DISEÑO DE UN PROTOTIPO DE UN SISTEMA DE PRODUCCIÓN TIPO AEROPÓNICO CRISTHIAN JAVIER HERNÁNDEZ SALAMANCA JUAN SEBASTIÁN PIÑEROS MUÑOZ UNIVERSIDAD EAN FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN BOGOTÁ, D.C. 2013 DISEÑO DE UN PROTOTIPO DE UN SISTEMA DE PRODUCCIÓN TIPO AEROPÓNICO CRISTHIAN JAVIER HERNÁNDEZ SALAMANCA 1012363521 JUAN SEBASTIÁN PIÑEROS MUÑOZ 1013609844 Proyecto de grado presentado como requisito para optar al título de: Ingeniero de Producción Director: ENRIQUE B. CEDEÑO, PhD. UNIVERSIDAD EAN FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN BOGOTÁ, D.C. 2013 DEDICATORIA A Dios, por ser guardián y guía a mis padres José y Otilia, por su amor, constante dedicación y apoyo, este título es de ellos. Cristhian Javier Hernández Salamanca A Dios. Por ser mi faro y mi guía en esta travesía. A mi Familia. Mis padres Miguel y Clemencia, A Blanquita y a cada uno de los miembros de mi familia, por su apoyo durante todo este tiempo, esto sencillamente es de ustedes. Juan Sebastián Piñeros Muñoz RESUMEN El objetivo del presente proyecto de grado fue realizar un prototipo de diseño de columnas de un sistema de producción agroindustrial tipo aeropónico para determinar un modelo mejorado a través de la simulación del comportamiento en condiciones reales. A su vez se realizó un amplio marco teórico y conceptual, la selección de un modelo base para fijar las características de diseño del mismo y un análisis de los materiales que mejor se adaptarán a las necesidades propias del sistema, logrando así una definición final de 12 posibles diseños. La simulación de los diseños del sistema de producción se realizó con la herramienta de diseño asistido por computadora (CAD), SolidWorks en el módulo de simulación de materiales SolidWorks Simulation realizando tres análisis específicos: estático, pandeo y frecuencia, para determinar el diseño más viable, evaluando las tensiones, esfuerzos y desplazamientos a los que la columna es sometida en condiciones normales y extremas, teniendo en cuenta el material del mismo y apoyados también de una prueba de hipótesis de medias. Una vez se analizaron los resultados se determinó el diseño que obtuvo las mejores características de resistencia a la tensión y desplazamientos por frecuencias, mejorando la calidad de la columna y la capacidad de producción del sistema agroindustrial tipo aeropónico en relación al modelo base. ABSTRACT The objective of this project was to carry out a column design prototype of an aeroponic agroindustrial production system to determine an improved model through simulation of its behavior in real conditions. We carried out a comprehensive theoretical and conceptual framework, the selection of a basis model to determine the features of the design and analysis of the materials that best suit the needs of the system, achieving a definition of 12 possible designs. Simulation of the production system design was carried out with the tool for Computer Aided Design (CAD) SolidWorks in the module of materials SolidWorks Simulation, making three specific analyzes: Static, buckling and frequency, to determine the most feasible design, evaluating the stresses, strains and displacements to which the column is subject to normal and extreme conditions, taking into account the material and also supported in a mean hypothesis test. Once the results were analyzed it determined a design which obtained the best characteristics of tensile, strength and displacement frequencies, significantly improving the quality of the column and the production capacity of the aeroponic agroindustrial production system in relation to the base model. TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 10 JUSTIFICACIÓN ................................................................................................... 11 OBJETIVOS .......................................................................................................... 13 OBJETIVO GENERAL ....................................................................................... 13 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .............................................................................. 13 ALCANCE ............................................................................................................. 15 1. CAPITULO 1. DESARROLLO CONCEPTUAL .............................................. 16 1.1 DISEÑO ................................................................................................... 28 1.1.1 DEFINICIÓN ...................................................................................... 28 1.1.2 PROCESO DE DISEÑO .................................................................... 29 1.2 ESTUDIO DE DISEÑOS AEROPÓNICOS EXISTENTES ........................... 24 1.2.1 UNIDADES A BAJA PRESIÓN ............................................................. 24 1.2.2 DISPOSITIVOS DE ALTA PRESIÓN .................................................... 26 1.2.3 SISTEMAS COMERCIALES ................................................................. 27 1.3 CULTIVOS AEROPÓNICOS ....................................................................... 16 1.3.1 ORIGEN Y DESARROLLO DE LA AEROPONÍA .................................. 16 1.3.2 GENERALIDADES DE LA AEROPONÍA .............................................. 19 1.3.3 VENTAJAS ........................................................................................... 20 1.4 CARACTERIZACIÓN DEL POSIBLE PRODUCTO A CULTIVAR EN EL SISTEMA ........................................................................................................... 22 1.4.3 LA LECHUGA ....................................................................................... 22 1.5 SIMULACIÓN ............................................................................................. 28 1.5.1 DEFINICIÓN ...................................................................................... 30 1.5.2 TIPOS DE SIMULACIÓN ................................................................... 31 1.5.3 ETAPAS EN UN ESTUDIO DE SIMULACIÓN¡Error! Marcador no definido. 1.5.4 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE USAR LA SIMULACIÓN ............ 32 2. CAPITULO 2. DISEÑO DE LOS MÓDULOS DE PRODUCCIÓN ..................... 34 2.1 DEFINICIÓN MODELO BASE ..................................................................... 34 2.2 DESARROLLO DEL MODELO PROPIO ..................................................... 36 2.2.1 CLASIFICACIÓN DE PARTES Y SUBPARTES QUE COMPONEN LOS MÓDULOS DE PRODUCCIÓN ...................................................................... 36 2.2.2 IDENTIFICACIÓN DE MATERIALES .................................................... 38 2.2.3 IDENTIFICACIÓN DE PROCESOS DE MANUFACTURA .................... 53 2.3 CONSTRUCCIÓN DEL DISEÑO ................................................................. 55 2.3.1 COLUMNA ............................................................................................ 56 2.3.2 BASE GIRATORIA ................................................................................ 60 2.3.3 ELEMENTOS ADICIONALES ............................................................... 64 2.4 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL PROCESO PRODUCTIVO ...................... 66 2.4.1 EVALUACIÓN Y COMPRA DE PLÁNTULAS ....................................... 67 2.4.2 PREPARACIÓN PLÁNTULAS .............................................................. 68 2.4.3 SIEMBRA EN ESTRELLAS .................................................................. 68 2.4.4 MADURACIÓN DE LA PLANTA............................................................ 68 2.4.5 RECOLECCIÓN .................................................................................... 69 2.4.6 EMPAQUE ............................................................................................ 69 2.4.7 DISTRIBUCIÓN..................................................................................... 69 3. CAPITULO 3. SIMULACIÓN DEL MODELO ..................................................... 70 3.1 DESCRIPCIÓN DEL SOFTWARE A UTILIZAR .......................................... 70 3.2 METODO DE ANALISIS DE ELEMENTOS FINITOS(FEA) ......................... 70 3.2.1 DEFINICIÓN ......................................................................................... 70 3.2.2 HISTORIA ............................................................................................. 71 3.2.3 MODELO DE TRABAJO FEA ............................................................... 72 3.3 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL MODULO DE SIMULACIÓN DE MATERIALES EN SOLIDWORKS ..................................................................... 73 3.3.1 ANÁLISIS ESTÁTICO .......................................................................... 73 3.3.2 ESTUDIO DE PANDEO Y FRECUENCIA ............................................ 73 3.3.3 ESTUDIO TÉRMICO ............................................................................. 74 3.3.5 ESTUDIO DE FATIGA ......................................................................... 74 3.3.6 ESTUDIO DE DISEÑO ......................................................................... 74 3.4 CONSTRUCCIÓN Y DESARROLLO DE LA SIMULACIÓN ........................ 75 3.4.1 DEFINICIÓN DE ESTUDIOS A REALIZAR .......................................... 75 3.4.2 MODELOS A SIMULAR ........................................................................ 75 3.4.3. DESARROLLO DE LA SIMULACIÓN .................................................. 76 3.5 ANÁLISIS DE DATOS Y RESULTADOS ..................................................... 89 3.5.1 PARAMETRIZACIÓN SOLVER ............................................................ 89 3.5.2 ANÁLISIS ESTUDIO ESTÁTICO ............. ¡Error! Marcador no definido. 3.5.3 ANÁLISIS ESTUDIO DE PANDEO ....................................................... 91 3.5.4 ANÁLISIS ESTUDIO DE FRECUENCIA ............................................... 93 3.5.5 ANÁLISIS DEL MODELO SELECCIONADO ...................................... 104 3.5.6 LIMITACIONES DEL ESTUDIO DE SIMULACIÓN ............................. 106 4. CAPITULO 4. DESARROLLO DEL PROTOTIPO ........................................... 107 4.1 IDENTIFICACIÓN DE MATERIALES ........................................................ 107 4.2 ELABORACIÓN DEL MODULO ................................................................ 110 5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .................................................. 115 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................... 116 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Centro Curso de Horticultura Protegida ............................................... 17 Figura 1.2 Esquema Sistema Aeropónico ............................................................. 18 Figura 1.3 Corte de sistema aeropónico primario de crecimiento de plantas. ....... 25 Figura 1.4 Modelo aeropónico de baja presión horizontal ..................................... 26 Figura 1.5 Diseño aeropinico de alta presión propuesto por Harwood (2009) ...... 27 Figura 1.6 Modelo aeropónico comercial desarrollado por Thomas (2009) .......... 28 Figura 2.1 Modelo Rotacional Vertical Rosas y Huertas (2012) ............................ 35 Figura 2.2 Modulo de elasticidad polímeros termoplásticos .................................. 44 Figura 2.3 Resistencia a la tensión polímeros termoplásticos ............................... 44 Figura 2.4 Limite de rotura y fluencia de aceros SAE de bajo y medio carbono . 51 Figura 2.5 Construcción geometría y extrusión de la columna de 8 caras ............ 58 Figura 2.6 Extrusión corte interno de columna ...................................................... 58 Figura. 2.7 Extrusión de agujeros por matriz geométrica, equidistantes a 150 mm .............................................................................................................................. 59 Figura 2.8 Definición de sujeción en la parte superior de la columna ................... 59 Figura 2.9 Esquema general del diseño propuesto para las columnas de producción ............................................................................................................. 60 Figura 2.10 Detalle Base giratoria ......................................................................... 61 Figura 2.11 Detalle sujeción base giratoria a columna en uno de los extremos .... 62 Figura: 2.12 Detalle sujeción base giratoria a columna en el extremo opuesto .... 62 Figura 2.13 Plano completo de la base giratoria ................................................... 63 Figura 2.14 Diseño de la ubicación barra luces LED en estrella ........................... 64 Figura 2.15 Generalidades construcción soporte estrella ..................................... 65 Figura 2.16 Ensamble general de los elementos pertenecientes a la propuesta de diseño de un sistema aeropónico vertical. ............................................................ 66 Figura 2.17 Diagrama de flujo proceso de producción de lechugas por medio aeropónico............................................................................................................. 67 Figura 3.1 Estudio de Simulación Estática ............................................................ 77 Figura 3.2 Estudio de Simulación Estática Materiales ........................................... 78 Figura 3.3 Estudio de Simulación Estática Sujeciones .......................................... 79 Figura 3.4 Estudio de Simulación aplicación de cargas. ....................................... 81 Figura 3.5 Generación del mallado estándar......................................................... 82 Figura 3.6 Mallado estándar .................................................................................. 82 Figura 3.7 Estudio de Simulación resultados. ....................................................... 83 Figura 3.8 Parametrización Solver ........................................................................ 89 Figura 3.9 Ingreso evaluación de muestras y parámetros de prueba de hipótesis 99 Figura 3.10. Informe sobre potencia de una prueba de hipótesis de medias ...... 100 Figura 3.11. Diagrama de dispersión de desplazamientos de los diseños evaluados. ........................................................................................................... 101 Figura 3.12. Resultado prueba de hipótesis de medias en Minitab ..................... 102 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1 Tiempos de Cosecha agricultura tradicional .......................................... 21 Tabla 1.2 Tabla de rendimiento comparativo entre agricultura tradicional y cultivos Hidropónicos ......................................................................................................... 22 Tabla 2.1 Generalidades modelo Rosas y Huertas (2012) .................................... 35 Tabla 2.2 Caracterización de materiales termoplásticos ....................................... 41 Tabla 2.3 Termoplásticos con mejores propiedades mecánicas ........................... 45 Tabla 2.4 Relación costo por volumen unitario con relación al costo acero al carbono ................................................................................................................. 47 Tabla 2.5 Propiedades mecánicas típicas de aceros al carbono y aleados seleccionados en el estado de laminado en caliente, normalizados y recocidos. . 49 Tabla. 2.6 Definición combinación de características columnas prototipo a simular .............................................................................................................................. 56 Tabla 3.1 Modelos propuestos de simulación. ...................................................... 76 Tabla 3.2 Tabla de Fuerzas aplicadas .................................................................. 80 Tabla 3.3 Tabla de Análisis Estático ..................................................................... 91 Tabla 3.4 Tabla de Análisis Estudio de Pandeo. ................................................... 91 Tabla 3.5 Tabla de Análisis Estudio de Frecuencias ............................................. 93 Tabla 3.6 Columna de datos en Y para prueba de hipótesis de medias en Minitab .............................................................................................................................. 99 Tabla 3.7 Análisis de intervalos de medias que no difieren entre sí .................... 103 Tabla 3.8 Factor de Seguridad Estudio de Pandeo ............................................. 105 Tabla 4.1 Identificación de materiales para el desarrollo del prototipo ................ 107 Tabla. 4.2 Descripción elaboración prototipo ...................................................... 110 ÍNDICE DE ANEXOS ANEXO A Análisis ABS 6C 2200 Milímetros ........................................................... 1 ANEXO B Análisis ABS 8C 1800 Milímetros ......................................................... 21 ANEXO C Análisis ABS 8C 2200 Milímetros ......................................................... 37 ANEXO D Análisis HIPS 6C 2200 Milímetros........................................................ 55 ANEXO E Análisis HIPS 8C 1800 Milímetros ........................................................ 74 ANEXO F Análisis HIPS 8C 2200 Milímetros ........................................................ 92 ANEXO G Análisis PET 6C 2200 Milímetros ....................................................... 112 ANEXO H Análisis PET 8C 1800 Milímetros. ...................................................... 129 ANEXO I Análisis HIPS 6C 1800 Milímetros. ..................................................... 148 ANEXO J Análisis PET 8C 2200 Milímetros ........................................................ 159 ANEXO K Modelos matemáticos estudiados………………………………………..176 INTRODUCCIÓN La agricultura es uno de los sectores económicos más importantes del mundo y ha sido la base fundamental del crecimiento organizacional que los seres humanos han tenido en los últimos siglos. Sin embargo se hace necesario recurrir a alternativas de producción agrícola que beneficien el medio ambiente y a su vez contribuya a la sostenibilidad alimentaria generada por la alta demanda de estos y del crecimiento poblacional que se registra constantemente. Existen alternativas de producción, como la hidroponía o aeroponía, que entre otros beneficios ecológicos tiene la no erosión de suelos y la reducción del consumo de agua, además son una excelente opción de producción de alimentos, no sólo por los beneficios mencionados, sino además por la calidad de los elementos cultivados en el sistema. Estos sistemas son ampliamente conocidos y aplicados en países industrializados; en Colombia se conoce muy poco por la desaceleración de la participación económica de este sector en la economía nacional. Por esta razón se hace necesario estudiar e implementar en el futuro inmediato sistemas de producción aeropónicos, base del presente trabajo de grado, donde se da conocer la importancia y se evalúan temas técnicos, como la garantía en la implementación, y el diseño en condiciones reales y extremas. Es por eso que en el presente trabajo se realizó la evaluación de 12 posibles alternativas de diseños de las columnas de producción de un sistema de producción aeropónico basados en un modelo existente por medio de la amplia investigación en sistemas aeropónicos, teniendo en cuenta factores de diseño, tamaño y material de las columnas, sometiéndolas a estudios de análisis de pandeo, estático, de frecuencia y a fuerzas creadas en condiciones reales del sistema. La metodología utilizada se basó en la identificación del problema, en la búsqueda de modelos existentes, teniendo en cuenta diferentes materiales y características particulares de funcionamiento, la construcción de los posibles diseños y evaluación de los mismos. Hay que tener en cuenta que la incorporación de modelos matemáticos en la producción de cultivos ha permitido el uso de técnicas avanzadas para controlar el clima y factores y/o variables aleatorias que afectan el crecimiento de las plantas (Munack & Tantau, 1997), mas sin embargo por ser este un tema de validación del diseño de un prototipo productivo mejorado, los modelos matemáticos del crecimiento de plantas no afectan el desarrollo de este proyecto. Finalmente la importancia del presente proyecto radica en la viabilidad operativa que existe al desarrollar un modelo nuevo y aplicable a la industria colombiana que como se mencionó anteriormente carece de avances en este sector económico.