•• ••

•• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• ••• •• •• ••• ••

•

INFORME TECNICO FINAL

CODIGO

203-3493 TITULO PROYECTO INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE UN PROCESO PRODUCTIVO BASADO EN MOLDES DESECHABLES DE RESINA PARA SERIES CORTAS EN COLADA DE POLIURETANO.

EMPRESA BENEFICIARIA MATRICERIA HISPANA S.A.

ENTIDAD EJECUTORA MATRICERIA HISPANA S.A.

MARZO 2004

•• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• ••• •• •• ••• ••

I A.

RESUMEN EJECUTIVO

1. Antecedentes de la empresa Matricería Hispana fue creada en 1988 según consta en escritura pública fechada el 01 de Diciembre de 1988. Se forma como respuesta a la necesidad de Busanc, empresa relacionada que elaboración y comercialización de suelas sintéticas de calzado (poliuretano, termoplásticos y caucho). El objetivo de su formación fue proveer a Busanc de moldes para suelas, más económico y de mejor calidad comparada a la ofrecida por el mercado. Para estos efectos Matricería Hispana debió desarrollar procesos productivos que redujeran los costos de los moldes, en las fases de diseño, matricería y moldeado. De esta manera, la suma de esfuerzos de ambas empresas permitió ofrecer productos de mayor calidad a precios más razonables, adecuándose a las necesidades del fabricante de calzados. El propósito del negocio ha sido la fabricación de matrices en aluminio y acero. En una primera etapa, el equipamiento fue reducido y relativamente limitado en tecnología. No obstante, a partir de 1993 se adquiere nuevo equipamiento de origen español para copiado y fresado, de mayor calidad y mejor tecnología lo que permitió reducir los tiempos de fabricación de las matrices y mejorar su calidad. Algunos hitos en la empresa son: ./ En 1994 se adquiere tecnología italiana para mejorar la fabricación de los moldes mediante un nuev9, proceso de fundición. Esto permitió obtener sus propios moldes de aluminio de alta calidad. ./ En 1997 se adquiere una maquina de Código de control Numérico (CNC), una maquina digitalizadora en tres dimensiones y un software específico de manufactura y diseño. ./ En el año 2002 se adquirió tecnología para fabricar prototipos rápidos (PR). Esta nueva tecnología permite reducir en forma significativamente los tiempos de fabricación de maquetas.

2. Síntesis del proyecto de innovación Se requiere obtener una maqueta real con la mayor cantidad de detalles de geometría con el objeto de disminuir los tiempos y costos que implican la terminación de la misma por parte del artesano. Obtener un molde de bajo costo de producción en un material distinto al aluminio utilizado actualmente con lo que se evita el proceso de fundición con todos los costos que esto implica. Se experimentará con distintos tipos de resinas. La maqueta tiene que poder ser extraída del molde de resina una vez que ésta ha reticulado o fraguado. Esto es posible con la maqueta de PR ya que está construida de yeso con un ligante que es soluble en agua.

•• •• •• •• •• •• •• •• ••• •• •• •• •• •• ••• •• •• •• •• ••• •• •• ••• •• ••

Matricería Hispana posee actualmente dos maquinas de control numérico, una de ellas está exclusivamente destinada al mecanizado de maquetas. Al disminuir la carga de trabajo de esta máquina se podrá utilizar en la terminación del molde propiamente tal. El molde de resina tiene la ventaja de que no necesita de mano de obra calificada ni infraestructura especifica como es el caso de un molde fundido en aluminio. Los tiempos de fabricación de un molde de resina disminuyen notablemente ya que no están presentes los procesos de fundición de aluminio, fraguado de silicona, secado del yeso cerámico.

3. Principales resultados del proyecto De los resultados obtenidos podemos concluir que para la fabricación de un molde de resina epóxica para un tiraje de aproximadamente 6.000 pares (serie de 6 moldes, 1.000 pares por molde), tenemos un ahorro de un 15% por concepto de costo de fabricación y de casi 5 días menos para su puesta en marcha.

4. Impacto del proyecto Existe un ahorro significativo tanto en costo como en tiempo lo que nos permite atender un mercado cada vez más reiterativo en lo que se refiere a moldes de bajo ti raje.

I B.

Exposición del problema

1. Problema a resolver La tendencia del mercado es a la fabricación de zapatos en lotes más pequeños y en forma recurrente. Esto implica que un modelo se replica menos veces y con una menor amplitud de numeración, tendencia opuesta a la década anterior. A su vez, se amplía la variedad de modelos, lo multiplica las series de zapatos y los moldes para cada una de ellas. Esto trajo consigo complicaciones en la construcción de los moldes, como por ejemplo; ,¡'

,¡'

,¡' ,¡'

Ahora no es necesaria su durabilidad, porque no será ocupada en la siguiente temporada. Se requiere el molde con mayor urgencia, de esta forma el fabricante de zapatos puede incorporarse rápidamente a la moda de la siguiente temporada. Debe ser de menor costo. Debe ser desechable, ya que se eliminará al cabo del proceso de fabricación de la suela sintética.

Por tanto, Matricería Hispana necesita adaptarse al nuevo escenario del calzado, aportando con moldes de menor costo de producción, en menor tiempo y desechables, siempre manteniendo la resistencia y calidad requerida, pero para lotes más pequeños.

•• •• ••• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• ••• •• •• ••

En el 2002 se optó por adquirir tecnología de punta en prototipado rápido (PR) para el área de diseño y maquetería, la que permitiría reducir los tiempos y costos asociados a la construcción de la maqueta del molde. Esta nueva tecnología permite a Matricería Hispana fabricar maquetas en forma más eficiente, apoyando las demás fases productivas. A la vez, se hace una entrega más oportuna al cliente quien podrá evaluar el producto en forma previa a su fabricación, incorporarse rápidamente a la moda del momento. No obstante lo anterior, es insuficiente el esfuerzo ya que esto soluciona una parte de la problemática que es la maqueta. Matricería Hispana requiere que las fases productivas posteriores que construyen el molde impliquen un menor costo y el uso de materiales desechables como son las resinas. Siempre manteniendo la resistencia y calidad suficiente para lotes pequeños. Para ello se identificaron procesos productivos de bajo rendimiento, decidiendo su reemplazo por otros que teóricamente son más eficientes. Sin embargo, existen dificultades en estos nuevos procesos, ya que implica trabajar con materiales nuevos como es la resina epoxica, la cual debe soportar adecuadamente los procesos de colado del poliuretano de Busanc (temperatura, presión, manipulación, etc.). Para estos efectos se requierio investigar y experimentar los nuevos procesos de producción y materiales, de manera que permitan construir moldes de bajo costo, en menores tiempos y sean desechables.

2. Objetivos técnicos El objetivo técnico es desarrollar procesos productivos nuevos que permitan adecuarse en a las nuevas características de la demanda, la que está enfocada a series cortas de bajos volúmenes. Para ello Matricería Hispana debe experimentar con un nuevo proceso. Los parámetros de medición se centran en tres aspectos: ,¡' ,¡' ,¡'

Reducción de los costos Reducción de tiempos Resistencia del molde en la colada de poliuretano

Por tanto se deberán hacer diversas experimentaciones, entre los cuales destacamos los siguientes: ,¡'

,¡'

,¡'

Diseños para lograr maquetas óptimas en sus dimensiones para el nuevo proceso productivo. Pruebas en las maquetas prototipadas, los cuales a diferencia de los actuales deben ser desechables. Experimentar con los moldes en el proceso de colada de Poliuretano en Busanc. o o

Determinar el número de coladas que resiste el nuevo molde. Determinar por cada colada la calidad de las suelas.

••• •• •• •• ••• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• ••• •• •• •• •• •

3. Objetivos específicos

A. Diseñar un prototipo de molde de calzado Indicador de éxito: Diseño del prototipo de un molde de calzado que cumpla con los requerimientos técnicos para el nuevo proceso de moldeado para colada de Poliuretano.

B: Construcción de maquetas prototipadas Indicador de éxito: Una maqueta fabricada en un material desechable que se deshaga con agua, lo que facilita la construcción del molde en resina epoxica. Este material desechable en maquetas no es conocido en la industria del calzado.

C. Construcción de moldes prototipados Indicador de éxito: Seis moldes prototipados en diversas composición de resinas y otros materiales conductores de temperatura y humedad.

D. Experimentación con las cajas de moldes prototipados Indicador de éxito: Estos moldes prototipados permitirá efectuar pruebas en los procesos de colada de poliuretano, determinando la calidad de la suela sintética, tiempos y grados de deterioro, costos asociados a cada uno. Se harán pruebas hasta que el deterioro de las cajas no haga factible la continuidad de uso.

4. Tipo de inriovación Se espera que con moldes de resina epoxica se logre el objetivo de satisfacer las nuevas condiciones de la demanda, ya que los costos serán menores, la entrega será más oportuna y no existirán existencias pos temporada ya que los moldes serán desechables. La innovación consistió en un nuevo proceso - para hacer moldes de calzado. Se reemplazará un proceso que consume - gran cantidad de recursos tecnológicos, materiales y horas hombre especializada, que no es eficiente en los tiempos entrega y no es capaz de absorber demandas de bajo volumen - por uno que utiliza tecnología de punta (PR) para hacer maquetas rápida y de bajo costo, más la flexibilidad del proceso para hacer un moldes con materiales desechables como es la resina epoxica. Esta innovación está pensada para favorecer la línea de colada continua de Busanc, la cual es la que mayor aporte hace a las ventas totales. El incremento de las ventas Busanc implica un aumento directo en las ventas de Matricería Hispana, por el mayor volumen de moldes.

••• •• •• •• •• ••• •• •• •• •• •• •• ••• •• •• •• •• ••• •• ••• •• •• •• •• •

I C.

Metodología y plan de trabajo

1. Metodología desarrollada El método consiste en modelar tridimencionalmente el moldelo de la suela en el software Cimatron IT v 12. Se importará a este software los parámetros básicos de construcción de cualquier suela de calzado como son: contornos de calce, perfiles de pisada y de cierre del molde, detalles de la huella de la suela, etc. Para este efecto se utilizará la máquina digitalizadora Cyclone con lo cual se obtiene un archivo paramétrico en formato ASCCI, el que puede ser leído dentro del ambiente de Cimatron. Con estos datos bidimensionales y ocupando las herramientas de modelamiento de Cimatron se dibujará el modelo tridimensional. El modelo virtual así construido, antes de poder ser impreso en la máquina de PR Z400 debe ser traducido en formato STL, que son archivos de esterilitografía que tienen la característica de triangularizar todas las superficies. Para esto se utilizará un software especializado para este objeto llamado Magics STL fix. Posteriormente el modelo virtual está listo para ser impreso en la máquina de Prototipo Rápido. El proceso de impresión está determinado por el volumen de la maqueta. La otra maqueta ya sea izquierda o derecha se crea con el uso del comando Mirror dentro del software nativo de la máquina. La maqueta después del proceso de impresión debe ser infiltrada con acrílico para que el modelo adquiera la resistencia adecuada para su manipulación y posterior pulido de la misma. Dependiendo de cual sea el caso puede ser necesario pegar texturas especificas a la maquina. En este punto la maqueta está lista para ser usada como patrón para obtener el molde en resina. Esto se logra virtiendo sobre la maqueta la resina epoxica y esperando el tiempo para su fraguado. Posteriormente al fraguado se debe destruir la maqueta del interior de la resina para obtener la copia en negativo (resina epoxica) la que constituye la caja del molde. Se construirán moldes de resina, cada una con una composición distinta, de manera que las pruebas ayuden a determinar la más idónea para procesos industriales de colada de poliuretano.

••• •• •• •• ••• •• •• •• ••• •• •• •• ••• ••• •• •• ••• ••• •• •• •• •• ••• •

2. Plan de trabajo 1

r 112 1Etapa "

718

ulseno prototipo Digitalizar horma Digitalizar huella de la suela Adaptar la huella digitalizada al contorno real de la horma Diseñar en 20 la suela Importar el diseño 20 dentro de Cimatran Diseñar en 3D la suela en Cimatran Empalmar las superficies del modelo 3D Crear y editar un archivo STL Corecciones diseno prototipo

Etapa ¡l:

MESES 314 516

x x x x x x x x

x x x

x

x

x x x x x x

x x x x x x

x x x x x x

x x x x

x x x x

x

x

x x x x

x x x x

c;onstrucaon maquetas prototipos Imprimir la maqueta 3D Limpiar la maqueta Infiltrar la maqueta Pulir la maqueta Pegar a la maqueta texturas faltantes Preparar la maqueta para la resina

tapa U: CClnstrucaon de moldes prototipos Construir molde en resina Construir tapa de molde en resina Cuadrar y hacer amarras de sujección Pulido y ajuste del molde final

MESES 1 1112131415161718 tapa LV:

pruebaS ae col3ao y resistencia Prueba prototipo versión 1 ExperimentaCión de resistencia del molde Experimentación de calidad de la suela poliuretano Prueba prototipo versión 2 Experimentación de resistencia del molde Experimentación de calidad de la suela poliuretano Prueba prototipo versión 3 Experimentación de resistencia del molde Experimentación de calidad de la suela poliuretano Prueba prototipo versión 4 Experimentación de resistencia del molde Experimentación de calidad de la suela poliuretano Prueba prototipo versión 5 Experimentación de resistencia del molde Experimentación de calidad de la suela poliuretano Prueba prototipo versión 6 Experimentación de resistencia del molde Experimentación de calidad de la suela poliuretano

Evaluadón técnica final de las pruebas Preparadón de los procedimientos de moldeo

x x x x x x x x x x x

x x

x x x x x

•• •• •• •• •• •• •• ••• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• ••• •• ••• •• •• •• •• •

3. Principales resultados Se construyeron 6 moldes en resina epóxica ocupando las siguientes formulaciones:

FORMULA N° N° N° N°

1 2 3 4

N° 5 N° 6

DESCRIPCION Resina Biresin G-26 con endurecedor G-26 y carqa Filmil AL(sin Gel Coat) Resina Biresin VP HTR con endurecedor Biresin VP HTR EDomil 411 con EDodur 140 y carqa Rlmil AL ( con Gel Coatl Resina Biresin GV-48 con endurecedor Biresin G-55 y carga Filmil AL (sin Gel Coat) Resina Biresin G-26 con endurecedor G-26y carga Filmil AL ( con Gel Coat) Resina Biresin GV-48 con endurecedor Biresin G-55 y carga Rlmil AL ( con Gel Coat)

DescripciÓn de la colada de resina Durante la colada de la resina para la fabricación de los moldes se observó que las fórmulas 3 y 4 tienen un curado lento de aproximadamente 5 horas, mientras que la fórmula 1 tiene un curado rápido de aproximadamente 3 horas. El resto de las formulaciones tienen un post life de 4 horas aproximadamente. Al realizar el proceso de la colada de la resina se observó que los moldes que no contenían Gel Coat no dieron una buena terminación superficial, es decir los con la fórmula 1 y 4, por lo tanto se descartaron de inmediato para las pruebas de colado con poliuretano. El Gel Coat es una resina que se aplica con brocha sobre la superficie de la maqueta con el objetivo de lograr una mejor terminación superficial, es decir una copia fiel de la superficie de la maqueta. Se experimentaron dos fórmulas sin este material para tener la experiencia empírica del comportamiento de la resina sin esta capa superficial, pero la superficie quedó con pequeños poros los que no se pueden permitir en este tipo de moldes. Todas las fórmulas excepto la nO 2 se le agregó la carga de aluminio Rlmil lo que da una buena estabilidad dimensional a la resina y además permite una buena disipación del calor característica muy importante en la colada de poliuretano. La f9rmula n02 ya viene con esta carga incorporada lo que la hace la más costosa de las 6 fórmulas. El recogimiento o encogimiento del molde de resina es de aproximadamente 1 a 2 mm, es decir un 0.8 % con respecto al largo de la maqueta. Esto se debe tener en cuenta al momento da fabricar la maqueta para compensar el encogimiento. Otro resultado observado en este mismo punto es que a mayor cantidad de carga de aluminio el recogimiento es menor. Con respecto al desmontaje de la maqueta del molde de resina, las 6 fórmulas tienen el mismo comportamiento, las cuales no presentan dificultades.

•• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• ••• •• •• ••• •• •• •• ••• •• •• •• •• •

Prueba de moldes con colada de poliuretano Las pruebas de los moldes fabricados con las fórmulas 2,3,5 y 6 se hicieron en condiciones normales, es decir tal como si fuera un molde de aluminio. Nuestro objetivo era obtener de cada molde aproximadamente 1000 coladas, lo que daría una producción de 6000 pares de suelas en una serie del 35 al 40. 6000 pares es una producción pequeña que no justifica la fabricación de moldes de aluminio porque no se alcanza a amortizar el costo del molde, pero si en el caso de moldes de resina. Resultados de cada molde en las pruebas de colada de poliuretano

Fórmula N° 2 : Resina Biresin VP HTR con endurecedor Biresin VP HTR Coladas

I

superficie temperatura desmoldaje

250 Buena Buena Buena

500 Buena Buena Buena

750 Buena Buena Buena

1000 Buena Buena Buena

Fórmula NO 3: Epomil 411 con Epodur 140 y carga Filmil AL (con Gel Coat) Coladas

I

superficie temperatura desmoldaie

250 buena buena buena

500 Buena Media Buena

750 8.egular Media Buena

1000 Mala Alta Buena

Fórmula N° 5 : Resina Biresin G-26 con endurecedor G-26 y carga Rlmil AL (con Gel Coat) Coladas

I

superficie temperatura desmoldaje

250 buena buena buena

500 Mala Media Buena

750 Mala Alta Buena

1000 Mala Alta Buena

Fórmula N° 6 : Resina Biresin GV-48 con endurecedor Biresin G-55 y carga Rlmil AL (con Gel Coat) Coladas superficie temperatura desmoldaje

I

250 buena buena buena

500 buena buena buena

750 Reqular Buena Buena

1000 Reqular Media Buena

Con estos resultados podemos concluir que la fórmula NO 2 (Resina Biresin VP HTR con endurecedor Biresin VP HTR ) cumple los objetivos planteados de completar 1000 coladas en buenas condiciones. La fórmula N° 3 llega a 500 coladas en buenas condiciones, la fórmula N° 5 no cumple ni con la mitad de la prueba y la fórmula NO 6 es similar a la NO 3 con la diferencia que se mantiene su condición de regular hasta los 1000 coladas.

•• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• •• ••• •• •• •• •• •• ••• •• •• •• •• ••

4. Análisis y conclusiones de los resultados De los resultados obtenidos podemos concluir que para la fabricación de un molde de resina epóxica para un tiraje de aproximadamente 6.000 pares (serie de 6 moldes, 1.000 pares por molde), tenemos un ahorro de un 15% por concepto de costo de fabricación y de casi 5 días menos para su puesta en marcha. Esto indica que se justifica la implementación de esta tecnología porque existe un ahorro significativo tanto en costo como en tiempo lo que nos permite atender un mercado cada vez más reiterativo en lo que se refiere a moldes de bajo tiraje.

I D.

Impacto del proyecto

Determinación de costos de los proceso

NO

Descripción

Digitalizar contornos y perfiles de la horma dadajlOJ' el cliente 1 DiQitalizar la huella de la suela 2 Adaptar la huella diQitalizada al contorno real de la horma 3 Obtener un diseño 2D de la suela 4 Importar el diseño 2D dentro de Surfcam 5 Programa de mecanizado de la maqueta en surfcam 6 Mecanizar maqueta en máquina de Control Numérico 7 Pulir el modelo 13 14 Pegarle al modelo las texturas Que no se pueden 10Qrar con la máquina Preparar el modelo para fundición 15 Obtener un nec¡ativo del modelo en caucho de silicona 16 Obtener una copia en yeso cerámico del modelo 17 Secar el modelo en yeso de toda el agua que tenga 18 Fundir el aluminio 19 Obtener el molde en aluminio a partir del modelo en yeso (caja) 20 Obtener a partir del molde ya fundido su tapa 21 Cuadrar y hacer amarras de suiección al molde completo (tapa Y caia) 22 23 DiQitalizar el contorno de la caia de aluminio para poder mecanizar su tapa ProQramar el mecanizado de la tapa 24 Mecanizar la tapa en máquina CNe 25 Dibujar el retacón del molde 26 Programar el meca·nizado del retacón 27 Mecanizar el retacón 28 Pulido y ajuste del molde final 29

PROCESO EN ALUMINIO TIempo / hrs. $ Mano Obra $ 3.281 15 $ 6.561 3 $ 4.374 2 2 $ 4.374 015 $ 328 8 $ 17.496 $ 13.122 6 1,5 $ 3.281 $ 2.187 1 3 $ 6.561 $ 26.244 12 05 $ 1.094 12 5 $ 10.935 5 1 $2.187 1 $ 2.187 $ 3.281 15 05 $ 1.094 $ 2.187 1 $ 3.281 15 $ 1.094 05 $ 4.374 2 $ 6.561 3

Q

TOTALI'--_ _ 74..:.,6_5.... 1_..:.$_1_26_.0_8....1 9,33

DIASI

••• •• •• •• •• •• •• ••• •• •• •• •• •• ••• •• •• •• •• ••• •• •• ••• •• •• •

NO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 20 21 28

Descripción

PROCESO EN RESINA

Diqitalizar contornos y perfiles de la horma dada por el cliente Diqitalizar la huella de la suela Adaptar la huella diqitalizada al contorno real de la horma Obtener un diseño 2D de la suela Importar el diseño 2D dentro de Cimatron Diseño tridimensional de la suela en Cimatron Cortar o empalmar perfectamente todas las superficies del modelo 3D Crear un archivo STL para poder imprimirlo en la máqUina de P. rápidO Editar el archivo STL en Maqics para obtener un modelo 3D cerrado Imprimir el modelo 3D en la máquina de P. rápido Limpiar el modelo del polvo restante no solidificado en el proceso Infiltrar el modelo para darle dureza y rigidez Pulir el modelo Peaarle al modelo las texturas que no se pueden loqrar con la máquina Preparar el modelo para la colada de resina eooxica Colada de resina epÓxica y desmoldaie Obtener a partir del molde de resina su tapa y desmoldaie Cuadrar y hacer amarras de sujección al molde completo (tapa y caja) Pulido~ ajuste del molde final

nemeo / hrs. 1,5 3 2 2 015 8 05 015 1 2 05 05 0,5 1 0,5 5 5 1 0,5

$ Mano Obra $ 3.281 $ 6.561 $ 4.374 $ 4.374 $ 328 $ 17.496 $ 1.094 $ 328 $ 2.187 $ 4.374 $ 1.094 $ 1.094 $ 1.094 $ 2.187 $ 1.094

$ 2.187 $ 1.094

TOTALI~____3~4~,8~1_____$~5~4_.2~3~81 4,35

DeterminaciÓn de costos de Materia Prima -

MOLDE DE ALUMINIO $ 23.320 $ 5.740 $ 18.000 $ 28.800 $ 2.600

MOLDE DE RESINA $ 108.360 $ 13.500 $ 2.600

Aluminio Petróleo Yeso Cerámico Silicona Depurante Resina de poliuretano

$ 8.600

Total

$ 87.060

Resina Epóxica (VP HTR) Yeso ZP-100 Gel Coat Infiltrante

$ 2.300

Total

$126.760

DeterminaciÓn de Costos Totales

PARTIDAS Proceso Materia Prima Total

ALUMINIO RESINA 126.081 87.060 54.238 126.760 213.141 180.998

DIASI

•• •• •• •• •• •• ••• •• •• ••• •• •• •• •• •• •• ••• •• •• •• •• •• •• •• •• ••