Este documento describe el diseño y construcción de una cámara de vacío y un brazo manipulador para introducir muestras en un equipo PVD. El proyecto busca mejorar la eficiencia del proceso de recubrimiento mediante la reducción del tiempo para alcanzar el vacío requerido y un método más rápido para la colocación de las muestras. El diseño propuesto consiste en una pequeña cámara de vacío con un brazo y pinza manipuladora controlados eléctricamente para una fácil colocación y extracción

1. Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica
Línea de Investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico
XXIV MUESTRA DE MÁQUINAS Y PROTOTIPOS
CONSTRUCCIÓN Y ADECUACIÓN DE UNA
CÁMARA DE VACÍO PARA INTRODUCIR
MUESTRAS EN UN EQUIPO PVD
Estudiantes:
JUAN CARLOS PARADA ROJAS
CRISTIAN LEONARDO CUBILLOS LEÓN
RAFAEL JONATHAN CAMILO VERA RODRÍGUEZ
Director:
ING. JHON JAIRO OLAYA

2. ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN
El mejoramiento de la calidad de los recubrimientos duros, la disminución del tiempo en el
proceso y una mayor economía en el equipo PVD (Deposición Física en Fase de Vapor) , son los
antecedentes con mayor importancia que planteo el cliente, ya que actualmente las soluciones para
estos requerimientos, son poco eficientes e implica que en la operación del dispositivo, sea
necesario la labor de dos o más personas, volviendo el proceso ineficiente.
Se diseña un dispositivo que genera vacío, sujeta y posiciona una probeta dentro de un equipo
PVD, utilizando materiales anticorrosivos y paramagnéticos. Además que el dispositivo sea
manejado por una persona.
FINANCIADOR: COLCIENCIAS
VALOR DEL PROYECTO: 15.500.000
TIEMPO DE DESARROLLO: 6 MESES

3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA(I)
Actualmente la universidad cuenta con un sistema de PVD (Deposición Física
en Fase de Vapor).
Para poder realizar trabajos en el equipo, es necesario controlar las condiciones
de presión del medio circundante.
Estas condiciones son controladas por medio de una bomba mecánica de vacío
y un barómetro; al iniciar el recubrimiento es necesario tener la cámara con un
vacío de 1E-7 mbar.

4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA(II)
El problema radica, en que la cámara que contiene el sistema “PVD” posee gran
volumen, de extracción de aire, por ende, es demorado producir el vacío
requerido en la realización del recubrimiento. El proceso en si es lento, y
actualmente sólo se puede generar 2 recubrimientos diarios.
Adicionalmente existe el problema de posicionamiento de la probeta dentro del
sistema “PVD”, ya que es un método artesanal y demorado, lo cual genera
pérdidas sustanciales, de tiempo en la realización de los recubrimientos.

5. REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE
El diseño y construcción de una cámara de vacio para introducir muestras de
un equipo PVD, la cual sea de tamaño pequeño, fácil montaje, fácil
mantenimiento y sostenimiento.
También se requiere que la construcción de los dispositivos sea con materiales
que no reaccionen con los componentes de fabricación de los recubrimientos.

6. DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL

7. GENERACIÓN DEL CONCEPTO(I)
El problema se descompuso en dos partes: Diseño Cámara de vacio y Diseño de brazo
y Pinza
Primera parte: Diseño cámara de vacio.
Como partida inicial para poder definir lo que se iba hacer, consultamos las necesidades
e ideas que tenia el cliente con la cámara de vacio.
Investigar la procedencia, la fabricación, los elementos y el funcionamiento de la
Cámara de Vacio actual que contiene el sistema PVD.
.

8. GENERACIÓN DEL CONCEPTO(II)
Consultar bibliografía sobre el diseño, normatividad y catálogos de proveedores de
equipos de vacio.
Después de pasado por las anteriores indicaciones, se comenzó a generar ideas para la
obtención de la cámara, teniendo en cuenta, las limitaciones de espacio impuestas por
el cliente y cumpliendo las exigencias del proceso.
A la hora de diseñar se tubo en cuenta, en la obtención de partes de la maquina, en
tener en ellas fácil acceso en el comercio.

9. GENERACIÓN DEL CONCEPTO(III)
Segunda Parte: Diseño Brazo y Pinza .
Ya teniendo el diseño y aprobación de la cámara de vacio por nuestro cliente,
comenzamos a consultar también las necesidades e ideas del cliente sobre la forma del
brazo y pinza.
Con este diseñó también consultamos bibliografía y catálogos comerciales.

10. GENERACIÓN DEL CONCEPTO(IV)
Dentro de la bibliografía se encontró diversidad de elementos los cuales nos podían
ayudar a solucionar el problema del diseño del brazo y pinza.
La selección del brazo y pinza se tuvo en cuenta el tamaño y la forma de
funcionamiento, ya que se necesitaba que cuando no estuviera funcionando, el e
pudiera recoger de una forma fácil y practica, sin impedir el funcionamiento del
sistema PVD

11. DESARROLLO DE LA IDEA(I)
Cámara de vacio:
Para generar un buen diseño de la cámara de vacio tuvimos que tener en cuenta estos
factores:
•Partes en materiales anticorrosivos.
•Lugar de instalación de la cámara.
•Tamaño de la cámara de vacio.
•Forma de instalar los componentes básicos de la cámara de vacio(bomba, barómetro,
etc.

12. DESARROLLO DE LA IDEA(II)
Cámara de vacio:

13. DESARROLLO DE LA IDEA (III)
Cámara de vacio:

14. DESARROLLO DE LA IDEA (IV)
Cámara de vacio:

15. DESARROLLO DE LA IDEA (V)
Brazo y pinza :
Para generar un buen diseño del brazo y pinza tuvimos que tener en cuenta estos
factores:
•Partes en materiales anticorrosivos.
•Lugar de instalación en la cámara.
•Tamaño del brazo.
•Forma de funcionamiento del brazo.

16. DESARROLLO DE LA IDEA (VI)
Brazo:

17. DESARROLLO DE LA IDEA (VII)
Pinza:

18. DESARROLLO DE LA IDEA(VIII)
Brazo:

19. DESARROLLO DE LA IDEA (IX)
Pinza:

20. PRESENTACIÓN DE LA ALTERNATIVA DE DISEÑO DOMINANTE Y
JUSTIFICACIÓN

21. DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA(I)
El equipo PVD, el cual es utilizado para producir recubrimientos duros,
esta introducido dentro de un cámara de vació en acero inoxidable,
equivalente de tamaño a un tanque de agua de 1m^3.

22. DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA(II)
Además esta cámara tiene diferentes entradas fijas, de diferentes tamaños.
Estas dos especificaciones brindan problemas, los cuales, son: el tiempo
improductivo que es producido por la generación del vacío, esto es por el
volumen tan grande que hay que producir de vació y además de el lugar
especifico en que hay que depositar la probeta para generar la muestra de
recubrimiento duro.

23. DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA(III)
La idea es de producir una cámara de vacío de menor tamaño en la cual se
pueda generar vacío mas rápido, ubicarla en una de las entradas de la
cámara grande, y que contenga un dispositivo en cual nos brinde la
posibilidad de llevar y posicionar la probeta dentro de la cámara
anteriormente mencionada.

24. APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEÑO
La fabricación de la Cámara de Vacío tiene como fin fomentar, estimular y
mejorar centros de investigación para los alumnos de pregrado y de
posgrado de la Universidad Nacional y la Industria Colombiana. También
de mejorar el sistema de producción de recubrimientos duros, acortando el
tiempo de realización del proceso y su calidad para poder modelar
excelentes investigaciones sobre los recubrimientos generados en el equipo
PVD.

25. ANÁLISIS ECONÓMICO (I)
El costo de la maquina es la siguiente:
- Cámara de vacio:
Carcasa $ 5.300.000
Flanges $ 3.500.000
Compuerta $ 2.200.000
Tornillería $ 30.000
Empaques $ 10.000
Total $ 11.040.000

26. ANÁLISIS ECONÓMICO(II)
El costo de la maquina es la siguiente:
- Brazo y Pinza:
Brazo $ 800.000
Pinza $ 100.000
Fuente $ 30.000
Cableado $ 20.000
Interruptores $ 10.000
Total $ 930.000

27. ANÁLISIS ECONÓMICO(III)
El costo de la maquina es la siguiente:
- Mano de obra:
Operarios $ 2.600.000
Investigación $ 500.000
Transportes $ 200.000
Gastos otros $ 200.000
Total $ 3.500.000

28. ANÁLISIS ECONÓMICO(IV)
El costo de la maquina es la siguiente:
Total
Cámara de vacio $ 11.040.000
Brazo y Pinza $ 960.000
Obra de Mano $ 3.500.000
Total $ 15.500.000

29. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES (I)
La variedad en los componentes de la máquina hizo necesario una
profundización en aspectos teóricos y prácticos indispensables para la claridad
en los conceptos a aplicar durante todo el proyecto.
Debido a la falta de experiencia se presentan algunos inconvenientes no
previstos en la etapa de diseño, por no conocimiento de elementos existentes

30. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES(II)
La experiencia ganada durante el proyecto, es muy importante para la vida
profesional, ya que hay muchos aspectos los cuales no se dan en la teoría.

31. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y HERRAMIENTAS DE
INGENIERÍA EMPLEADAS
• [1] J.J. Olaya, Recubrimientos de nitruros metálicos depositados con la técnica de espurreo
asistido con campos magnéticos variables, Tesis Doctoral, Instituto de Investigaciones en
Materiales, UNAM, México, 2005.
• [2] B. Navinsek, P.Panjan and I. Milosev, PVD coatings as an environmentally clean
alternative to electroplating an electroless processes, Surf. and Coat. Technol., 116-117, pp.
476-487, (1999).
• [3] J.J.Olaya , S.E. Rodil, S. Muhl and E. Sánchez, Comparative study of chromium nitride
coatings deposited by unbalanced and balanced magnetron sputtering, Thin Solid Film, Vol.
474, No. 1-2, 1 Pág. 119-126, 2005
• [4] Pfeiffer Vacuum, The Vacuum Technology book

32. ¿PREGUNTAS?

33. GRACIAS POR SU
ATENCIÓN