ingeniería de aplicaciones industriales creciente.
Estos recursos podrán asimilar las tecnologías modernas,
que surgen para la atención de los problemas planteados, y
dar solución a estos de forma inmediata con mayor
facilidad.
Agradecimientos
Los autores desean expresar su reconocimiento al Instituto Tecnológico de San Luis Potosí, así como, al equipo de trabajo conformado por estudiantes y docentes. Por su valiosa participación en la realización del presente trabajo de investigación.
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ISSN 2448-5551 DM 267 Derechos Reservados © 2017, SOMIM