Exposición

1. Alumno: Diego Velásquez Vallejos
Código: 20154456
Profesor: Paul Lean
Asesora: Andrea Moromisato Chinen
Tema del proyecto de trabajo de investigación: Diseño de una picadora de envases
comerciales de material compuesto por cartón, papel aluminio y polietileno para su
posterior reciclaje
2022

2. 1. OBJETIVO GENERAL:
Diseñar una máquina trituradora de envases de Tetra Pak para una planta de reciclado, que disminuya la
contaminación e impacto ambiental, así como también el aprovechamiento de estos residuos para la
obtención de granulado que se podrá utilizar para la fabricación del Tectán.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
● Objetivo específico 1: Explicar la condición actual del reciclaje en el Perú y el tema ambiental.
● Objetivo específico 2: Desarrollar el estado del arte y los principios de funcionamiento de las
máquinas actuales para trituración de materiales.
● Objetivo específico 3: Determinar los parámetros necesarios para el diseño conceptual usando la
metodología VDI 2221. Plantear una matriz morfológica y escoger el concepto óptimo de solución
● Objetivo específico 3: Calcular y seleccionar los componentes del concepto óptimo seleccionado con
el objetivo de que esta no falle y que sea económica. Es decir, que cumpla con la lista de exigencias.
● Objetivo específico 4:Desarrollar los planos necesarios, usando Inventor y Autocad, para que se
pueda producir el equipo.

4. CAPÍTULO 1: MARCO TEÓRICO
Investigaciones acerca de máquinas trituradoras de
diferentes materiales:
En el año 2020, Juan David Caviedes Aguirre, alumno de la
Facultad De Ingenierías De La Fundación Universidad de
América Bogotá, Colombia, desarrollo su tesis para optar
por el título de ingeniero mecánico “Diseño de una maquina
trituradora para plástico PET”. En este planteó primero un
análisis sobre el material que quería triturar, en su caso fue
el PET. Para ello analizó los métodos de reciclaje del PET,
reciclado mecánico y químico, el proceso de la máquina y
los componentes de la botella PET.
Antecedentes
Investigaciones sobre el reciclado del material y sus
aplicaciones:
Heriberto Reyes Perfecto alumno de la Universidad Nacional
Mayor de San Marcos quien optó por el grado académico de
ingeniero industrial, realizó, en el 2007, su tesis sobre “Reciclaje
De Envases De Tetra Pak: Su Factibilidad Técnica Y
Económica”. En ella recopiló información sobre la
caracterización de los envases reciclados, el uso de la madera
sintética. A su vez, realizó un análisis del sector maderero
peruano y la depredación de la selva.

5. ACERCA DE LA EMPRESA TETRA PAK Y SU PRODUCTO:
Visión de la empresa: "Nos comprometemos a hacer que los
alimentos sean seguros y estén disponibles en todas partes”
Misión de la empresa: “Trabajamos por y con nuestros clientes
para brindarles soluciones preferidas de procesamiento y
envasado para los alimentos. Aplicamos el compromiso a la
innovación, a la comprensión de las necesidades de los
consumidores y a las relaciones con los proveedores para
entregar dichas soluciones, donde cuando se consumen los
alimentos.
Envases Tetra Brick y sus capas
PROCESO DE RECOLECCION DE TETRA PAK
PROPIEDADES DEL PRODUCTO FINAL
• Resistente a la humedad.
• Igual dureza en toda su superficie.
• Propiedades mecánicas sobresalientes.
• Resistente al impacto.
• No es corrosivo.
Figura 1. Distribución de las capas del Tetra Brick
Tomado de Reciclario, una guía para separar los residuos, 2018.

6. PROCESO DE CORTE
CLASIFICACIÓN DE MÁQUINAS PARA REDUCCIÓN
DE TAMAÑO:
A. Trituradora de quijada o mandíbula
1.Blake
2.Excéntrico Superior
3. Dodge
B. Trituradores giratorios
1.Primario
2.Secundario
3.De cono
C. Molinos de impacto trabajo pesado
1.Rompedores de rotor
2.Rodillos Dentados
D. Trituradora de rodillos
1.Rodillos Dentados
2.Rodillos lisos
E. Molinos de Bandejas Secas y de
Fileteado
F. Desmenuzadores
1.Desmenuzadores Dentados
2.Desmenuzadores de Jaulas
3.Molinos de Disco
G. Cortadores y Rebanadas Rotatorias
H. Molinos con Medios de Molienda
1.Molinos de Bolas Y Piedra
2.Molinos Autógenos de Volteo
3.Molinos Agitados de Bolas
4.Molinos Vibratorios
I. Molinos de Velocidad Periférica Media
1.Molinos de Rodillo y Anillo
2. Molinos de Rodillos, tipo Cereal
3. Molinos de Rodillos, tipo para Pintura
4.De Piedras de Molino
J. Molinos de Alta Velocidad Periférica
1.Moliendas de Molido Fino
2.Molinos de Clavijas
3. Molinos de Corte
4. Molinos de Coloides
5.Batidoras de Pulpa de Madera
Nota. Tomado de “Manual del Ingeniero Químico”, Sección 8-19, por Robert
Perry.

7. Cortadora giratoria de cuchillas
El principio de este tipo de máquina de reducción de tamaño sirve para
una gran variedad de procesos, desde el corte del césped, hasta su
acoplamiento dentro de trituradoras para reducir las dimensiones de los
residuos para su reciclaje.
Figura 8. Trituradora de cuchillas
Tomado de “Tipos de trituradoras”

8. 3.1. Lista de exigencias
CAPITULO 3: DETERMINACIÓN DE PARAMETROS PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL

9. 3.2. Estructura de funciones
1. Abstracción: Caja Negra (Black - box)
ENTRADA:
SEÑAL: Dimensiones, forma de los envases
Posición final después del proceso
ENERGÍA: Energía eléctrica trifásica de 220/440 V a 60 Hz.
MATERIAL: Todo tipo de envases compuestos de polietileno, cartón y aluminio
SALIDA:
SEÑAL: Registro de fin de proceso
ENERGÍA: Calor, vibración y sonido
MATERIAL: Material picado de Tetra Pak para reciclaje
Fig. 14: Esquema Black-Box del proceso

10. Estructura de funciones óptima
Fig. 15: Estructura de funciones 1

11. 2. Matriz morfológica

12. Concepto de solución 1
Concepto de solución 2
Concepto de solución 3
Concepto de solución 4
Fig. 17: Concepto de solución 1
Fig. 18: Concepto de solución 2.
Fig. 19: Concepto de solución 3.
Fig. 20: Concepto de solución 4.

13. 3. Evaluación Técnica de opciones

14. 3. Evaluación económica de opciones

15. Se muestra el diagrama de evaluación según VDI 2221, el cual muestra los resultados de los
diferentes proyectos preliminares propuestos hasta ahora.

16. 3. Proyecto definitivo
En este punto se presenta el concepto de solución definitivo como resultado de la evaluación técnico-
económica. Este obedece las exigencias y requerimientos planteados inicialmente. Se agregará
también parámetros que permitirán el diseño posterior.

17. CAPITULO 4: CALCULOS Y SELECCIÓN DE LOS COMPONENTES
Figura 26: Diagrama de tracción
Fuente: Pareja Pérez, Vargas Oquendo

18. 2. Diseño del sistema de cuchillas
Selección del material:
Para las cuchillas se usará el acero AISI D3, también conocido como DIN 1.2080 y JIS SKD1, el cual es
un acero de aleación de cromo al 12%. El acero DIN 1.2080 tiene una resistencia al desgaste muy alta
contra el desgaste abrasivo y adhesivo debido al alto volumen de carburos duros en la matriz de acero,
tenacidad media, dimensionalmente estable, alta resistencia a la compresión, no endurecible secundario
Figura 26: Propuesta de geometría y dimensiones de las
cuchillas de corte
Figura 27: Ángulos y fuerzas en el corte ortogonal

19. Después, se calculó la relación del grueso de la viruta (r) tomando en cuenta el grosor de viruta esperado mediante:
𝑟 =
𝑡𝑜
𝑡𝑐
; 𝑠𝑢𝑝𝑜𝑛𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑡𝑜 = 5 𝑚𝑚 𝑦 𝑡𝑐 = 7.5 𝑚𝑚
𝑟 =
5
7.5
; 𝑟 = 0.67
Con el modelo de corte ortogonal se estableció una relación entre espesor de viruta, ángulo de inclinación y ángulo del plano del corte; sustituyendo to=lsSenØ y tc= LsCos(Ø-α).
Agrupándolo se determinó el valor del plano de corte Ø mediante:
tan ∅ =
𝑟 ∗ cos 𝛼
1 − 𝑟 ∗ 𝑠𝑒𝑛 𝛼
; 𝑠𝑢𝑝𝑜𝑛𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑒𝑙 á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑐𝑙𝑖𝑛𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 20°
tan ∅ = 0.8167; 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑜 𝑡𝑎𝑛𝑡𝑜: ∅ = 39.24°
Con base en la fuerza cortante (Fs) se definió el esfuerzo cortante, el cuál actúa a lo largo del plano de corte, el trabajo y la viruta:
𝛵 =
𝐹𝑠
𝐴𝑠
Luego se determinó el área de plano de corte (As), usando la siguiente ecuación:
𝐴𝑠 =
𝑡𝑜 ∗ 𝑤
𝑠𝑒𝑛∅
; 𝑑𝑜𝑛𝑑𝑒 𝑤 𝑒𝑠 𝑒𝑙 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑢𝑐ℎ𝑖𝑙𝑙𝑎
𝐴𝑠 =
5𝑚𝑚 ∗ (20𝑚𝑚)
𝑠𝑒𝑛 39.24°
, 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑜 𝑡𝑎𝑛𝑡𝑜, 𝐴𝑠 = 158.1 𝑚𝑚2
Este esfuerzo es igual a la resistencia cortante del material de trabajo (Ƭ = TS) en las condiciones en las que ocurre el corte. Partiendo de los datos de la resistencia a la tensión
podemos definir una aproximación de la resistencia del material a la cortante S: 𝑡 = 114.21(𝑘𝑔/𝑐𝑚²) = 11.21 MPa
𝑆 = 0.7 ∗ 𝑇𝑆
𝑆 = 7.85 𝑀𝑃𝑎; 𝑆 = 7.85 𝑁/𝑚𝑚2

20. Entonces, partiendo de lo anterior, se halló que a Fs:
𝐹𝑠 = S ∗ 𝐴𝑆
 𝐹𝑠 = 7.85 𝑁/𝑚𝑚2
∗ 158.1 𝑚𝑚2
𝐹𝑠 = 1241.09 N
Con la ecuación de Merchant, se calculan los ángulos presentes en el corte
ortogonal, esto mediante la siguiente ecuación:
∅ = 45° +
𝛼
2
−
𝛽
2
Entonces despejando, se calculó a β, el ángulo de fricción el cuál interviene en
las ecuaciones posteriores para el cálculo de la fuerza de corte y de empuje:
Es importante tomar en cuenta la fuerza de corte (Fc) que va en la dirección
del corte siendo la misma dirección de la velocidad del corte y la de empuje
(Ft) que es perpendicular a la fuerza de corte y se encuentra asociada con el
espesor de la viruta; las cuales estarán presentes en las cuchillas,
relacionándose con la resistencia al corte del material como se muestra a
continuación. Partiendo de la siguiente ecuación:

21. 1. Selección del material
Se propone utilizar un acero de baja aleación (0.6-0.8%Mn, 1.65-2.0%Ni y 0.7- 0.9%Cr) y medio carbono (0.38-0.43%C) como lo es el SAE 4340. Este acero
presenta una alta templabilidad, lo que facilita su forjado sin dificultar la maquinabilidad. La aplicación para este tipo de acero es en la industria automotriz, por
ejemplo, para cigüeñales, engranes, ejes, semiejes, flechas de transmisión, etc., lo que resulta conveniente. Es el material recomendado por los fabricantes de
trituradores.
2. Árbol de transmisión
𝐷2 =
32 ∗ 𝑁
𝜋
∗
𝐾𝑀
𝑆′𝑛
2
+
3
4
𝑇
𝑆𝑦
2
1
3
𝐹𝐶 =
𝑇
𝐷/2
=
12 𝑁/𝑚
0.2 𝑚/2
= 120 𝑁
𝐹𝐶𝑋 = 𝐹𝐶 ∗ 𝑠𝑖𝑛𝜃 = 120 ∗ sin 40 = 77.13 𝑁
𝐹𝐶𝑌 = 𝐹𝐶 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 120 ∗ cos(40) = 91.92 𝑁

22. -Diagramas para eje en componente x -Diagramas para eje en componente y
Por lo tanto, se obtienen los siguientes
diámetros para el eje según las cargas
aplicadas:
𝐷1 = 0.006 𝑚
𝐷2 = 0.0187 𝑚
𝐷3 = 0.0221 𝑚
𝐷4 = 0.0221 𝑚
𝐷5 = 0.0492 𝑚
𝐷6 = 0.014 𝑚
Por lo tanto, se definió el diámetro
mayor del cálculo anterior como la
dimensión del área transversal en
general, siendo de aproximadamente 5
cm para este análisis.

23. 1. Selección del rodamiento
Ambos rodamientos serán iguales por
factores de facilidad de la selección.
Para comenzar el análisis se debe
encontrar la carga radial que
soportaran los rodamientos, pero el
rodamiento que soporta mayor carga
radial es el que se encuentra en el
punto B (ver figura 33), el cual tiene un
valor de:
𝐹𝐵 = 𝐹𝐵𝑋
2
+ 𝐹𝐵𝑌
2
𝑉𝐷 = 866.6122 + 272.532
𝑉𝐷 = 908.45 𝑁
𝑉𝐷= 978.512 + 139.42 = 988.39 N

24. 𝐿10ℎ =
106
60𝑛
𝐶
𝑃
𝑝
Dónde:
𝐿10ℎ: 𝑣𝑖𝑑𝑎 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑑𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
𝐶: 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑑𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑃: 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑜𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎 𝑒𝑙 𝑟𝑜𝑑𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑝: 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑡𝑖𝑝𝑜𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑑𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 (𝑏𝑜𝑙𝑎𝑠 𝑜
𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑑𝑖𝑙𝑙𝑜𝑠)
El valor de 𝐿10h se lo obtiene de la tabla
3.4 del catálogo de selección de
rodamientos de la NTN. El valor es:
𝐿10h = 20000 horas
Como no hay cargas axiales que tenga que
soportar el rodamiento el valor de P es:
𝑃 = 𝐹r= 988.39 𝑁
Y por último de forma conservadora en nuestra
selección, se escogerá un rodamiento de bolas que
tiene un valor p de:
𝑝 = 3 (rodamiento de bolas)
Reemplazando estos valores y despejando 𝐶𝑟 en
la ecuación se obtiene:
𝐶𝑟 = 2.78 𝐾N
Buscando en las tablas de selección del catálogo
de rodamientos SKF se concluye que el
rodamiento a seleccionar es 61810, con un
diámetro interior de 50 mm.

25. Referencias:
 Reciclaje, A. (2019, 17 marzo). Tectán – Tetrabrik Reciclado – Reciclaje Verde. Reciclaje Verde.
https://www.reciclajeverde.com/tectan-tetrabrik-reciclado/
 R. (2016, 11 octubre). Solo hay 11 rellenos sanitarios para 31 millones de personas en el país. RPP.
https://rpp.pe/peru/actualidad/solo-hay-11-rellenos-sanitarios-para-31-millones-de-personas-en-el-pais-
noticia-996181?ref=rpp
 La vivienda del futuro se hace con tetrapack. (2016, 5 noviembre). El Comercio.
https://www.elcomercio.com/construir/vivienda-futuro-tetrapack-casa-reciclaje.html
 TRITURADORAS MANDIBULAS I. (2014, 16 enero). Apuntes de ingeniería mecánica. https://apuntes-ing-
mecanica.blogspot.com/2014/01/trituradoras-quijadas-i.html?m=0
 Trituradora de cono Symons. (2012, 11 enero). SoloStocks. https://www.solostocks.com.ar/venta-
productos/otra-maquinaria/trituradora-de-cono-symons-1081124
 Cristian Camilo Vela Rojas. (2018). DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PROTOTIPO DE TRITURACIÓN
PARA PET. Facultad de ingenierías.
 Heriberto Reyes Perfecto. (2007). Reciclaje de envases de Tetra Pak: Su factibilidad técnica y económica.
Universidad Nacional Mayor de San Marcos.