DISEÑO Y DESARROLLO DE UN PROTOTIPO VIRTUAL...

DISEÑO Y DESARROLLO DE UN PROTOTIPO VIRTUAL DE UNA MÁQUINA AUTOMÁTICA PARA EMPACAR PRODUCTOS A GRANEL QUE HACEN

PARTE DE LA CANASTA FAMILIAR

JUAN DAVID CAICEDO HERNÁNDEZ JHONATAN RINCÓN HERNÁNDEZ

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

SANTIAGO DE CALI 2014

DISEÑO Y DESARROLLO DE UN PROTOTIPO VIRTUAL DE UNA MÁQUINA AUTOMÁTICA PARA EMPACAR PRODUCTOS A GRANEL QUE HACEN

PARTE DE LA CANASTA FAMILIAR

JUAN DAVID CAICEDO HERNÁNDEZ JHONATAN RINCÓN HERNÁNDEZ

Proyecto de grado para optar el título de Ingeniero Mecatrónico

Director JUAN CARLOS MENA MORENO

Ingeniero Eléctrico

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE OCCIDENTE FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE AUTOMÁTICA Y ELECTRÓNICA PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

SANTIAGO DE CALI 2014

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Nota de aceptación: Aprobado por el Comité de Grado en Cumplimiento de los Requisitos Exigidos por la Universidad Autónoma de Occidente para optar al título de Ingeniero Mecatrónico.

JIMMY TOMBE ____________________ Jurado

JESÚS ALFONSO LÓPEZ____________ Jurado

Santiago de Cali, Agosto 5 de 2014.

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CONTENIDO

pág.

GLOSARIO 14

RESUMEN 18

INTRODUCCIÓN 20

1. PROBLEMA DE INVESTIGACION 22 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 22 1.2 FORMULACION DEL PROBLEMA 22

2. JUSTIFICACIÓN 23 2.1 HIGIENE EN PRODUCTOS A GRANEL 23 2.2 SEGURIDAD INDUSTRIAL 24

3. ALCANCES DEL PROYECTO 25

4. OBJETIVOS 26 4.1 OBJETIVO GENERAL 26 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 26

5. METODOLOGÍA 27 5.1 RESULTADOS ESPERADOS 29

6. RECURSOS DISPONIBLES 31 6.1 RECURSO TÉCNICO 31 6.2 RECURSO HUMANO 31 6.3 RECURSO FINANCIERO 32

7. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 34

5

8. DESARROLLO DEL PLANTEAMIENTO DE LA MISIÓN DEL PROYECTO 35

9. IDENTIFICACIÓN DE LAS NECESIDADES DEL CLIENTE 36

10. MÉTRICAS 39

11. ESPECIFICACIONES PRELIMINARES DEL PRODUCTO 40

12. ANÁLISIS DEL QFD (CASA DE LA CALIDAD) 41

13. GENERACIÓN, SELECCIÓN Y PRUEBA DE CONCEPTOS 47 13.1 GENERACIÓN DE CONCEPTOS 47 13.1.1 Descripción del producto. 47 13.1.2 Necesidades del producto. 47 13.1.3 Caja negra. 48 13.1.4 Caja gris 49 13.1.5 Conceptos generados por las sub-funciones. 49 13.1.6 Tabla de combinación de conceptos. 51 13.2 SELECCIÓN DE CONCEPTOS 52 13.2.1 Conceptos. 52 13.2.2 Necesidades. 55 13.2.3 Selección de conceptos 56 13.3 PRUEBA DE CONCEPTOS 57 13.3.1 Encuesta. 57 13.3.2 Resultados y análisis. 58 14. ARQUITECTURA DEL PRODUCTO 65 14.1 INTERACCIONES ENTRE GRUPOS 67 14.1.1 Interacciones fundamentales. 68

6

14.1.2 Interacciones incidentales. 70

15. PROTOTIPADO 73

16. DISEÑO INDUSTRIAL 74 16.1 NECESIDADES ERGONÓMICAS 74 16.2 NECESIDADES ESTÉTICAS 74 16.3 EVALUACIÓN DE LAS NECESIDADES ERGONÓMICAS 75 16.4 EVALUACIÓN DE LAS NECESIDADES ESTÉTICAS 76 16.5 VALORACIÓN DEL DISEÑO INDUSTRIAL 76 16.6 CLASIFICACIÓN DE LA NATURALEZA DEL PRODUCTO 77 16.7 EVALUACIÓN DE LA CALIDAD DEL DISEÑO INDUSTRIAL 78 16.8 VALORACIÓN DE LA CALIDAD DEL DISEÑO INDUSTRIAL 79

17. DISEÑO PARA MANUFACTURA (DPM) 80 17.1 TIEMPO DE CONSTRUCCIÓN 81 17.2 ESTIMACIÓN DE COSTOS 82 17.2.1 Sistema mecánico. 82 17.2.2 Sistema eléctrico. 83 17.2.3 Sistema neumático. 83 17.2.4 Sistema de control. 84 17.3 COSTO TOTAL 84

18. DISEÑO PARA EL MEDIO AMBIENTE 85 18.1 OBJETIVOS 85

18.2 INVENTARIO 85

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18.2.1 Lista de materiales. 85 18.2.2 Ciclo de vida del producto. 86 18.3 EVALUACIÓN DEL IMPACTO AMBIENTAL 87 18.3.1 Etapa 1. Dosificación. 87 18.3.2 Etapa 2. Empaque y sellado. 88 18.3.3 Etapa 3. Registro. 88

19. DISEÑO PARA MANTENIMIENTO 89 19.1 TIPO DE MANTENIMIENTO 89 19.2 DISEÑO PARA UN FÁCIL MANTENIMIENTO 90 19.3 DISEÑO PARA LA SEGURIDAD INDUSTRIAL Y SALUD OCUPACIONAL 91

20. DISEÑO DETALLADO 93 20.1 DISEÑO FINAL 93 20.2 SISTEMA NEUMÁTICO 96 20.2.1 Elementos. 96 20.2.2 Calculo de la red neumática. 98 20.2.3 Selección del compresor. 102 20.3 SISTEMA ELÉCTRICO Y DE CONTROL 103 20.3.1 Elementos. 103 20.3.2 Diseño del controlador. 109 20.4 SISTEMA MECÁNICO 114 20.4.1 Calculo del volumen de la tolva. 114 20.4.2 Análisis estructural. 116

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21. CONCLUSIONES 122

BIBLIOGRAFÍA 124

ANEXOS 130

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LISTA DE CUADROS

pág.

Cuadro 1. Costos estimados del producto 32 Cuadro 2. Planteamiento de la misión del proyecto 35 Cuadro 3. Planteamiento de las necesidades del cliente 36 Cuadro 4. Importancia de las necesidades del cliente 37 Cuadro 5. Planteamiento de las métricas 39 Cuadro 6. Planteamiento de las especificaciones preliminares del producto 40 Cuadro 7. Combinación de conceptos 51 Cuadro 8. Matriz de tamizaje de conceptos 55 Cuadro 9. Matriz de selección de conceptos 56 Cuadro 10. Necesidades ergonómicas 74 Cuadro 11. Necesidades estéticas 74 Cuadro 12. Tiempo de construcción de la máquina 81 Cuadro 13. Costos sistema mecánico 82 Cuadro 14. Costos mano de obra de terceros para el sistema mecánico 83 Cuadro 15. Costos sistema eléctrico 83 Cuadro 16. Costos sistema neumático 83 Cuadro 17. Costos sistema de control 84 Cuadro 18. Costo total de la máquina 84 Cuadro 19. Especificaciones técnicas válvula neumática 96

10

LISTA DE FIGURAS

pág. Figura 1. Árbol del problema 28 Figura 2. Cronograma de actividades 34 Figura 3. Gráfico Porcentaje de importancia de las necesidades del cliente 41 Figura 4. Gráfico Porcentaje de importancia de los requerimientos técnicos 43 Figura 5. Gráfico Comparación de las necesidades de la competencia 44 Figura 6. Gráfico Comparación de los requerimientos técnicos con la competencia 45 Figura 7. Planteamiento de la caja negra 48 Figura 8. Planteamiento de la caja gris 49 Figura 9. Concepto A 52 Figura 10. Concepto B 53 Figura 11. Concepto C 54 Figura 12. Gráfico Resultados pregunta 1 58 Figura 13. Gráfico Resultados pregunta 2. 59 Figura 14. Resultados pregunta 3 60 Figura 15. Gráfico Resultados pregunta 4 61 Figura 16. Gráfico Resultados pregunta 6 62 Figura 17. Gráfico Resultados pregunta 7 63 Figura 18. Gráfico Resultados pregunta 8 64

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Figura 19. Esquema de los elementos funcionales del producto 65 Figura 20. Esquema de los grupos funcionales del producto 66 Figura 21. Distribución geométrica 67 Figura 22. Esquema interacciones incidentales 71 Figura 23. Prototipo a desarrollar 73 Figura 24. Valoración del diseño industrial para la máquina empaquetadora 76 Figura 25. Naturaleza del producto 77 Figura 26. Valoración de la calidad del diseño industrial. 79 Figura 27. Vista explosionada de la máquina 80 Figura 28. Ciclo de vida del producto 86 Figura 29. Efectos de los tipos de mantenimiento 90 Figura 30. Riesgo de falla durante las etapas de operación de la máquina 91 Figura 31. Pulsador de parada de emergencia. 92 Figura 32. Diseño final 93 Figura 33. Vista superior de la máquina 94 Figura 34. Vista lateral derecha de la máquina 95 Figura 35. Vista frontal de la máquina 95 Figura 36. Válvula 5/2 vías 97 Figura 37. Cilindro de doble efecto 97 Figura 38. Cilindros de doble efecto 98 Figura 39. Grafico de consumo especifico. 99 Figura 40. Plano red neumática 100

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Figura 41. Grafico para el cálculo del diámetro nominal 101 Figura 42. Compresor de aire 102 Figura 43. Motorreductor 104 Figura 44. Relé 105 Figura 45. Sensor fotoeléctrico 106 Figura 46. Variador de velocidad 107 Figura 47. PLC SIEMENS S7-1200 108 Figura 48. Grafcet de puesta en marcha y condiciones iniciales 110 Figura 49. Grafcet de modo automático 112 Figura 50. Grafcet de parada de emergencia 113 Figura 51. Diseño pantalla HMI 114 Figura 52. Fuerzas aplicadas a la estructura mecánica 116 Figura 53. Deformación de la estructura mecánica 117 Figura 54. Esfuerzos de la estructura mecánica 117 Figura 55. Deformación estructura mecánica modificada 118 Figura 56. Fuerzas y momentos aplicados a la máquina 119 Figura 57. Deformación máquina completa 120 Figura 58. Esfuerzo máquina completa 120 Figura 59. Deformación máquina completa con condiciones extremas 121

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LISTA DE ANEXOS

pág.

Anexo A. QFD 130 Anexo B. Encuestas 131

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GLOSARIO ARQUITECTURA MODULAR: la arquitectura modular permite desarrollar nuevos productos a través de la estandarización y reducción significativa de los procesos de manufactura, ensamblaje y diseño. En este tipo de arquitectura hay una detallada evaluación de la descomposición, integración y compatibilidad de componentes y de la compatibilidad de las interfaces1. BENCHMARKING: el Benchmarking es un proceso estructurado de medición continuo y sistemático, que mediante la evaluación comparativa busca identificar las mejores prácticas para el mejoramiento de los procesos y el desempeño de una organización2. BIENES INELASTICOS: un bien inelástico, es aquel que no ve afectada su demanda u oferta debido a algún cambio de precio o condiciones de mercado3. BIODEGRADABLE: un material biodegradable es aquel que tiene la facultad de descomponerse o reintegrarse a la tierra por acción del medio ambiente. CAPACIDAD DE PRODUCCIÓN: la capacidad de producción de una máquina se define como el número de unidades que puede producir en un tiempo determinado. CONSUMO ENERGÉTICO: el consumo energético de una máquina se define como el número de Kilovatios por hora (kW/h) que necesita para funcionar correctamente y óptimas condiciones.

1 TABORDA IBARRA, Eunice. La arquitectura integral y modular, el caso de la industria automotriz [en línea]. San Nicolás de Hidalgo: Red de revistas científicas de América latina, el Caribe, España y Portugal, 2013 [consultado el 12 de febrero de 2014]. Disponible en internet: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=51001604 2 OCHOA, Antonio. Benchmarking [en línea]. Bogotá D.C.: Universidad de los Andes, 2012 [consultado el 11 de febrero de 2014]. Disponible en internet: http://planeacion.uniandes.edu.co/pdi/benchmarking/benchmarking 3 AULA FACIL.COM. cursos grátis online, Microeconomía [en línea]. Las Rozas: AulaFacil, 2014 [consultado el 20 de septiembre de 2013]. Disponible en internet: http://www.aulafacil.com/Microeconomia/Lecciones/Lecc-7.html

http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=51001604http://planeacion.uniandes.edu.co/pdi/benchmarking/benchmarkinghttp://www.aulafacil.com/Microeconomia/Lecciones/Lecc-7.htm

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CONSUMO PER CAPITA: el consumo es uno de los indicadores más comunes para medir los cambios de una utilidad muy práctica, Per cápita es una locución latina de uso actual que significa literalmente por cada cabeza, esto es, por persona o individuo4. DISEÑO POKA – YOKE: el diseño poka – yoke es una técnica de calidad desarrollada por el ingeniero japonés Shigeo Shingo en los años 1960’s significa “a prueba de errores”. La idea es crear un proceso donde los errores sean imposibles de realizarse5. EMBALAJE: el embalaje son todos los materiales, procedimientos y métodos que sirven para condicionar, presentar, manipula, almacenar, conservar y transportar una mercancía. EMPAQUE: el empaque es cualquier material que encierre un articula con o sin envase, con el fin de preservarlo y facilitar su entrega al consumidor. Existen varios tipos de empaque: EMPAQUE PRIMARIO: Se refiere al envase inmediato de un producto (frasco que contiene una loción). EMPAQUE SECUNDARIO: Se refiere al contenedor del producto (caja que contiene la loción). EMPAQUE TERCIARIO: Caja donde se encuentran las demás cajas de un producto en específico6. ERGONOMÍA: es una ciencia que estudia las características, necesidades, capacidades y habilidades de los seres humanos, analizando aquellos aspectos

4 FENAVI. Consumo per cápita [en línea]. Bogotá D.C.: Federación Nacional De Avicultores de Colombia, 2014 [consultado el 20 de septiembre de 2013]. Disponible en internet: http://www.fenavi.org/index.php?option=com_content&view=article&id=2160&Itemid=556 5 ESCALHAO, Alejandro, Ing. La solución puede ser el POKA – YOKE (sistema ANTI–ERRORES) [en línea]. Buenos Aires: tQm manager, 2013, [consultado el 11 de febrero de 2014] Disponible en internet: https://www.itescam.edu.mx/principal/docentes/formatos/1795_55.pdf 6 GTESTRAIK. Envase Empaque Embalaje to Cargue y Desc, Embalaje y empaque [en línea]. Bogotá D.C.: Scribd, 2010 [consultado el 20 de septiembre de 2013]. Disponible en internet: http://es.scribd.com/doc/32578394/27/DIFERENCIA-ENVASE-EMPAQUE-Y-EMBALAJE

http://www.fenavi.org/index.php?option=com_content&view=article&id=2160&Itemid=556https://www.itescam.edu.mx/principal/docentes/formatos/1795_55.pdfhttp://es.scribd.com/doc/32578394/27/DIFERENCIA-ENVASE-EMPAQUE-Y-EMBALAJE

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que afectan al entorno artificial construido por el hombre relacionado directamente con los actos y gestos involucrados en toda actividad de éste7. HUELLA DE CARBONO: la huella de carbono, representa una medida para la contribución de las organizaciones a ser entidades socialmente responsables y un elemento más de concienciación para la asunción entre los ciudadanos de prácticas más sostenibles. Con esta iniciativa se pretende cuantificar la cantidad de emisiones de GEI (gases de efecto invernadero), medidas en emisiones de co2 equivalente, que son liberadas a la atmósfera debido a nuestras actividades cotidianas o a la comercialización de un producto8. INFRARROJO: radiación del espectro luminoso, que tiene mayor longitud de onda y se encuentra más allá del rojo visible; se caracteriza por sus efectos térmicos, pero no luminosos ni químicos que se usan para detectar las imperfecciones de la superficie y las estructuras ocultas. Las fuertes concentraciones de infrarrojos pueden calentar los objetos9. LAYOUT: término utilizado para nombrar el esquema o figura de distribución de los elementos o sistemas dentro de un diseño. PLC (CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE): un PLC es un computador utilizado, para automatiza procesos electromecánicos tales como el control de la Máquinaria de la fábrica en líneas de montaje o atracciones mecánicas. Fue diseñado para controlar en tiempo real y ambiente de tipo industrial, procesos secuenciales, trabajando en base de información recibida por los captadores y el programa lógico interno, actuando sobre los acondicionadores de la instalación10.

7 FACHAL, Constanza y MOTTI, M. Victoria. La ergonomía y el ámbito laboral [en línea]. Buenos Aires: blogspot.com, 2008 [consultado el 26 de febrero de 2014]. Disponible en internet: http://laergonomiayelambitolaboral.blogspot.com/ 8 APB INTERNET. Huella de carbono [en línea]. Málaga: APB internet, 2009 [consultado el 5 de marzo de 2014]. Disponible en internet: http://www.huellacarbono.es/apartado/general/huella-de-carbono.html 9 TODACULTURA.COM. Luz infrarroja [en línea]. Madrid: todaCultura, 2013 [consultado el 20 de febrero de 2014]. Disponible en internet: http://www.todacultura.com/glosarioacuarela/luzinfrarroja.htm 10 UNIVERSIDAD DEL PAIS VASCO. EL PLC [en línea]. Bilbao: Universidad del país vasco, 2014 [consultado el 20 de septiembre de 2013] Disponible en internet: http://www.sc.ehu.es/sbweb/webcentro/automatica/WebCQMH1/PAGINA%20PRINCIPAL/PLC/PLC.html

http://laergonomiayelambitolaboral.blogspot.com/http://www.huellacarbono.es/apartado/general/huella-de-carbono.htmlhttp://www.sc.ehu.es/sbweb/webcentro/automatica/WebCQMH1/PAGINA%20PRINCIPAL/PLC/plc.htmhttp://www.sc.ehu.es/sbweb/webcentro/automatica/WebCQMH1/PAGINA%20PRINCIPAL/PLC/plc.htm

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PRODUCTOS A GRANEL: un producto a granel, es un producto que se transporta y comercializa sin haber sido empacado previamente. Cuando un producto se vende a granel, se mide en presencia del consumidor, atribuyéndosele un precio de venta11. QFD: el despliegue de la función de calidad (o QFD, por sus siglas inglesas) es un método de diseño de productos y servicios que recoge las demandas y expectativas de los clientes y las traduce, en pasos sucesivos, a características técnicas y operativas satisfactorias12. RELÉ TÉRMICO: un relé térmico es un aparato diseñado para la protección de motores contra sobrecargas, fallo de alguna fase y diferencias de carga entre fases13. RPM: revoluciones por minuto.

11 CONSUMOTECA. Producto vendido a granel [en línea]. Madrid: Consumoteca, 2014 [consultado el 20 de septiembre de 2013] Disponible en internet: http://www.consumoteca.com/familia-y-consumo/consumo-y-derecho/producto-vendido-a-granel 12 YACUZZI, Enrique y MARTÍN, Fernando. QFD: CONCEPTOS, APLICACIONES Y NUEVOS DESARROLLOS [en línea]. Buenos Aires: Universidad del cema, 2014 [consultado el 11 de febrero de 2014] Disponible en internet: http://www.ucema.edu.ar/publicaciones/download/documentos/234.pdf 13 AULA ELECTRICA. Automatismos industriales, Relé térmico [en línea]. Alcalá la Real: aulaelectrica.es, 2013 [consultado el 6 de abril de 2014] Disponible en línea: http://guindo.pntic.mec.es/rarc0002/all/aut/dat/f.rele.termico.pdf

http://www.consumoteca.com/familia-y-consumo/consumo-y-derecho/producto-vendido-a-granelhttp://www.ucema.edu.ar/publicaciones/download/documentos/234.pdfhttp://guindo.pntic.mec.es/rarc0002/all/aut/dat/f.rele.termico.pdf

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RESUMEN En el siguiente documento, presentado como proyecto de grado para la carrera de Ingeniería Mecatrónica de la universidad Autónoma de Occidente en Cali, se realiza el diseño completo de una máquina automática para empacar productos a granel que hacen parte de la canasta familiar. El dispositivo diseñado tiene como mercado objetivo, graneros y supermercados que realizan el empaquetado de este tipo de productos de forma manual, incumpliendo con las normas de higiene establecidas y tomándose tiempos de producción exagerados. Se desea ofrecer un producto versátil, fácil de manejar e innovador, que además tiene como otros objetivos claves de negocio, el bajo costo que le permita ser asequible a los negocios del mercado mencionado, la garantía de cumplir con las normas de higiene y seguridad pertinentes y una buena capacidad de producción, aclarando que no se desea llegar a una capacidad industrial. Para lograr consolidar el diseño final, se utilizó o trabajó con el método de diseño concurrente, que permite satisfacer cada una de las necesidades del cliente y a su vez optimizar al máximo el funcionamiento del equipo. Este tipo de diseño divide el proceso completo en varias etapas con el fin de obtener los mejores resultados a nivel general, evitando errores y complicaciones que generan el diseño clásico o secuencial. Teniendo esto en cuenta, en la etapa de del desarrollo conceptual del proyecto se utilizaron herramientas como la descomposición funcional, el análisis de la función calidad o QFD y algo de suma importancia que fue la generación, selección y prueba de los conceptos planteados con el fin de llegar a la mejor de las posibilidades que cumpla con lo deseado por el cliente. Posteriormente viene el diseño a nivel sistema donde se trabajaron cinco enfoques de diseño que son: el diseño de la arquitectura del producto, el diseño industrial, diseño para manufactura, mantenimiento y finalmente el diseño para el medio ambiente. Estos enfoques permiten que la Máquina sea un producto versátil, ergonómico y amigable con el medio. Además algo de suma importancia es que permite estimar el costo preliminar de los elementos de la empaquetadora y consecuentemente el costo que tendría la máquina. Finalmente se trabaja la parte de mayor dificultad en el diseño que es el diseño detallado del producto, donde se realizan pruebas y simulaciones de cada uno de los sistemas de la máquina, incluyendo la parte mecánica y de control. Igualmente se realiza el acoplamiento de los diferentes sub-procesos necesarios para completar el empaque y se realizan las correcciones necesarias para lograr el objetivo

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Palabras claves: máquina automática para empaquetado de productos a granel, mercado objetivo, producto, método de diseño concurrente, pruebas y simulaciones del diseño final.

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INTRODUCCIÓN Una de las industrias que más se desarrolla día a día es la del embalaje o empaquetado de productos a granel, logrando nuevos desarrollos en diferentes aspectos, como por ejemplo materiales con mejores propiedades con el fin de preservar la calidad de los productos y así satisfacer las necesidades del cliente. De la mano con este progreso van las máquinas que se encargan del empaquetado de dichos productos, las cuales cada día presentan nuevas características que permiten optimizar este proceso, reduciendo costos, tiempo, desperdicios, entre otros, maximizando las ganancias que deja el mismo. Una de la principales problemáticas a tratar es el elevado costo de estas máquinas que no permite a pequeñas y medianas empresas hacerse con ellas para la mejora de sus procesos de producción. En Colombia el costo aproximado de una empaquetadora puede llegar a treinta millones de pesos14, lo que es bastante elevado y solo los grandes emporios y multinacionales que se encuentran en el país tienen la capacidad económica para invertir en estos equipos, como es el caso de proveedores de café (Juan Valdez, Águila roja , sello rojo, colcafé entre otros), empresas arroceras ( arroz Diana, roa, arroz blanquita, flor huila, entre otras), ingenios azucareros (ingenio manuelita, ingenio rio paila, incauca, ingenio carmelita, entre otros) y otras instituciones que trabajan con otros productos a granel. A raíz de esto y aprovechando los conocimientos adquiridos en Ingeniería Mecatrónica, se pretende brindar una solución que sirvan para que las pequeñas y medianas empresas que deseen incursionar en el mercado de los productos a granel tengan un producto rentable de alta calidad y bajo costo de producción. La idea de este proyecto es lograr un diseño que cumpla con todos los estándares de calidad actuales, sea eficiente, amigable con el usuario, y tenga un bajo costo que se vea involucrado en todas las características del equipo, ya sea desde el consumo energético (KW/h) hasta la capacidad de producción. Igualmente se desea que la máquina pueda trabajar con cualquier producto a granel de la canasta familiar permitiendo a las empresas abarcar todo el mercado y no condicionarse a un solo producto, lo que reduciría el beneficio que se puede llegar a obtener.

14 INTERTEC LTDA. Empaquetadora automática de productos a granel [en línea]. Medellín: INTERTEC, 2013 [consultado el 15 de Septiembre de 2013] Disponible en internet: http://www.intertec.com.co/index.php/empacadoras-al-vacio

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Como se mencionó anteriormente se pretende trabajar con los productos de la canasta familiar, estos productos son un conjunto de bienes y servicios que son adquiridos de forma habitual, para su sostenimiento, por una familia “típica” en cuanto a su composición (número de integrantes) y con unas condiciones económicas medias. Se compone de diferentes tipos de artículos como transporte, salud, educación, vestuario y para el caso de este proyecto de alimentos, entre los cuales hay diferentes productos a granel como son cereales, arroz, granos (frijol, arveja, lenteja), harina, azúcar café y sal15. Como estudiantes de la Universidad Autónoma de Occidente se quiere presentar una propuesta atractiva para la industria y sobre todo que su influencia en el mercado sea positiva para la economía regional y nacional beneficiando al empresario y al consumidor.

15 BIBLIOTECA LUIS ANGEL ARANGO. Canasta familiar [en línea]. Bogotá D.C.: Banco de la república, 2014 [consultado el 15 de septiembre de 2013] Disponible en internet: http://www.banrepcultural.org/blaavirtual/ayudadetareas/economia/econo93.htm

http://www.banrepcultural.org/blaavirtual/ayudadetareas/economia/econo93.htm

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1. PROBLEMA DE INVESTIGACION 1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Los productos a granel como el arroz y el azúcar, son productos que describen una alta demanda, recalcando que se tienen que consumir a diario para tener un funcionamiento correcto del organismo. Se complementa lo dicho anteriormente, teniendo en cuenta que estos dos productos lo consumen todos los estratos sociales en el momento. El empacado de productos de consumo humano a granel en los graneros los cuales están en el gremio de pymes se hacen de forma manual, lo cual lleva a una ineficiencia y se desata un efecto dómino de problemas, los cuales aumentan el costo del producto final. Las Máquinas empaquetadoras en el mercado actual están en un rango de 35 a 50 millones de pesos, los cuales una pyme no tendría para invertir en una innovación tecnológica de este estilo. El alto costo hace un impedimento para obtener la máquina para estas empresas por lo que prefieren hacer de forma manual este empaquetado, obteniendo así un producto final con incertidumbres altas de peso del producto a granel, lo cual conlleva a muy poca ganancia del producto final e incluso podrían haber perdidas. 1.2 FORMULACION DEL PROBLEMA Una empresa siempre desea maximizar su beneficio o ganancia, para ello necesita que el producto o servicio que preste aumente su demanda. Una forma para llegar a este fin es invirtiendo en avances tecnológicos para mejorar la productividad y en el mercado las Máquinas empaquetadoras poseen elevados precios los cuales no llegan a estar dentro del presupuesto de inversión tecnológica de una pyme, ya que con estadísticas hechas en empresas familiares de los ponentes de la tesis se llegó a la conclusión que una empresa pyme tiene entre 10 y 15 millones anuales para inversiones tecnológicas para la empresa. Por lo anterior dicho, se tiene que para una pyme se le hace casi imposible tener una Máquina empaquetadora vertical de grano de las actuales en el mercado. ¿Será posible la simulación de una Máquina empaquetadora vertical eficiente y de bajo costo que supla totalmente las necesidades de un mercado pyme especializado en la venta, distribución y fabricación de grano consumible en la canasta familiar?

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2. JUSTIFICACIÓN

El presente trabajo es para el diseño e implementación de un sistema de empacado de productos a granel enfocado a las pequeñas y medianas empresas. Esta idea surge debido a los problemas que tienen las pyme para ser competitivas en un mercado nacional difícil para las mismas. Uno de los productos más vendidos en Colombia es el arroz, del cual las tres cuartas partes se consumen empacado. Según la federación nacional de arroz (Fedearroz) en Colombia el consumo per cápita está entre 38-48.5Kg16. Al igual que pasa con este producto, esta situación se da en la mayoría de productos a granel, especialmente con los que hacen parte de la canasta familiar. Al ser productos inelásticos el consumo de los mismos es alto durante todo el año, lo que presenta una oportunidad de negocio importante teniendo en cuenta el empaquetado manual que se da en las pequeñas y medianas empresas para este tipo de productos. Para estas empresas el poder adquirir una empaquetadora en la actualidad es casi imposible debido a los altos costos de estas máquinas, es por eso que con el diseño que se desea realizar en este proyecto se dará esa posibilidad a estas instituciones, lo que les permitiría optimizar notablemente su proceso de producción, aumentando las ganancias que deja el mismo y evitando problemas de higiene y seguridad industrial que provocan fallas en los estándares de calidad que requiere el producto, como se puede ver a continuación: 2.1 HIGIENE EN PRODUCTOS A GRANEL Este es uno de los problemas más significativos, ya que en los establecimientos que venden los productos de consumo tipo a granel no cuentan con estándares de higiene y calidad en los mismos. Otro factor que influye a esta problemática es la diversidad de gente que puede tener contacto con el producto y esto maximiza la probabilidad de tener un producto poco higiénico.

16 FEDEARROZ. Consumo de arroz en Colombia desde 2000 hasta 2012 [en línea]. Bogotá D.C.: FEDEARROZ, 2014 [consultado el 16 de septiembre de 2013] Disponible en internet: http://www.fedearroz.com.co/consumo.php

http://www.fedearroz.com.co/consumo.php

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2.2 SEGURIDAD INDUSTRIAL En el proceso de empacado manual, el operario establecido para ejercer esta función presenta distintos riesgos, ya que se manejan instrumentos que pueden atentar contra la salud del operario, uno de estos instrumentos es la resistencia para sellar la bolsa, esta resistencia a temperaturas elevadas pueden ser de alta consideración para ser herido y sufrir quemaduras de segundo y tercer grado. Uno de los problemas de seguridad industrial para el caso de empaquetado manual es la limpieza, puesto que esta nunca se haría al cien por ciento debido a que el área de trabajo se extiende al volumen de trabajo del hombre y de las Máquinas relacionadas con el proceso. El artículo 33 del estatuto de seguridad industrial Resolución número 02400 expresa en palabras breves que el lugar de trabajo tiene que estar completamente limpio para mantener en buenas condiciones el local. Este proceso de limpieza causa un tiempo adicional, el cual se tiene que remunerar al producto final17.

17 ESTATUTO DE SEGURIDAD INDUSTRIAL. Resolución número 02400 de 1979 (Mayo 22) [en línea]. Bogotá D.C.: Ministerio de trabajo y seguridad industrial, 2014 [consultado el 16 de septiembre de 2013] Disponible en internet: http://www.laseguridad.ws/consejo/consejo/html/biblioteca-legis/resolucion_2400.pdf

http://www.laseguridad.ws/consejo/consejo/html/biblioteca-legis/resolucion_2400.pdf

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3. ALCANCES DEL PROYECTO Se pretende diseñar un sistema que consuma la cantidad mínima de energía y presente seguridad, durabilidad y confiabilidad. Dicho sistema explicado anteriormente proporcionara eficiencia para generar una rentabilidad alta al usuario en su correspondiente establecimiento. Este sistema además de tener una muy buena relación de costo-beneficio, también ofrece un estándar de calidad e higiene al producto, lo que conlleva a la satisfacción de las personas que adquieran el producto final.

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4. OBJETIVOS 4.1 OBJETIVO GENERAL Diseñar una máquina automática para el empaquetado de productos a granel que hacen parte de la canasta familiar y tenga como mercado objetivo las pequeñas y medianas empresas. 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Realizar un estudio de mercado y benchmarking de productos similares. Generar los conceptos aplicables al diseño de la máquina, teniendo en cuenta las necesidades del cliente y los componentes electrónicos y mecánicos. Realizar la prueba de conceptos y seleccionar el mejor de estos para el diseño final de la máquina. Realizar un prototipo virtual del diseño real de la máquina. Generar los planos y costos de la máquina.

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5. METODOLOGÍA Para lograr un buen desarrollo del proyecto se debe partir de una metodología preliminar de diseño en la cual se identifican todas las variantes y situaciones que hacen parte del problema a tratar. Para esto se aplica la metodología de diseño concurrente en donde a partir de las necesidades del cliente y pasando por diferentes etapas como la cuantificación de la función de calidad, se llega al producto final que se destaca sobre los demás conceptos planteados en el proceso de diseño. El primer paso a realizar es la construcción del árbol del problema que permite identificar con claridad las causas y consecuencias del problema central del proyecto. Este árbol que se puede ver en la figura 1 (página 24), muestra que las pequeñas y medianas empresas no tienen la capacidad económica para adquirir algún tipo de equipo que permita realizar el empaquetado, a raíz de esto se realiza manualmente por medio de un operario, causando que el producto no tenga los estándares de calidad deseados en cuanto a higiene y cantidad, además de ser un proceso extremadamente lento.

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Figura 1. Árbol del problema Teniendo en cuenta lo anterior se deben realizar las investigaciones y encuestas necesarias para encontrar las necesidades del cliente y así definir qué características espera de la máquina, que puede ofrecer esta que la haga una buena inversión y cuál sería el diseño apropiado. Aplicando el método conocido como QFD o casa de la calidad se evaluaran las especificaciones técnicas preliminares de la máquina para decidir si se continúa con las métricas usadas o alguna de ellas debe modificarse o cambiarse y posteriormente poder realizar la generación de conceptos. Para esto se tienen en cuenta cada uno de los procesos que realizara la Máquina durante el empaquetado, los instrumentos que intervienen y otras propiedades del equipo.

Empaquetado manual de productos a granel en pequeñas y medianas

empresas

Falta de equipos y/o máquinas para el empaquetado

Máquinas de empaquetado con costos elevados

Bajo presupuesto

Baja higiene en el producto

Proceso de producción

lento

Grandes incertidumbres en las cantidades del

empaquetado

Pérdida de confianza y clientes en la empresa

Producto de baja calidad

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Inicialmente se deben seleccionar los sensores y actuadores que intervendrán en todo el proceso de producción, esto incluye los controladores de diferentes variables, como temperatura, peso, velocidad, entre otros, los componentes de la interfaz hombre-máquina y los elementos que permitirán ver en tiempo real el estado del proceso. Una vez realizado lo anterior se debe diseñar la estructura mecánica de la máquina que mejor se adapte a los elementos que contendrá y optimice al máximo el proceso de producción, se debe tener en cuenta que una de las ideas principales de diseño es que la empaquetadora sea vertical, por eso es necesario que el tubo de salida tenga la longitud suficiente para el elemento que corta y sella la bolsa donde ira el producto empaquetado. Como se está trabajando con alimentos se deben seleccionar los materiales que permitan contar con las normas de sanidad e higiene necesarias para este tipo de industria, normalmente el material más usado para este tipo de máquinas es el acero inoxidable ya que soporta altas temperaturas, es de fácil mantenimiento y resistente a los procesos. Algo de suma importancia es el sistema de entrada de la materia prima, este debe ser exacto y lo más sencillo posible para evitar que el costo se eleve demasiado. Posteriormente viene la parte electrónica y de sistemas, teniendo los elementos seleccionados inicialmente, estos se deben poner a trabajar de la mejor manera, para esto se realizaran los acondicionadores de señal necesarios para los controladores, la creación y programación de la interfaz y el sistema que permitirá ver la estadística de bolsas empacadas. Cuando se haya definido toda la electrónica e informática de la máquina, se realizaran las simulaciones necesarias para verificar como sería el funcionamiento real de la misma, algo importante de la simulación es que se deben realizar varias y a diferentes condiciones de trabajo para garantizar que la Máquina funciona correctamente en cualquier ambiente laboral. Finalmente, después de cada uno de los pasos anteriores se puede realizar el prototipo virtual funcional de la máquina, el cual tendrá los componentes necesarios para comprobar que la Máquina real funcionaria correctamente o no tendría algún tipo de fallo. 5.1 RESULTADOS ESPERADOS Con este proyecto se esperan obtener los siguientes resultados: Un sistema que garantice un empaquetado eficiente, seguro y de la más alta calidad.

30

Presentar un buen funcionamiento, electrónico, mecánico e informático del sistema, brindando confiabilidad, seguridad y durabilidad. Un diseño con un bajo consumo de energía, evitando altos costos energéticos. La mayor eficiencia y eficacia posible del sistema.

31

6. RECURSOS DISPONIBLES 6.1 RECURSO TÉCNICO El recurso técnico principal se encuentra ubicado en la Universidad Autónoma de Occidente, donde se cuentan con laboratorios con excelente dotación de máquinas y equipos para los diferentes procesos y pruebas que se necesiten realizar. Para la prueba y acondicionamiento de sensores y actuadores se puede hacer uso del laboratorio de electrónica donde están los elementos necesarios (fuentes de voltaje, multímetros, patrones de temperatura, puntas lógicas, impresora de circuitos, entre otros) para lograr las señales apropiadas para la máquina. En cuanto a la parte mecánica, la universidad cuenta con diferentes laboratorios de mecanizado, donde es posible la construcción de piezas de alta complejidad a través de tornos, fresadoras y taladros, además algunas de estas máquinas son automáticas y controladas por medio de lenguaje CNC. Para darle acabado de alta calidad a las piezas se puede hacer uso de una rectificadora de piezas planas que permite llegar al acabado tipo espejo para la mayoría de materiales. Un recurso de suma importancia es el FAB LAB CALI también ubicado en la universidad, en el cual por medio de diferentes herramientas incluyendo cortadoras laser se pueden realizar desde lámparas hasta impresiones 3D. Para la programación y simulaciones necesarias, los laboratorios de la universidad tienen computadores con diferentes ambientes y lenguajes de programación, destacándose Java. De la misma manera se cuentan con diferentes softwares para hacer simulaciones como es el caso de dos muy importantes que son Matlab y Labview. 6.2 RECURSO HUMANO Al igual que en la parte técnica, la Universidad Autónoma De Occidente tiene un gran plantel de docentes y ayudantes de laboratorio expertos en diferentes campos de la ingeniería de quienes se pueden recibir diferentes tipos de asesorías para la resolución de dudas, corrección de errores o formas de uso de Máquinaria y equipos de alta complejidad. Además existen varios grupos en investigación en

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todas las ingenierías, que están al tanto de nuevas tecnologías e innovaciones que se dan día a día en la industria nacional y mundial. A lo anterior se le suma los desarrolladores del proyecto quienes vienen adquiriendo durante toda la carrera de Ingeniería Mecatrónica, los conocimientos necesarios para el desarrollo de la máquina y obviamente también hace parte de este tipo de recurso el director seleccionado, quien actualmente es docente en la Universidad Autónoma de Occidente de los cursos de Control 1, Robótica y Autómatas programables, además de tener experiencia en el diseño de productos mecatronicos y procesos de empaquetados. 6.3 RECURSO FINANCIERO Cuadro 1. Costos estimados del producto Descripción Costo total Sistema de control $ 1.200.000 Estructura acero inoxidable $ 650.000 Sistema neumático $ 500.000 Instrumentación $ 800.000 Actuadores eléctricos $ 600.000 Variador de velocidad $ 800.000 Interfaz máquina-usuario $ 360.000 Herramientas para construcción $ 120.000 Gastos adicionales $ 200.000

$ 5.230.000

El presupuesto para el desarrollo del proyecto de las partes comprometidas es de $6’000.000 el cual incluye todos los costos fijos y variables del proyecto. Costos como lo son la movilidad y sitios de reunión, también lo materiales del prototipo y herramientas de construcción del mismo. Este presupuesto se tiene al comienzo del proyecto y este puede aumentar en un 20% durante el transcurso del proyecto, debido a posibles incrementos en costos variables de construcción del prototipo. Los costos anteriores son los probables para una posible construcción de un prototipo funcional, aunque el proyecto solo consta con la parte simulable la cual es de bajo costo ya que se va a manejar en el programa Solid Works cuyas licencia la tienen en la universidad, por lo tanto se podría decir que los recursos

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nos los ofrece la universidad y no tendría gastos fijos , lo único que se tendría son gastos de transporte a la universidad los cuales son mínimos y se tendrán en cuenta como gastos variables. El dinero para suplir estos gastos variables surge de ingresos obtenidos del trabajo laboral de las partes comprometidas y otros ingresos de los padres de dichas partes.

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7. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES Figura 2. Cronograma de actividades

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8. DESARROLLO DEL PLANTEAMIENTO DE LA MISIÓN DEL PROYECTO Cuadro 2. Planteamiento de la misión del proyecto

DESCRIPCIÓN DEL PRODUCTO Máquina automática para el empaquetado de productos a granel que hacen parte de la canasta familiar. OBJETIVOS CLAVES DE NEGOCIO Ofrecer una máquina de fácil manejo en general, teniendo en cuenta la comunicación con el usuario, el transporte y el mantenimiento de la misma. Garantizar la calidad de los materiales para proporcionar una buena durabilidad de los mismos. Obtener un producto final empacado que cumpla con todas las normas sanitarias y de higiene necesarias para que este sea de alta calidad. Ofrecer una muy buena capacidad de producción que permita optimizar notablemente los tiempos de empaquetado manual que se da en la actualidad en el mercado objetivo del proyecto. Mantener una comunicación en tiempo real con el usuario, que le permita a este, conocer datos del proceso que se está llevando a cabo. MERCADO PRIMARIO Graneros y medianas empresas que realizan el empaquetado de productos a granel por medios manuales y/o artesanales a través de operarios, tomándose tiempos exagerados de producción. MERCADO SECUNDARIO Supermercados donde el usuario realiza el empaquetado y pesaje de forma manual, afectando la higiene del producto. PREMISAS Y RESTRICCIONES Los materiales deben garantizar en nivel de sanidad adecuado en la fabricación de alimentos. El peso y dimensiones del equipo deben permitir un fácil traslado del mismo. La máquina mostrara en tiempo real, datos del proceso de producción. PARTES INVOLUCRADAS Fabricantes y proveedores de las partes de la máquina. Compradores y distribuidores.

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9. IDENTIFICACIÓN DE LAS NECESIDADES DEL CLIENTE Lograr identificar las necesidades del cliente es de suma importancia ya que a partir de estas se orienta el diseño de la máquina para que cumpla con lo expresado por el cliente. En este proceso se realizan encuestas y entrevistas a personas que están directamente relacionadas con los objetivos de mercado planteados para el proyecto. Para este caso se realizaron una serie de entrevistas personales a propietarios de diferentes graneros ubicados en los municipios de Jamundí y Puerto Tejada, así como zonas aledañas a estos en el Valle Del Cauca. Los resultados obtenidos se pueden ver a continuación: Cuadro 3. Planteamiento de las necesidades del cliente Planteamiento del Cliente Planteamiento de la Necesidad El manejo de la Máquina en general sea cómodo y sencillo, teniendo en cuenta aspectos como la operación, instalación y limpieza.

Fácil uso. (1) Fácil Instalación (2) Fácil Calibración (4) Fácil Transporte (3) Fácil Mantenimiento (16) Tamaño medio (11)

El costo de adquisición de la Máquina no sea elevado y en caso de algún daño, la reparación sea de bajo costo.

Precio Inferior a 15 millones de pesos. (10) Bajo costo de mantenimiento. (17)

La máquina debe ser segura para el usuario u operario.

Seguro para el usuario (9)

La máquina sea resistente a fallos o problemas en el ambiente de trabajo.

Sistemas de seguridad contra problemas eléctricos (cortos o sobrecargas) y mecánicos.(12)

La máquina pueda ser usada por largos periodos de tiempo sin incrementar significativamente el costo de la energía.

Amigable con el medio ambiente (14) Bajo consumo de potencia (13)

Permita realizar fácilmente cambios en especificaciones del proceso de producción.

Interfaz de fácil uso y amigable con el usuario (6) Cambio de las métricas de empaque como libras o kilogramos (5)

El empaquetado del producto no se tome mucho tiempo.

Capacidad de producción alta (15)

Durante el proceso de empaquetado la máquina permita conocer cómo va el mismo a través de diferentes datos.

Sistema de aviso en tiempo real de bolsas empacadas y peso total de las mismas (7)

El producto final debe ser limpio y no debe causar perjuicios al consumidor.

Cumplimiento de normas sanitarias. (8)

37

A partir del cuadro anterior y de los objetivos del proyecto, se le asignó a cada necesidad una importancia de 1 a 5, como se puede ver a continuación: Cuadro 4. Importancia de las necesidades del cliente #

Necesidades

Impo

rtan

cia

1 La máquina de empaquetado

Es de fácil uso 5


Es de fácil Instalación 3


Es de fácil transporte 3


Permite ser calibrada con facilidad 2


Permite empacar en libras o kilogramos 4


Cuenta con una interfaz de fácil entendimiento 5


Da a conocer en tiempo real el estado del proceso de producción (peso y bolsas empacadas)

5


Cumple con las normas sanitarias. 5


Es segura para el usuario 5


Es de precio Inferior a 15 millones de pesos 4


Es de tamaño Medio 2


Posee sistemas de seguridad contra problemas eléctricos y mecánicos

4


Consume un mínimo de potencia 4


Es amigable con el medio ambiente 4


Proporciona una alta capacidad de producción 5

38


Es de fácil Mantenimiento 4


Es de bajo costo de mantenimiento 4

Cuadro 4. (Continuación)

39

10. MÉTRICAS A partir de la organización y jerarquización de las necesidades, se plantearon las métricas con las que se medirían cada una de ellas con sus unidades correspondientes, obteniendo lo siguiente: Cuadro 5. Planteamiento de las métricas

No

Necesidad Métrica Importancia Unidades V. Marginal V. Ideal

1 1,2,4,6,16 Fácil manejo 5 Subjetivo 3 5 2 3 Peso 3 Kg 40-60

40

11. ESPECIFICACIONES PRELIMINARES DEL PRODUCTO Partiendo de los valores marginales e ideales de las métricas y de los datos de los competidores obtenidos a través del estudio de mercado, se crearon las especificaciones preliminares del producto, las cuales generan una idea inicial de cómo será la máquina en diferentes aspectos. Cuadro 6. Planteamiento de las especificaciones preliminares del producto No Métrica Valor Unidades 1 Usabilidad 5 Subjetivo 2 Peso 50 Kg 3 Empaque en Lb y Kg Si Binario 4 Comunicación máquina - hombre 5 Subjetivo 5 Normas IP Si Binario 6 Precio 15 millones COP$ 7 Volumen 2 m3 8 Consumo 3 Kw 9 Norma ISO 22000 Si Binario 10 Producción 450 Kg/h

41

12. ANÁLISIS DEL QFD (CASA DE LA CALIDAD) Aplicar el método del desarrollo de la función calidad o QFD (anexos) es de suma importancia ya que permite analizar desde diferentes puntos de vista como está el diseño en su parte técnica, frente a las necesidades del cliente y sus ventajas y desventajas ante la competencia. A partir de esto el primero de los resultados importantes que se puede observar, está en las necesidades del cliente y el porcentaje de importancia que se obtiene en la casa, como se puede ver en la siguiente figura: Figura 3. Gráfico Porcentaje de importancia de las necesidades del cliente

Como se puede observar se destacan tres tipos de necesidades que muestran resultados coherentes al coincidir con los objetivos claves de negocio. En primera instancia con el mayor porcentaje se encuentra la alta capacidad de producción que es sin duda lo que más busca el cliente ya que a través de la producción de la máquina se obtendrá la utilidad que deja la misma. En segundo lugar están todas las necesidades que conforman el fácil manejo de la máquina (fácil uso, interfaz amigable con el usuario, comunicación en tiempo real y fácil mantenimiento) que es una de las características principales a ofrecer y que representa una ventaja sobre la competencia.

7,80%

7,20%

7,20%

6,00%

6,60%

6,90%

6,20% 9,40% 6,20%

36,50%

Necesidades del cliente

Facil uso

Interfaz amigable

Comunicación en tiempo real

Normas sanitarias

Segura para el usuario

Bajo costo de adquisición

Bajo consumo

Alta capacidad de produccion

Facil mantenimiento

Otras

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En un tercer lugar encontramos otras necesidades que hacen parte o referencia al precio de la máquina, esta es otra de las ventajas planteadas frente a la competencia debido a los costos elevados que presentan los equipos existentes hoy en día. Finalmente y teniendo en cuenta que el producto hace parte de la industria de alimentos, no se puede dejar de lado la normativa sanitaria18 que se exige para este caso además de la seguridad industrial19 que es obviamente necesaria. Ahora bien, estos porcentajes además de dar una importancia para las necesidades del cliente, dan un enfoque para el diseño de la máquina, es decir que lo que indican es que los recursos para el desarrollo de la empaquetadora deben estar dirigidos consecuentemente con los porcentajes presentados anteriormente, esto con el objetivo de que el producto final sea satisfactorio para quienes hagan su adquisición y cumpla con las expectativas que tengan del mismo. Desde el punto de vista de los requerimientos técnicos planteados para la máquina, al igual que para el caso anterior, los resultados se pueden ver en la siguiente figura:

18 COLOMBIA, MINISTERIO DE SALUD Y PROTECCION SOCIAL. Resolución 683 de 2012 [en línea]. Bogotá D.C.: Ministerio de salud y protección social, 2014 [consultado el 11 de febrero de 2014] Disponible en internet: http://www.alcaldiabogota.gov.co/sisjur/normas/Norma1.jsp?i=46773 19 ESTATUTO DE SEGURIDAD INDUSTRIAL. Resolución número 02400 de 1979 (Mayo 22) [en línea]. Bogotá D.C.: Ministerio de trabajo y seguridad industrial, 2014 [consultado el 16 de septiembre de 2013] Disponible en internet: http://www.laseguridad.ws/consejo/consejo/html/biblioteca-legis/resolucion_2400.pdf

http://www.alcaldiabogota.gov.co/sisjur/normas/Norma1.jsp?i=46773http://www.laseguridad.ws/consejo/consejo/html/biblioteca-legis/resolucion_2400.pdf

43

Figura 4. Gráfico Porcentaje de importancia de los requerimientos técnicos

Estos resultados son consecuentes con lo obtenido en la gráfica anterior, es decir que muestran que requerimientos ayudan en un mayor porcentaje para lograr satisfacer las necesidades del cliente. Se puede notar que se destaca por encima de todos el diseño versátil que es acompañado del controlador principal, las alarmas / LCD y el diseño Poka – Yoke y la para lograr el fácil uso de la máquina. Otros requerimientos de suma importancia son los que relacionan los materiales, ya que como se mencionó anteriormente debido a que la máquina está dirigida a la industria de alimentos es de suma importancia que se cumplan las normas sanitarias para este tipo de industria, donde los materiales que hacen contacto con el producto alimenticio no deben contaminar el mismo, evitando producir complicaciones de salud en los consumidores. En general se observa que la diferencia de porcentajes entre los diferentes requerimientos no es amplia, esto es debido a que aunque hay unos requerimientos prioritarios, al final se necesitara de todos para lograr el buen funcionamiento y desempeño de la máquina. Uno de los elementos importantes del QFD es la parte del benchmarking y como se encuentra “nuestra empresa” o diseño frente a la competencia en los dos aspectos anteriores, es decir las necesidades del cliente y los requerimientos

0,00%

2,00%

4,00%

6,00%

8,00%

10,00%

12,00%

14,00%

Requerimientos tecnicos

44

técnicos. Para el primero de ellos, se obtuvo la siguiente grafica que muestra claramente donde se supera a la competencia, donde se iguala y donde se tiene una desventaja. La forma de interpretar la gráfica es sencilla, donde hay un 2 quiere decir que nuestro diseño presenta una ventaja de prioridad frente a la máquina de esa empresa en esa necesidad, si hay un 1, quiere decir que hay igualdad y el 0 significa una desventaja o inferioridad. Figura 5. Gráfico Comparación de las necesidades de la competencia

A partir de esto se puede ver que se logra una superioridad en lo que tiene que ver con el fácil uso y el costo, sin embargo se tiene una desventaja en la parte de la capacidad de producción que se da principalmente por que las máquinas que se encuentran en el mercado hoy en día son construidas para trabajos en la industria, siendo necesario que estas tengan la capacidad de entregar gran cantidad de kg/h del producto empacado. Las mayores igualdades se presentan en las características que se deben tener por norma y obviedad como son las normas sanitarias, que sea amigable con el medio ambiente, entre otras. Para los requerimientos técnicos se puede hacer el análisis con la misma forma de grafica anterior, calificando para este caso de 1 a 5, incluyendo “nuestra empresa”, lo que arroja lo siguiente:

2

0 0 0 0

2 2

1 1

2

1

0

2

1

0

1

2

1

0 0

1

2 2 2

1 1

2

0

1 1 1 1 1

2

Intertec LTDA COMEK

45

Figura 6. Gráfico Comparación de los requerimientos técnicos con la competencia

La grafica muestra algunas desventajas de nuestro diseño en aspectos como la seguridad industrial y la estructura mecánica, sin embargo se destacan el diseño versátil y Poka – Yoke que también es conocido como “diseño para tontos”, que tiene como principal objetivo facilitar el uso en general de un equipo o elemento, desde su ensamble hasta su operación. El último sector a analizar es el techo de la casa de la calidad, donde se relacionan los requerimientos técnicos, teóricamente, si el 75% de las relaciones son positivas entonces los requerimientos planteados son correctos. A partir de esto se puede asegurar que la parte técnica de la máquina está bien orientada al diseño que se desea, sin embargo hay varias relaciones negativas con las que se debe tratar y tener cuidado ya que son las que pueden causar daños o efectos no deseados en el funcionamiento de la máquina. El principal problema se encuentra en la relación entre el controlador principal y las alarmas / LCD con el bajo consumo de potencia, como es obvio entre más grandes, robustos y complejos electrónicamente sean estos elementos, mayor potencia van a disipar, por esta razón se deben utilizar elementos que no incrementen demasiado ese consumo energético, pero que garanticen el funcionamiento correcto de los sistemas y no tener errores en el proceso, instalando elementos de baja calidad.

5 5 5

3 3

5 5

4

2

5 5 5 5

4

3

4

5

4

3

5 5 5

4

5 5

4

5 5

4

5

Comparación con la competencia

Intertec LTDA COMEK Nuestra empresa

46

En conclusión el QFD entrega resultados muy interesantes e importantes acerca del proyecto. Como factor más importante y satisfactorio es que demuestra que se tiene una ventaja en facilidad de manejo y en costos de la máquina respecto a los equipos que presenta la competencia, es decir que ratifica el planteamiento correcto de los objetivos claves de negocio además de que da a conocer que el diseño y la etapa de pre-inversión están bien encaminados. Tal vez el punto de mayor desventaja está en la capacidad de producción que es de suma importancia, teniendo en cuenta lo explicado anteriormente de que los equipos actuales son diseñados para la industria y sin olvidar que con este proyecto se busca incursionar en empresas donde todo el proceso es manual, lo que se debe hacer es conseguir que la máquina tenga una capacidad de producción que satisfaga al cliente y permita obviamente además de optimizar el proceso, maximizar las utilidades e ingresos de la empresa. Como comentario final es importante decir que los valores y resultados obtenidos en todo lo que tiene que ver con la parte técnica de la máquina son buenos y permiten asegurar que los requerimientos fueron bien planteados y sin dudad son los “como” correctos para lograr los “que” o necesidades del cliente.

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13. GENERACIÓN, SELECCIÓN Y PRUEBA DE CONCEPTOS 13.1 GENERACIÓN DE CONCEPTOS Basándose en la información recolectada por medio de todos los puntos anteriores, se desarrolla el método de la generación, selección y prueba de conceptos que permitirá además de obtener una versión preliminar del producto, aclarar las ideas planteadas para abordar el problema. 13.1.1 Descripción del producto. Máquina automatizada para empaquetar productos a granel que hacen parte de la canasta familiar. 13.1.2 Necesidades del producto. Software de fácil manejo que genere versatilidad en el proceso y en su comunicación con el usuario, permitiendo que este tome decisiones fácilmente y pueda cambiar parámetros del proceso de producción. Fácil manejo en general, incluyendo la instalación y el mantenimiento. Bajos costo a corto y largo plazo (adquisición, y mantenimiento y consumo respectivamente). Los materiales usados garantizan que no haya ninguna contaminación en el producto a empacar. La máquina está construida con materiales y elementos amigables con el medio ambiente. La estructura de la máquina facilita su traslado, teniendo en cuenta peso y tamaño. Teniendo en cuenta las necesidades del producto y el proceso de producción se deben definir las entradas y salidas que tendrá este, lo que permitirá llegar al siguiente paso, que es la descomposición funcional de la máquina. Para realizar satisfactoriamente este proceso, se construyen dos diagramas que muestran las

48

variables de la máquina de dos formas diferentes. En la caja negra se hace una análisis viendo la máquina desde su parte exterior, mientras que en la caja gris se tienen en cuenta los detalles y cada uno de las acciones o sub-procesos que debe realizar la máquina para completar el proceso de producción. 13.1.3 Caja negra. Figura 7. Planteamiento de la caja negra

Energía

Material (Producto a empacar)

Material (Bolsa)

Producto empacado

Señal de usuario

Señal de sensores

Desechos

Alarmas

CAJA NEGRA

Material (Vasos de empaque)

49

13.1.4 Caja gris Figura 8. Planteamiento de la caja gris

13.1.5 Conceptos generados por las sub-funciones. Sub-función “Recibir energía de la fuente”: Energía solar Energía térmica Energía eólica Energía eléctrica Energía química Sub-función “Seleccionar moldes de medida para empacar”: Manual Teclado Palancas Pantalla táctil Control remoto Sub-función “Almacenamiento del producto a empacar”: Bandejas

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Cilindros Tolva Bolsas Cajas Sub-función “Censar producto empacado”: Sensor de presión Infrarrojo Sensor de final de carrera Sensor de ultrasonido Sensor de movimiento Sub-función “Convertir energía eléctrica a mecánica”: Motor DC Motor paso a paso Motor AC Servoactuador Sub-función “Adecuar bolsa”(darle forma tubular y sellar la parte inferior): Cilindro y mechero Tubo y plancha Manual Cilindro neumático y resistencia eléctrica Sub-función “Procesar datos”: PIC PLC PC PSOC Compuertas lógicas Sub-función “Mover moldes para empaque” : Mesa giratoria Banda transportadora Pinzas Cadena de arrastre Rodillos en punto fijo Sub-función “Verter producto en el molde para empaque”:

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Manual Neumático Gravedad Tornillo de Arquímedes Sub-función “Registrar información”: Pantalla LCD Sonido, parlantes Iluminación, luces Vibración Sub-función “Verter en bolsa”: Gravedad Neumático Manual Sub-función “Sella bolsa”: Plancha Mechero Cilindro neumático y Resistencia eléctrica Adhesivo 13.1.6 Tabla de combinación de conceptos. Para la creación de la tabla de combinación de conceptos se seleccionaron las posibilidades o alternativas más viables para el proyecto, teniendo en cuenta las necesidades del cliente y el producto. Cuadro 7. Combinación de conceptos

52

13.2 SELECCIÓN DE CONCEPTOS Este método es para evaluar cada uno de los conceptos dados anteriormente, los cuales serán escogidos mediante una matriz de selección que permite tamizar y calificar conceptos. Esta matriz se basa en las necesidades ponderadas del consumidor, en la participación de todo el equipo de la organización para la selección de los conceptos, lo cual permite eliminar factores arbitrarios o personales dentro de la selección y disminuir los costos y el tiempo de diseño y manufactura. 13.2.1 Conceptos. A partir de la tabla de combinación de conceptos, se generaron tres posibilidades para la máquina, teniendo en cuenta los elementos más importantes para las sub-funciones. Los conceptos generados son los siguientes: A: Alimentación 110v, motor DC, rodillo de punto fijo, teclado, tolva, gravedad, resistencia eléctrica, PIC, ultrasonido, sonido, gravedad, cilindro neumático. Este concepto utiliza una alimentación 110V AC, un actuador electromecánico (motor) DC de 24V. Dicho accionamiento se hace mandando una señal tipo PWM por medio de un PIC para contralar la velocidad de este actuador. El producto caerá a la bolsa por medio de gravedad para ser detectado por ultrasonido y se sellara gracias a cilindros doble efecto y resistencias eléctricas, registrando el empaque por medio de sonidos. El funcionamiento de este subsistema es sencillo. En la parta superior esta un eje el cual lleva la tolva 360° por el plato. La velocidad de la tolva define la cantidad de producto que se va a tener en la bolsa final. Figura 9. Concepto A

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B: Alimentación 220v, motor AC, rodillo de punto fijo, teclado, tolva, gravedad, resistencia eléctrica, PLC, Sensor fotoeléctrico, pantalla HDMI, LED, gravedad, cilindro neumático. El concepto sirve con una alimentación 220v, la dispensación se hace por gravedad y cilindros de doble efecto. Muestra resultados en la pantalla HDMI en tiempo real, en dicha pantalla también se le podrá asignar valores de empaquetado por minuto. El control general se hace por medio de un PLC y la bolsa empacada es registrada por un sensor fotoeléctrico. Figura 10. Concepto B

C: Alimentación 220V, motor trifásico, Variador de velocidad, dispensación por gravedad, sellado de bolsa con cilindros de doble efecto. Observación del proceso y cambio de parámetros en pantalla HDMI. Este concepto se alimenta de energía eléctrica 220V AC, se utiliza un variador de velocidad para el control del motor de la mesa giratoria, para la dispensación se hace uso de la gravedad y consiguiente los cilindros de doble efecto para el

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sellado de las bolsas, La pantalla HDMI es de gran ayuda, ya que sirve para ver el desempeño de la máquina y también nos sirve para parametrizar la misma. Figura 11. Concepto C

D: Alimentación con energía solar, motor paso a paso, cadena arrastre, selección con pantalla táctil, almacenamiento en cajas, tornillo de Arquímedes, sellar con tubo y plancha, control con PSOC, detectar con final de carrera, registrar con LED y verter en la bolsa por gravedad. Este concepto es alimentado por medio de paneles solares y contiene un motor paso a paso. Los moldes se seleccionan por medio de una pantalla táctil para que sean ubicados en la cadena de arrastre que los lleva al tornillo de Arquímedes donde se vierte el producto almacenado en cajas, se detecta la bolsa empacada por medio de un final de carrera y el control general se hace por medio de PSOC. E: Energía térmica, motor DC, banda transportadora, selección por medio de un teclado, almacenamiento en bandejas, neumático, adecuamiento y sellado con

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cilindro neumático y resistencia eléctrica, control con PC, detección con infrarrojo, y registro en pantalla LCD. El concepto E, recibe energía térmica y contiene un motor DC de escobillas, al seleccionar los vasos para empaque por medio de un teclado, se transportan hasta la banda transportadora donde el producto a empacar está almacenado en bandejas, se vierte en la bolsa por medios neumáticos, la bolsa empacada es detectada por un sensor infrarrojo, registrando la información en una pantalla LCD. El control y manejo del equipo se hace a través de un PC. 13.2.2 Necesidades. El producto a empacar está en una tolva aislada con el fin de evitar la contaminación del mismo. Interfaz de usuario de fácil manejo que le permita al usuario una fácil interacción con la máquina, contribuyéndole a la toma de la mejor decisión para el proceso. El diseño está hecho con materiales amigables con el medio ambiente. Fácil instalación, manejo y mantenimiento. Estructuralmente es versátil, teniendo en cuenta el volumen y el peso. Es asequible para el usuario desde el punto de vista de los costos. Matriz para el tamizaje de conceptos Cuadro 8. Matriz de tamizaje de conceptos + Mejor que… 0 Igual que… - Menor que… Variantes de conceptos Criterio de selección A B C D (ref) E Fácil uso + 0 + 0 - Comunicación con el usuario 0 0 0 0 0

56

Cuadro 8. (Continuación). Criterio de selección A B C D (ref) E Normas de seguridad e higiene 0 + + 0 -

Versatilidad estructural 0 + + 0 - Capacidad de producción + + + 0 -

Positivos 2 3 4 0 0 Iguales 3 2 1 5 1 Negativos 0 0 0 0 4 Total +2 +3 +4 0 -4 Orden 3 2 1 4 5 ¿Continuar? NO SI SI NO NO 13.2.3 Selección de conceptos Cuadro 9. Matriz de selección de conceptos Variantes de conceptos C B Criterio de selección

Ponderación % Nota

Criterio ponderado Nota

Criterio ponderado

Fácil uso 30 5 1.5 4 1.2 Comunicación con el usuario 15 4 0.6 4 0.6

Normas de seguridad e higiene

20 5 1 4 0.8

Versatilidad estructural 15 3 0.45 2 0.3

Capacidad de producción 20 4 0.8 3 0.6

Total 4.35 3.5 Orden 1 2 ¿Continuar? Desarrollar No

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13.3 PRUEBA DE CONCEPTOS 13.3.1 Encuesta. Para realizar la prueba de conceptos y poder analizar los resultados obtenidos, se realizó la siguiente encuesta a los dueños y trabajadores de graneros ubicados en los municipios de Jamundí, Puerto Tejada y zonas aledañas a estas poblaciones, en el Valle del Cauca. ¿Empaca usted algún producto que hace parte de la canasta familiar? R// -Si __ -No __ ¿Qué método utiliza para hacer el empaque de sus productos? R// -Manual __ -Automatizado __ -Otro: ___________ ¿Cuánto tiempo aproximado le toma empacar 10Kg de un producto? R// ___horas. ___ Minutos. ¿Cumple con la totalidad de las normas de higiene establecidas para este tipo de productos? R// -Si __ -No __ Si la respuesta anterior fue no. ¿Por qué no cumple con esas normas? R// __________________________________________________________ __________________________________________________________ ¿Le gustaría optimizar los tiempos de empaque y/o la higiene de su producto final? R// -Si __ -No __ El objetivo de este proyecto es crear una máquina automática para empaquetar productos a granel que hacen parte de la canasta familiar. Se tiene como objetivos claves de negocio que la máquina sea fácil de usar, tenga comunicación en tiempo real con el usuario (entregue datos del número de bolsas y cantidad empacada) y ofrezca una capacidad de producción lo suficientemente alta (no industrial) para mejorar el proceso de empaque teniendo en cuenta el mercado objetivo. El diseño será pequeño y versátil, permitiendo que la máquina no ocupe mucho espacio y se fácil de mover por el espacio de trabajo. El precio estimado de la máquina no excederá los 15 millones de pesos y el equipo contara con los materiales, elementos y características para garantizar un

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fácil mantenimiento además de cumplir con todos los estándares de calidad e higiene establecidos para la industria de alimentos a nivel internacional. ¿Estaría usted dispuesto a comprar la máquina? R// -Si __ -No __ ¿Qué opina del precio del producto? R// -Excelente __ -Bueno __ -Regular__ -Malo__ ¿Qué sugerencia haría para mejorar el producto? R// __________________________________________________________ __________________________________________________________ 13.3.2 Resultados y análisis. En total se aplicaron 15 encuestas (anexos) en los sectores anteriormente mencionados, de las cuales se obtuvieron los siguientes resultados: Pregunta 1. Para la primera pregunta de la encuesta se obtuvieron los resultados de la figura 12. El 86.6% de los negocios encuestados respondió que sí empacan productos de la canasta familiar, lo que ratifica el mercado potencial que existe para la máquina. El 13.4% restante que respondió que no, se caracteriza por empacar únicamente todo tipo de semillas comestibles para el ser humano. Figura 12. Gráfico Resultados pregunta 1

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Si No

86,60%

13,40%

¿Empaca usted algunproducto que hace partede la canasta familiar?

59

Pregunta 2. Los porcentajes obtenidos en esta pregunta (figura 13) dejan supremamente claro que ninguno de los negocios encuestados tiene un método automático para hacer el empaque. En su mayoría, el 73.3% empaca de forma netamente manual, es decir que desde la recolección del producto para introducirlo en la bolsa, hasta el sellado de la misma se hace por métodos que requieren de uno o varios operarios sin ningún tipo de Máquinaria. Finalmente el 26.7% que corresponde a otros método, combina una parte manual y otra automática. Para este caso los graneros que utilizan este sistema de empaque, tiene en común que el sellado de la bolsa lo hacer por medio de un equipo especial para esta tarea, es decir, que la recolección e introducción del producto a la bolsa de empaque se hace manualmente, pero el sellado de la bolsa es automático utilizando una máquina para esto. Figura 13. Gráfico Resultados pregunta 2.

Pregunta 3 Los resultados de la pregunta 3 (figura 14) se organizaron en rangos de tiempo para facilitar su entendimiento. Como se puede ver, el 66.6% se demora entre 45 minutos y 1 hora haciendo el empaquetado de los 10 Kg y el 33.4% se toma un tiempo entre 30 y 40 minutos. Esto está directamente relacionado con la pregunta anterior es decir el método de empaque que utilizan los negocios encuestados,

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Manual Automatico Otro

73,30%

0%

26,70%

¿Qué metodo utiliza parahacer el empaque de susproductos?

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obviamente los graneros que hacen todo el proceso manual les tomara mucho más tiempo el empaquetado final, mientras que los que hacen uso de la máquina para el sellado de la bolsa, se ahorran varios minutos siendo más eficaces en el proceso. Figura 14. Grafico resultados pregunta 3

Pregunta 4 Los porcentajes obtenidos para esta pregunta que se pueden ver en la figura 15 representan el problema más grave que tiene estos negocios y los clientes de los mismos. Ninguno de los graneros encuestados cumple con la totalidad de las normas de higiene, siendo esta una situación supremamente peligrosa para los consumidores de los granos que allí se empacan, ya que esto puede traer consigo enfermedades y serios problemas de salud.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

45-60 minutos 30-40 minutos

66,60%

33,40%

¿Cuánto tiempo aproximadole toma empacar 10Kg de unproducto?

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Figura 15. Gráfico Resultados pregunta 4

Pregunta 5 El porqué del incumplimiento de las normas de higiene que es la respuesta para esta pregunta tiene dos situaciones en común en los graneros encuestados, estos negocios argumentan que la mayor causa de contaminación del producto es debido a que mientras se realiza el proceso de empaque, el grano esta regado en el piso o sobre una superficie que no está desinfectada. Además los operarios que realizan el empaque, no están equipados con los elementos (guantes, tapabocas, ropa especializada, gorro, entre otros) necesarios y requeridos para tratar con este tipo de productos. Como se mencionó anteriormente este problema se debe corregir con urgencia, por esto la máquina debe garantizar que se cumplirá con la resolución 683 de 2012 y la 02400 de 1979 que son las normas de higiene y seguridad industrial respectivamente, y de esa forma obtener un producto final de alta calidad. Pregunta 6. Como es de esperarse la totalidad de las respuestas para esta pregunta fue que sí se desea mejorar ampliamente el tiempo e higiene del proceso de empaque que se lleva a cabo es estos negocios. Como es lógico, lograr esto reducirá el costo de

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Si No

0,00%

100%

¿Cumple con la totalidad delas normas de higieneestablecidas para este tipo deproductos?

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producción y aumentara los ingresos de estos graneros, dejando una mayor utilidad. Los porcentajes se pueden ver en la siguiente figura. Figura 16. Gráfico Resultados pregunta 6

Pregunta 7 Las respuestas obtenidas para esta pregunta son satisfactorias y sustentan el objetivo de la prueba de conceptos que es ver que tan a gusto se siente el cliente de lo que será el producto. Los 15 graneros encuestados respondieron que si comprarían o estarían dispuestos a adquirir la máquina como se puede ver en la figura 17. Esto garantizara que el lote piloto de producción seria comercializado apropiadamente sin perder ninguno de los equipos.

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Si No

100,00%

0%

¿Le gustaria mejorar lostiempos de empaque y/ohigiene del producto final?

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Pregunta 8 Los porcentajes arrojados por esta pregunta están en la figura 18. Es importante resaltar que el 83.3% de los encuestados piensa que el precio de la máquina es excelente o bueno, el 16.7% restante cree que es regular y ninguno de los negocios encuestados marco como malo el costo del producto. Teniendo en cuenta que uno de los objetivos claves de negocio es el bajo costo de la máquina, las respuestas obtenidas son muy buenas ya que demuestran que los clientes potenciales de la empaquetadora se sienten satisfechos con el costo del final de la misma.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Si No

100,00%

0%

¿Estaria usted dispuesto acomprar la maquina?

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Pregunta 9. Para esta última pregunta, se obtuvieron diferentes recomendaciones de algunos de los encuestados. Una de las recomendaciones más comunes fue que la máquina pudiera trabajar con otros productos aparte de los que hacen parte de la canasta familiar, abriéndose a posibilidades de otros mercados. Algo muy importante en lo que una de las empresas hizo énfasis fue en que se pueda garantizar al cliente la cantidad de producto empacada y no que se tenga más o menos producto. Finalmente otra de las recomendaciones está en que el producto pueda salir etiquetado con alguna marca comercial para ese tipo de grano.

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Excelente Bueno Regular Malo

40,00% 46,66%

16,70%

0%

¿Qué opina del precio delproducto?

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14. ARQUITECTURA DEL PRODUCTO La arquitectura del producto relaciona y agrupa todos los elementos funcionales de la máquina en conjuntos físicos llamados “chunks” que tienen interacciones fundamentales y incidentales. Esta arquitectura puede ser modular o integral y su selección se hace a partir de la planificación y el desarrollo de los conceptos de la máquina. Para este caso se trabajara con una arquitectura modular debido a los múltiples conjuntos que se tienen al unir los diferentes elementos funcionales que además tienen interacciones bien definidas entre ellos. Otra ventaja de este tipo de arquitectura es que disminuye el costo del producto y permite la estandarización y reducción significativa de los procesos de manufactura, ensamblaje y diseño. A partir de lo anterior, se definieron los grupos funcionales de la máquina, los cuales se pueden ver en la siguiente figura: Figura 19. Esquema de los elementos funcionales del producto

Después de haber definido los elementos funcionales, se agrupan en “chunks” o conjuntos como se mencionó anteriormente. Para hacer esta unión, se tienen en cuenta diferentes aspectos que relacionan los elementos. Se pueden considerar de un mismo grupo, aquellos elementos que tengan una integración geométrica, que compartan las mismas funciones o que tengan similitudes en su diseño y/o tecnología de producción. Además se puede tener en cuenta que tengan una forma estandarizada, entre otros ítems que permitan generar los grupos. Partiendo de esto, los grupos funcionales obtenidos para la máquina quedaron de la siguiente manera:

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Figura 20. Esquema de los grupos funcionales del producto

Una vez están definidos los grupos funcionales de la máquina, es necesario hacer su distribución geométrica y así ver como estarán ubicados físicamente cada uno de ellos en el producto. Esto permite analizar la viabilidad de la ubicación de cada grupo en el espacio dado por la máquina, analizar cómo afecta su posición a los otros grupos y si es posible mejorar la forma como se hace la agrupación de los mismos. Para este caso, se hizo el layout a partir de la vista frontal del concepto de la máquina, quedando de la siguiente forma:

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Figura 21. Distribución geométrica

Medición volumétrica. Dosificación. Adecuación de la bolsa. Preparación del aire (obtención, filtración y lubricación). Sistema de control (PLC). Interfaz hombre – máquina. 14.1 INTERACCIONES ENTRE GRUPOS Entre los grupos funcionales previamente definidos existen dos tipos de interacciones: fundamentales e incidentales. A estas interacciones se les debe hacer un análisis sumamente importante, ya que permite conocer como se ve afectado cada grupo funcional por el trabajo de los otros, permitiendo conocer combinaciones o estados no deseados que afecten el funcionamiento óptimo del sistema y así buscar soluciones para estos casos.

1

2

3 4 5

6

68

14.1.1 Interacciones fundamentales. Las interacciones fundamentales son todas aquellas interacciones que se deben dar para que la máquina trabaje en óptimas condiciones, es decir que son todas las interacciones que han sido planeadas en el diseño con el objetivo de que el proceso de producción avance correctamente. Para este caso as interacciones son: Alimentación con: Mesa giratoria: Energización del motor que se encargara de a rotación de la mesa o base para los vasos de empaque. Sistema de adecuación de la bolsa: Energización del sistema de corte y la resistencia eléctrica para sellar la bolsa. Sensor: Energización del sensor infrarrojo para identificar la bolsa empacada. PLC: Energización del PLC que se encargara de controlar los otros sistemas. Interfaz de usuario: Energización del display donde el usuario podrá ver en tiempo real los datos y especificaciones del proceso de producción. Estructura mecánica: Mesa giratoria: Soporte estructural para la mesa giratoria que contiene los vasos de empaque. Sistema de adecuación de bolsa: Soporte estructural para el cilindro neumático y la resistencia eléctrica que se encargan de cortar y sellar la bolsa. Sensor: Proporciona el espacio para ubicar el sensor infrarrojo de tal forma que pueda identificar la bolsa empacada. PLC: Soporte estructural y ubicación para ubicar el PLC.

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Interfaz de usuario: Proporciona el espacio para ubicar el display en un lugar visible para el usuario. Mesa giratoria: Sistema de adecuación de bolsa: Posiciona el vaso de empaque para verter el producto en la bolsa. PLC: Recibe la señal de control del PLC, que se encargara de controlar la velocidad de giro del motor. Estructura mecánica: Esta soportada sobre la estructura mecánica de la máquina. Sistema de adecuación de bolsa: Mesa giratoria: Recibe el producto a empacar de los vasos para empaque ubicados en la mesa giratoria. Sensor: Pasa la bolsa con el producto y sellada por el sensor infrarrojo para identificar la bolsa empacada. PLC: Recibe la señal de control del PLC para cortar y sellar la bolsa. Estructura mecánica: El sistema está soportado sobre la estructura mecánica de la máquina. Sensor: PLC: Entrega la señal de la identificación de la bolsa empacada al PLC. Sistema de adecuación de bolsa: Identifica la bolsa empacada.

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Estructura mecánica: El sensor está ubicado sobre la estructura mecánica de la máquina, en un lugar donde pueda detectar el paso de la bolsa empacada. PLC: Mesa giratoria: Controla las RPM del motor de la mesa giratoria. Sistema de adecuación de bolsa: Controla el sistema de corte y sellado de la bolsa. Sensor: Recibe la señal del sensor infrarrojo y registra los datos de bolsas y peso empacado. Interfaz de usuario: Controla los datos a mostrar en la interfaz de usuario a partir de las señales de control generadas y la señal recibida del sensor. Estructura mecánica: Esta soportado sobre la estructura mecánica de la máquina. Interfaz de usuario: PLC: Muestra los datos de bolsas y pesos total empacado registrados en el PLC. Estructura mecánica: Se ubica en un lugar visible de la estructura mecánica de la máquina. 14.1.2 Interacciones incidentales. Las interacciones incidentales que como se mencionó anteriormente son no deseadas, se dan principalmente por la ubicación física y distribución geométrica de cada grupo funcional en la máquina. También es común encontrar este tipo de interacciones debido a las señales eléctricas que pueden generar interferencia o ruido en los otros sistemas. A partir de esto las relaciones incidentales para este caso son: (Ver Figura 22).

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Figura 22. Esquema interacciones incidentales

Las interacciones mostradas en la figura anterior se pueden dar por diferentes factores y causas que es necesario conocer para así mismo evitar que aparezcan. El porqué de esos fenómenos es el siguiente: Distorsión térmica: La distorsión térmica es frecuente en máquinas que operan a altas temperaturas como sopladores, compresores, turbinas, etc.20 Para este caso se puede generar debido a la resistencia eléctrica que se usara para cortar y sellar la bolsa. Debido a las normas de higiene y seguridad que se deben cumplir, la estructura mecánica de la máquina debe estar construida en acero inoxidable, el cual es un material con una alta conductividad térmica, es decir que tiene una gran capacidad para conducir o transmitir el calor, lo que puede producir que el calor generado por la resistencia eléctrica, se expanda rápidamente a través de la estructura mecánica, pudiendo provocar fallos en otros elementos o sistemas. Vibración: La vibración es totalmente generada por el motor de la mesa giratoria, aunque la velocidad de rotación será relativamente baja, se pueden generar vibraciones que tienen como consecuencia posibles desajustes en los pernos y otros elementos de la estructura mecánica, debilitando el soporte que ofrece la misma.

20 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, Balanceado dinámico de un plano con equipos para análisis de vibraciones [en línea]. Bogotá D.C.: Universidad nacional de Colombia, 2014 [consultado el 20 de febrero de 2014] Disponible en internet: http://www.bdigital.unal.edu.co/1484/3/197_-_2_Capi_2.pdf

http://www.bdigital.unal.edu.co/1484/3/197_-_2_Capi_2.pdf

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Armónicos: Los armónicos según la norma UNE-EN-60150:1996, son una tensión senoidal cuya frecuencia es un múltiplo entero de la frecuencia fundamental de la tensión de alimentación en el sistema21. Este fenómeno es sin duda el más grave de todas las interacciones incidentales ya que puede provocar un mal funcionamiento en toda la parte electrónica de la máquina, generando sobrecargas, inestabilidad, mediciones erróneas, mal funcionamiento de las protecciones, entre otros. Su causa principal son las cargas no lineales que para este caso se pueden generar por el motor de la mesa giratoria. Por esta razón es de suma importancia que el motor trabaje en su punto óptimo y así evitar que genere armónicos que afecten todo el sistema. Interferencia frecuencial: La interferencia frecuencial se puede dar por las distintas señales que recibe y emite el PLC, esto puede generar una interferencia en las frecuencias de trabajo de los elementos (sensor, PLC e interfaz de usuario) provocando fallos. Para evitar esto se deben acoplar las señales de entrada y salida de forma correcta.

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DISEÑO Y DESARROLLO DE UN PROTOTIPO VIRTUAL...

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