J LLanque_A Mantilla_Tesis_Titulo_Profesional_2023

•

USP-SP

Pedro

18/6/2024

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Facultad de Ingeniería
Carrera de Ingeniería Mecánica

Tesis:
“Diseño de una cortadora especializada para tubos metálicos en la industria
pesquera aplicando un entorno BIM”

Mantilla Pachamoro, Augusto Jesús
Llanque Peralta, José

para optar el Título Profesional de Ingeniero Mecánico

Asesor: Malpartida De La Cruz, Iván Adolfo

Lima – Perú
Diciembre; 2023
II

Institución: Universidad Tecnológica del Perú
El siguiente trabajo obtuvo un reporte de similitud con el siguiente porcentaje:

III

D
E
D
I
C
A
T
O
R
I
A

J.LL.P: Dedico este logro a mi querido
abuelo cuyo espíritu y valores siguen
iluminando mi camino desde el cielo, y a
mis padres, quienes han sido mi faro de
guía y mi fuente inagotable de amor y
apoyo. Este trabajo es un tributo a su
amor, confianza y constante inspiración
en mi vida.
A.M.P: A la memoria de mi amado abuelo
Uldarico, quien me sigue guiando en
cada paso de mi vida. Siempre estaré
agradecido por las lecciones de vida que
compartiste conmigo y por inspirarme a
seguir mis sueños.
IV

AGRADECIMIENTOS
V

J.LL.P: Agradezco a mi amada esposa
por su inquebrantable apoyo, amor y
paciencia a lo largo de este arduo camino.
Su cariño ha sido mi mayor fortaleza y
motivación.
A.M.P: Agradezco a mis amados padres
por su apoyo y sacrificio a lo largo de mi
vida. También quiero agradecer a mi
querida hermana por su respaldo y
comprensión
VI

RESUMEN
Esta tesis se enfoca en el diseño de una máquina cortadora de tubos, especializada para
realizar cortes de geometría irregular o tipo boca de pescado como los utilizados en
instalaciones pesqueras utilizando un enfoque de Building Information Modeling (BIM).
En la industria metalmecánica que atiende al sector pesquero, se carece de una solución
eficiente para realizar cortes de geometría irregular o tipo boca de pescado en tubos de
mayor diámetro. Los métodos tradicionales resultan lentos, imprecisos y costosos. Para
mejorar esa situación, se propone el desarrollo de un diseño de una maquina cortadora
de tubos capaz de llevar a cabo estos cortes de manera eficiente y precisa, ofreciendo
una solución innovadora para esta demanda específica.
El propósito general fue el diseño de una cortadora de tubos metálicos por plasma bajo
un entorno BIM para instalaciones pesqueras. Los propósitos específicos incluyeron
establecer los parámetros técnicos del diseño, calcular las dimensiones geométricas y
seleccionar el material apropiado, realizar la evaluación de los elementos críticos del
diseño y elaborar los planos de detalle.
Se utilizó la norma VDI para determinar los parámetros iniciales para luego desarrollar la
gestión del modelo con la metodología BIM. Asimismo, el cálculo para determinar las
dimensiones y seleccionar los materiales se corroboró mediante el análisis en ANSYS.
En esta investigación se evidenciaron las ventajas de usar BIM en el desarrollo de
equipos mecánicos detectando interferencias en las etapas iniciales de diseño lo que
VII

reduce los tiempos en la generación de planos. También, se comprobó que el plasma es
mucho más conveniente en cuanto a tiempo y calidad en el corte de los tubos de 4” hasta
8”.
Mediante el desarrollo de este diseño, se le brinda al sector metalmecánico una
alternativa más rápida en la realización de corte de tubos en comparación con los diseños
existentes, permitiendo aumentar su productividad, reducir costos en el mediano plazo y
cumplir con los requisitos de calidad. Además, al realizarse en un entorno BIM, se aporta
un nuevo enfoque al diseño mecánico.

VIII

ÍNDICE

DEDICATORIA .................................................................................................................III
AGRADECIMIENTOS ..................................................................................................... IV
NOMENCLATURA ....................................................................................................... XVII
ABREVIATURAS .......................................................................................................... XIX
LISTA DE FIGURAS ...................................................................................................... XX
LISTA DE TABLAS ..................................................................................................... XXV
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ XXIX
CAPÍTULO 1: REVISIÓN DE LA LITERATURA ACTUAL ............................................... 1
CAPÍTULO 2: MARCO TEÓRICO .................................................................................... 4
Calderería ........................................................................................................... 4 2.1
Tipos de corte ..................................................................................................... 4 2.2
2.2.1 Corte perpendicular o Boca de pescado: ................................................................. 4
2.2.2 Corte a 30 y 45 grados ............................................................................................. 5
Tecnología de Corte ........................................................................................... 6 2.3
2.3.1 Trazado ................................................................................................................... 6
2.3.2 Procesos de corte .................................................................................................... 7
 Oxicorte .............................................................................................................. 7
 Ventajas del corte por Oxicorte: .......................................................................... 8
 Desventajas del corte por Oxicorte: .................................................................... 8
 Aplicaciones del corte por Oxicorte ..................................................................... 8
 Plasma ............................................................................................................... 9
 Ventajas del corte por plasma ............................................................................ 9
IX

 Limitaciones del corte por plasma ......................................................................10
 Aplicaciones del corte por plasma .....................................................................10
 Chorro de Agua .................................................................................................11
 Ventajas del corte por chorro de agua ...............................................................12
 Desventajas del corte por chorro de agua .........................................................12
 Aplicaciones del corte por chorro de agua .........................................................12
2.3.3 Tipo de soldadura ...................................................................................................12
 Soladura eléctrica ..............................................................................................12
 Aplicaciones: .....................................................................................................13
 MIG (Metal Inert Gas) ........................................................................................13
 Aplicaciones: .....................................................................................................14
Norma VDI 2221 ................................................................................................15 2.4
2.4.1 Lista de Exigencias .................................................................................................162.4.2 Estructura de funciones ..........................................................................................16
2.4.3 Concepto de solución..............................................................................................17
2.4.4 Proyecto Definitivo ..................................................................................................17
BIM ....................................................................................................................18 2.5
2.5.1 Plan de ejecución BIM ............................................................................................18
2.5.2 Common Data Environment o Entorno Común de Datos - CDE ..............................19
2.5.3 Nivel de detalle - LOD .............................................................................................19
2.5.4 Nivel de grafico – LOG ............................................................................................20
2.5.5 Nivel de información - LOI .......................................................................................20
2.5.6 Roles BIM ...............................................................................................................21
2.5.7 Fases ......................................................................................................................22
2.5.8 Usos BIM ................................................................................................................22
Ventajas del uso de BIM ....................................................................................22 2.6
X

Desventajas del uso de BIM ..............................................................................24 2.7
Normas BIM .......................................................................................................24 2.8
2.8.1 Normas Nacionales: ................................................................................................24
2.8.2 Normas Internacionales: .........................................................................................25
Herramientas de diseño y análisis: ....................................................................25 2.9
2.9.1 Autodesk Inventor ...................................................................................................25
2.9.2 Simulaciones y análisis – ANSYS. ..........................................................................26
Herramientas de coordinación: ..........................................................................26 2.10
2.10.1 Autodesk Docs. .....................................................................................................26
2.10.2 One Drive ..............................................................................................................26
Material de corte ................................................................................................27 2.11
2.11.1 Tubos: ...................................................................................................................27
2.11.2 Espesores: ............................................................................................................27
2.11.3 Acero ....................................................................................................................27
2.11.4 Propiedades del acero ..........................................................................................28
Resistencia de materiales: .................................................................................28 2.12
2.12.1 Diagrama de cuerpo libre ......................................................................................28
2.12.2 Fuerza (F): ............................................................................................................29
2.12.3 Revoluciones por minuto (n): ................................................................................30
2.12.4 Velocidad angular (ω): ..........................................................................................30
2.12.5 Torque (T): ............................................................................................................30
2.12.6 Potencia (P): .........................................................................................................30
2.12.7 Fuerza de rozamiento (Fr):....................................................................................31
2.12.8 Coeficiente de rozamiento de materiales (μ) .........................................................31
2.12.9 Esfuerzos uniformemente distribuidos (σ): ............................................................31
2.12.10 Esfuerzos normales para vigas en flexión (σmax) ...............................................32
XI

2.12.11 Esfuerzo cortante máximo en un eje (τmax): .......................................................32
2.12.12 Sección circular solido (D) ...................................................................................32
2.12.13 Sección circular eje hueco (d) .............................................................................33
2.12.14 Modulo resistente de la sección. .........................................................................33
2.12.15 Tensión máxima debido a la flexión σf ................................................................33
2.12.16 Fuerzas en rodamiento .......................................................................................33
2.12.17 Fajas ...................................................................................................................34
2.12.18 Factor de carga (C2): ..........................................................................................34
2.12.19 Potencia calculada (PB): .....................................................................................34
2.12.20 Relación de transmisión (i): .................................................................................34
2.12.21 Diámetro de las poleas: ......................................................................................34
2.12.22 Dimensiones de las poleas: ................................................................................35
2.12.23 Desarrollo de referencia de la correa (Ldth): .......................................................35
2.12.24 Longitud estándar de la correa (Lst): ..................................................................35
2.12.25 Distancia entre ejes con correa estándar (anom): ...............................................35
2.12.26 Numero de correas trapeciales (Z): .....................................................................35
2.12.27 Resorte ...............................................................................................................36
2.12.28 Resistencia ultima a la tracción (Sut): .................................................................36
2.12.29 Resistencia del Resorte Material (Ssy): ...............................................................36
2.12.30 Diámetro medio (D med): ....................................................................................36
2.12.31 Índice del resorte (C): ..........................................................................................36
2.12.32 Efecto de curvatura (Kb): ....................................................................................37
2.12.33 Fuerza cortante directa (F): .................................................................................37
2.12.34 Módulo de rigidez (G): .........................................................................................37
2.12.35 Espiras Activas (Na): ...........................................................................................37
2.12.36 Escala de resorte (k): ..........................................................................................38
2.12.37 Longitud comprimida (Ls): ...................................................................................38XII

2.12.38 Longitud libre (L0): ..............................................................................................38
CAPÍTULO 3: METODOLOGÍA DE LA SOLUCIÓN .......................................................39
Esquema general de la metodología .................................................................39 3.1
VDI ....................................................................................................................40 3.2
3.2.1 Definir parámetros iniciales .....................................................................................40
Lista de exigencias ............................................................................................41 3.3
Estructura de funciones .....................................................................................45 3.4
3.4.1 Cuantificación .........................................................................................................45
3.4.2 Determinar los Principios Tecnológicos - Secuencias de Operaciones. ..................46
3.4.3 Procesos técnicos ...................................................................................................46
3.4.4 Procesos y sus limitaciones técnicas ......................................................................47
3.4.5 Designación de funciones .......................................................................................48
Conceptos de solución ......................................................................................49 3.5
Proyecto preliminar ............................................................................................56 3.6
3.6.1 Dimensiones preliminares .......................................................................................56
Proyecto definitivo .............................................................................................72 3.7
3.7.1 Parámetros de entrada ...........................................................................................72
3.7.2 Cálculo y selección de resorte ................................................................................73
3.7.3 Cálculo y selección del palpador .............................................................................77
3.7.4 Cálculo y selección de eje de trasmisión .................................................................81
3.7.5 Chaveta de eje ........................................................................................................90
3.7.6 Calculo y selección motorreductor ..........................................................................91
3.7.7 Calculo y selección de rodamientos y chumacera ...................................................95
3.7.8 Calculo y selección de poleas y fajas ......................................................................98
3.7.9 Calculo y selección Bastidor ................................................................................. 105
XIII

3.7.10 Calculo y selección de pistón para Bastidor Móvil ............................................... 113
3.7.11 Selección de sistema de sujeción: ...................................................................... 118
BIM .................................................................................................................. 120 3.8
Plan de ejecución BIM (PEB) ........................................................................... 120 3.9
3.9.1 Objetivo BIM ......................................................................................................... 120
3.9.2 Usos BIM .............................................................................................................. 121
3.9.3 Entregables BIM del proyecto ............................................................................... 122
3.9.4 Flujo de trabajo ..................................................................................................... 122
3.9.5 Infraestructura tecnológica .................................................................................... 125
3.9.6 Plataforma CDE .................................................................................................... 126
3.9.7 Nomenclatura de archivos .................................................................................... 127
3.9.8 Clasificación de colores ........................................................................................ 128
3.9.9 Nivel de desarrollo LOD ........................................................................................ 129
3.9.10 Estándar de dibujo 2D ......................................................................................... 129
3.9.11 Control de calidad ............................................................................................... 129
Ejecución del plan............................................................................................ 130 3.10
3.10.1 Elaboración del modelo ....................................................................................... 130
3.10.2 Control y aseguramiento del modelo ................................................................... 134
Generación de planos ...................................................................................... 145 3.11
Presupuestos ................................................................................................... 146 3.12
3.12.1 Fabricación de Piezas No normalizadas: ............................................................ 146
3.12.2 Piezas Normalizadas: ......................................................................................... 147
Eficiencia del Diseño en Comparación con el Corte Manual por Oxicorte ........ 149 3.13
3.13.1 Proceso de corte manual por oxicorte: ................................................................ 150
3.13.2 Proceso de corte mediante diseño de cortadora de plasma: ............................... 151
Costo - Beneficio ............................................................................................. 153 3.14
XIV

Plan de mantenimiento .................................................................................... 155 3.15
3.15.1 Mantenimiento Preventivo: .................................................................................. 155
3.15.2 Mantenimiento Predictivo: ................................................................................... 155
3.15.3 Mantenimiento Correctivo: .................................................................................. 156
3.15.4 Registro de Mantenimiento: ................................................................................ 156
3.15.5 Capacitación del Personal:.................................................................................. 156
3.15.6 Gestión de Residuos: .......................................................................................... 156
Diagrama de Flujo del Proceso de Fabricación ................................................ 157 3.16
3.16.1 Diseño:................................................................................................................ 157
3.16.2 Logística: ............................................................................................................ 157
3.16.3 Fabricación: ........................................................................................................ 157
3.16.4 Montaje: .............................................................................................................. 160
CAPÍTULO 4: RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................... 161
Resultados ...................................................................................................... 161 4.1
4.1.1 Colaboración a través de BIM ............................................................................... 161
4.1.2 Análisis de interferencia ........................................................................................162
4.1.3 Comparación con Métodos Tradicionales en la Industria Metalmecánica.............. 166
4.1.4 Elección del Corte por Plasma y Comparación con Otras Tecnologías ................. 168
4.1.5 Análisis de Elementos Finitos para la Resistencia de Materiales .......................... 170
 Eje de transmisión ........................................................................................... 170
 Bastidor ........................................................................................................... 172
 Conjunto de ajuste ........................................................................................... 174
Discusión ......................................................................................................... 176 4.2
CONCLUSIONES .......................................................................................................... 178
RECOMENDACIONES .................................................................................................. 180
XV

ANEXOS ....................................................................................................................... 182
Anexo 1: Árbol de problemas ......................................................................................... 182
Anexo 2: Árbol de objetivos ........................................................................................... 183
Anexo 3: Valores de C2 ................................................................................................. 184
Anexo 4: Optibelt Poleas acanaladas trapeciales DIN 2217 para correas trapeciales
clásicas .......................................................................................................................... 185
Anexo 5: Recorrido mínimo de ajuste x/y de la distancia entre ejes a nom .................... 186
Anexo 6: Constantes A y m para estimar la resistencia de tensión mínima de alambres
...................................................................................................................................... 186
Anexo 7: Propiedades mecánicas de alambres para resortes ........................................ 187
Anexo 8: Fórmulas para calcular las dimensiones de los resortes de compresión ......... 187
Anexo 9: Perfil C para la zona A y B .............................................................................. 188
Anexo 10: Perfil Angulo 01 para la zona C (motorreductor) ........................................... 188
Anexo 11: Perfil ángulo 02 para la zona C (bastidor móvil) ............................................ 189
Anexo 12: Designación de pistón - Cilindro hidráulico marca SMC ................................ 189
Anexo 13: Dimensiones del pistón seleccionado ........................................................... 190
Anexo 14: Norma ASTM A36 ......................................................................................... 191
Anexo 15: Norma ASTM A229 ....................................................................................... 195
Anexo 16: Norma ASTM A709 ....................................................................................... 199
Anexo 17: 00-DWG Plano de ensamble general Cortadora de tubos ............................. 207
Anexo 18: 00-DWG_001 Plano de explosión Cortadora de tubos .................................. 208
Anexo 19: 01-DWG Plano de ensamble Bastidor ........................................................... 209
Anexo 20: 01-DWG_001 Plano de explosión Bastidor ................................................... 210
XVI

Anexo 21: 01-01-DWG_001 Plano de ensamble Base bastidor ..................................... 211
Anexo 22: 01-02-DWG_002 Plano de ensamble tubo soporte guía ............................... 212
Anexo 23: 01-03-DWG_003 Plano de despiece tapa de ajuste de resorte ..................... 213
Anexo 24: 02-DWG Plano de ensamble Conjunto Transmisión ..................................... 214
Anexo 25: 02-DWG Plano de explosión conjunto transmisión ........................................ 215
Anexo 26: 02-01-DWG_001 Plano de despiece eje transmisión .................................... 216
Anexo 27: 02-02-DWG_002 Plano de despiece brida partida ........................................ 217
Anexo 28: 03-DWG Plano de ensamble mordaza a plantilla .......................................... 218
Anexo 29: 03-DWG_001 Plano de explosión mordaza plantilla ..................................... 219
Anexo 30: 03-01-DWG_001 Plano de despiece disco soporte a plantilla ....................... 220
Anexo 31: 02-02-DWG_002 Plano de despiece plaza izquierda .................................... 221
Anexo 32: 03-03-DWG_003 Plano de despiece placa derecha ...................................... 222
Anexo 33: 03-04-DWG_004 Plano de despiece tapa izquierda ...................................... 223
Anexo 34: 03-05-DWG_005 Plano de despiece tapa derecha ....................................... 224
Anexo 35: 03-05-DWG_006 plano de despiece ............................................................. 225
Anexo 36: 04-DWG Plano de ensamble mordaza a tubo ............................................... 226
Anexo 37: 04-DWG_001 Plano de explosión mordaza a tubo ........................................ 227
Anexo 38: 04-01-DWG_001 Plano de despiece disco soporte a tubo ............................ 228
Anexo 39: 04-02-DWG_002 plano de despiece mordaza a tubo .................................... 229
Anexo 40: 05-DWG Plano de ensamble conjunto de ajuste ........................................... 230
Anexo 41: 05-DWG_001 Plano de explosión conjunto de ajuste ................................... 231
Anexo 42: 05-01-DWG_001 Plano de despiece cono de ajuste ..................................... 232
Anexo 43: 05-02-DWG-002 Plano de despiece esparrago ¾” x 1m ............................... 233
XVII

Anexo 44: 05-03-DWG-003 Plano de ensamble de manivela ........................................ 234
Anexo 45: 06-DWG Plano de ensamble conjunto palpador ........................................... 235
Anexo 46: 06-DWG_001 Plano de explosión de conjunto palpador ............................... 236
Anexo 47: 06-01-DWG_001 Plano de ensamble soporte palpador ................................ 237
Anexo 48: 06-02-DWG_002 Plano de despiece diversas piezas.................................... 238
Anexo 49: 06-04-DWG_003 Plano de despiece palpador .............................................. 239
Anexo 50: 07-DWG Plano de ensamble conjunto soporte a boquilla de corte ................ 240
Anexo 51: 07-DWG_001 Plano de explosión conjunto soporte a boquilla de corte ........ 241
Anexo 52: 07-01-DWG_001 Plano de ensamble soporte de boquilla ............................. 242
Anexo 53: 07-02-DWG_002 Plano de ensamble porta boquilla ..................................... 243
Anexo 54: 08-DWG Plano de ensamble bastidor móvil .................................................. 244
Anexo 55: 08-01-DWG_001 Plano de ensamble base bastidor móvil ............................ 245
Anexo 56: 08-02-DWG_002 Plano de ensamble y despiece conjunto bastidor móvil ..... 246
Anexo 57: 08-03-DWG_003 Plano de despiece piezas diversas ................................... 247
Anexo 59: 10-DWG Plano de ensamble polea móvil ...................................................... 249
Anexo 60: 11-DWG Plano de ensamble resorte dinámico ............................................. 250
Anexo 61: 12-DWG Plano de despiece plantilla de 4” .................................................... 251
Anexo 62: 13-DWG Plano de despiece plantilla de 6” .................................................... 252
Anexo 63: 14-DWG Plano de despiece plantilla de 8” .................................................... 253
GLOSARIO ................................................................................................................... 254
BIBLIOGRAFÍA............................................................................................................. 256

XVIII

NOMENCLATURA
Notación Definición

V Esfuerzos cortantes
M Momento flexionante
F Fuerza (N).
M Masa (kg).
G Gravedad de 9.8 m/s
Vt Velocidad tangencial (mm/min).
Dn Diámetro estimado (mm).
n Revoluciones por minuto
Vt Velocidad tangencial (mm/min).
R Radio (m).
T Torque (N.m)
ω Velocidad angular (rad/min)
μ Coeficiente de rozamiento.
N Esfuerzo normal
A Área (mm2)
Mf Momento flexionante (N. mm)
τmax Esfuerzo cortante máximo en el eje (N/mm2)
J Momento polar de inercia del área de la sección transversal
Wnec Módulo de la sección transversal (mm−3), se puede reescribir también
IC
C capacidad de carga dinámica, N
L10h duración nominal en horas de servicio.
P rod carga dinámica equivalente sobre el rodamiento
p exponente de la fórmula de duración
P Potencia del reductor (Hp)
XIX

C2 Factor de carga n1 Revoluciones de polea conducida motriz n2 Revoluciones de polea conducida d1 Diámetro de polea motriz d2 Diámetro de polea conducida
a distancia entre ejes (mm) Lst Longitud estándar de la correa. Ldth Desarrollo de referencia de la correa. PB Potencia calculada (kW) C2 Factor de carga PN Potencia nominal (kW) C1 Factor de Angulo C3 Factor de desarrollo
m constante del material
A Constante (MPa. mmm) Sut Resistencia ultima a la tracción. Ssy Resistencia del Resorte Material.
Kb Efecto de curvatura.
G Módulo de rigidez.
Na Espiras Activas.
k Escala de resorte.
Ls Longitud comprimida.
Lo Longitud libre

ABREVIATURAS
Notación Definición

BIM Building Information Modeling
VDI Verein Deutscher Ingenieure
ICE Integrated Concurrent Engineering o Sesiones de Ingeniera Concurrente
CDE Common Data Environment o Entorno Común de Datos
LOG Nivel de grafico
LOD Level of detail o nivel de detalle
LOI Level of Information o nivel de información
BEP BIM Execution Plan o Plan de Ejecución BIM
CTB Cortadora de tubos BIM
NWD Navisworks Document
NWF Navisworks File set
IAM Inventor assembly
IPT Inventor part
IDW Inventor drawing
ACC Autodesk Construction Cloud

XXI

LISTA DE FIGURAS
Figura Titulo Página

Figura 1: Inserto de dos tubos formando la boca de pescado [17]. 5
Figura 2: Insertos de tubos a diferentes ángulos [17]. 5
Figura 3: Trazado de rectas sobre pieza plana [16]. 6
Figura 4: Desarrollo de plantilla para tubo [17]. 7
Figura 5: Sistema de oxicorte [18]. 7
Figura 6: Sistema de corte por plasma [12]. 9
Figura 7: Esquema del conjunto de una boquilla de corte por chorro de agua [12]. 11
Figura 8: Esquema general para soldar por arco eléctrico [19] 13
Figura 9: Esquema general del proceso de soldadura MIG [18]. 14
Figura 10: Proceso General del Desarrollo y Diseño VDI 2221 [20]. 15
Figura 11: Modelo de lista de exigencia [20]. 16
Figura 12: Maquina como caja negra [20]. 16
Figura 13: Matriz morfología [20]. 17
Figura 14: Ciclo de vida BIM [22]. 18
Figura 15: Entono común de datos según ISO 19650 [21]. 19
Figura 16: Esquema sobre composición de LOD. 19
Figura 17: Nivel de detalle LOD [24]. 20
Figura 18: Grafica de usos BIM de acuerdo con su aplicación [23]. 22
Figura 19: Descripción general de Autodesk Docs. [32] 26
Figura 20: Esquema general de OneDrive [33]. 27
Figura 21: Diagrama de cuerpo libre [36]. 28
Figura 22: Esfuerzo cortante y momento flector, convección de signos de flexión y de
corte [36]. 29
Figura 23: Esquema de desarrollo de metodología 39
XXII

Figura 24: Proceso actual de corte de tubos 40
Figura 25: Esquema de caja negra 45
Figura 26: Conjunto de funciones 48
Figura 27: Concepto 01 52
Figura 28: Concepto 02 53
Figura 29: Concepto 03 54
Figura 30: Formas de entalles y plantillas para tubo. 56
Figura 31: Secuencia del principio de pantógrafo con plantilla, palpador y resorte. 57
Figura 32: Resorte estirado punto bajo de plantilla 58
Figura 33: Resorte en compresión punto alto de plantilla 58
Figura 34: Componentes de la cortadora 61
Figura 35: Ubicación del bastidor móvil 62
Figura 36: Plantilla de tubo de 4” 62
Figura 37: Bastidor móvil 63
Figura 38: Ubicación de tablero de control 63
Figura 39: Cortadora de tubos 64
Figura 40: Posición del motor y reductor 65
Figura 41: Sistema de ajuste de mordazas 65
Figura 42: Mordaza de ajuste 66
Figura 43: Sistema de resorte 66
Figura 44: Proyecto preliminar 1 67
Figura 45: Proyecto preliminar 2 67
Figura 46: Proyecto preliminar 3 68
Figura 47: Valoración de las alternativas 71
Figura 48: Esquema general de fuerzas sobre el sistema palpador. 78
Figura 49: Fases de giro del sistema palpador y plantilla 79
XXIII

Figura 50: Detalle palpador y plantilla con sus respectivas fuerzas de rozamiento Fr y
fuerza del resorte Fz. 79
Figura 51: Esquema de dimensiones preliminares de eje 81
Figura 52: Diagrama de fuerzas en eje 84
Figura 53: Cuadro de Shaft Component Generator – Autodesk Inventor 84
Figura 54: Diagrama de esfuerzos cortantes en eje 85
Figura 55: Diagrama de esfuerzos cortantes en eje 85
Figura 56: Diagrama de momento flector en eje 86
Figura 57: Dimensiones de barras redondas Lisas y pulidas [39]. 88
Figura 58: Propiedades mecánicas de barras redondas Lisas y pulidas [39]. 89
Figura 59: Cargas admisibles de la chumacera SNL 207 + 1207 96
Figura 60: Dimensiones generales de la chumacera SNL 207 + 1207 97
Figura 61: Correas trapeciales clásicas Optibelt VB DIN 2215 [49] 99
Figura 62: Propiedades mecánicas de Planchas A709 LAC [39] 102
Figura 63: Diagrama de cuerpo libre 105
Figura 64: Aplicación de fuerzas sobre el modelo Autodesk Inventor 106
Figura 65: Secciones del soporte base 106
Figura 66: Análisis de esfuerzos máximos en Autodesk Inventor 110
Figura 67: Análisis de desplazamientos en Autodesk Inventor 111
Figura 68: Diagrama de fuerzas sobre bastidor móvil 113
Figura 69: Diagrama de triángulo ABC 114
Figura 70: Diagrama de triángulo DCE 114
Figura 71: Diagrama de fuerzas 115
Figura 72: Abertura de pistón en tubos de 4” a 8”. 116
Figura 73: Sistema de sujeción 118
Figura 74: Recorrido de conos para tubo de 4" 118
Figura 75: Recorrido de conos para tubo de 8" 119
XXIV

Figura 76: Flujo de software BIM. 122
Figura 77: Flujo de coordinación de maqueta. 123
Figura 78: Flujo para simulación del modelo 124
Figura 79: Flujo de carpetas dentro del CDE. 126
Figura 80: Membrete del proyecto. 129
Figura 81: CDE - OneDrive 130
Figura 82: CDE – Autodesk Construction Cloud 131
Figura 83: Nomenclatura de archivos en OneDrive y Autodesk Construction Cloud 131
Figura 84: Ensamble de cortadora de tubos en Autodesk Inventor 132
Figura 85: Planos en Autodesk Inventor 132
Figura 86: Integración de modelo en Autodesk Navisworks 133
Figura 87: Gestión del modelo en Autodesk Construcción Cloud 133
Figura 88: Matriz de interferencias 134
Figura 89: Desfase de chumacera respecto de la base 134
Figura 90: Desfase de eje respecto de chumaceras 135
Figura 91: Modelo con interferencias 135
Figura 92: Detalle de incidencias en ACC 136
Figura 93: Sesión ICE: Uso de MsTeams para revisión de incidencia Autodesk
Construction Cloud. 137
Figura 94: Sesión ICE: Uso de MsTeams para registro de incidencia Autodesk
Construction Cloud 137
Figura 95: Mallado del eje de transmisión 138
Figura 96: Diagrama de cuerpo libre del eje de transmisión 139
Figura 97: Esfuerzos en el eje de transmisión 139
Figura 98: Deformación en el eje de transmisión 140
Figura 99: Factor de seguridad en el eje de transmisión 140
Figura 100: Mallado de bastidor 141
XXV

Figura 101: Diagrama de cuerpo libre de bastidor 141
Figura 102: Esfuerzos en bastidor 142
Figura 103: Deformación en bastidor 142
Figura 104: Mallado de conjunto de ajuste 143Figura 105: Diagrama de cuerpo libre de conjunto de ajuste 143
Figura 106: Esfuerzos en el conjunto de ajuste 144
Figura 107: Deformación en el conjunto de ajuste 144
Figura 108: Planos generados del modelo BIM. 145
Figura 109: Flujo de proceso de fabricación 157
Figura 110: Flujo de proceso de soldadura 158
Figura 111: Flujo de proceso de mecanizado - Torno. 158
Figura 112: Flujo de proceso de mecanizado - Fresa. 159
Figura 113: Flujo de proceso de taladrado. 159
Figura 114: Flujo de proceso de corte. 160
Figura 115: Secuencia general de montaje del equipo cortador. 160
Figura 116: Comparación de tiempos de proceso de corte en segundos 169
Figura 117: Ubicación del punto E en el DCL del eje de transmisión 170
Figura 118: Ubicación del punto B en el DCL del eje de transmisión 172
Figura 119: Ubicación del punto A en el DCL del eje de transmisión 174

XXVI

LISTA DE TABLAS
Tabla Titulo Página

Tabla 1: Tabla de nivel grafico LOG [24]. .........................................................................20
Tabla 2: Definición de niveles LOI [24]. ............................................................................21
Tabla 3: Propiedades del acero [37], [38] y [39] ...............................................................28
Tabla 4:Tabla de coeficientes de rozamiento [42] ............................................................31
Tabla 5: Lista de exigencias .............................................................................................41
Tabla 6: Matriz morfológica ..............................................................................................49
Tabla 7: Valoración del concepto de solución ..................................................................55
Tabla 8: Especificaciones del acero 8" [45] ......................................................................59
Tabla 9: Ficha técnica equipo Powermax 65 SYNC [46] ..................................................60
Tabla 10: Componentes principales de cortadora ............................................................61
Tabla 11: Valor técnico del proyecto ................................................................................69
Tabla 12: Valor económico del proyecto ..........................................................................70
Tabla 13: Resumen de valorización .................................................................................71
Tabla 14: Dimensiones preliminares ................................................................................72
Tabla 15: Esfuerzos de torsión máximos permisibles de resortes helicoidales de
compresión en aplicaciones estáticas [36]. ......................................................................74
Tabla 16: Resumen de características del resorte. ..........................................................76
Tabla 17: Resumen de esfuerzos sobre eje .....................................................................86
Tabla 18: Resumen de esfuerzos sobre eje .....................................................................89
Tabla 19: Tabla de dimensiones de chaveta DIN 6885 [47] .............................................90
Tabla 20: Selección del reductor [48]. ..............................................................................93
Tabla 21: Dimensiones de motorreductor [48]..................................................................94
Tabla 22: Selección de motor [48]. ...................................................................................94
Tabla 23: Resumen de esfuerzos sobre eje .....................................................................95
XXVII

Tabla 24: Resumen de características del rodamiento .....................................................97
Tabla 25: Dimensión de perfil Correas trapeciales clásicas B/17 [49] ..............................99
Tabla 26: DIN 2217 para correas trapeciales clásicas [49]............................................ 101
Tabla 27: Optibelt VB Correas trapeciales clásicas DIN 2215 [49] ................................. 103
Tabla 28: factor de ángulo de contacto c1 [49]............................................................... 103
Tabla 29: Factor de desarrollo C3 para correas trapeciales estrechas [49] .................... 104
Tabla 30: Resumen de características de polea y faja ................................................... 105
Tabla 31: Cargas en sección A ...................................................................................... 107
Tabla 32: Cargas en sección B ...................................................................................... 107
Tabla 33: Cargas en sección C ...................................................................................... 107
Tabla 34: Cargas de torque y fuerza constante en secciones ........................................ 108
Tabla 35: Carga en N con factor de seguridad ............................................................... 108
Tabla 36: Cargas de torque y fuerza constante con factor de seguridad ........................ 109
Tabla 37: Propiedades mecánicas del acero ASTM A36 ............................................... 109
Tabla 38: Perfiles Preseleccionados para bastidor ........................................................ 109
Tabla 39: Cuadro de esfuerzos máximos por sectores y tipos de perfil. ......................... 110
Tabla 40: Cuadro de desplazamientos por sectores y tipos de perfil. ............................. 111
Tabla 41: Resumen de características del rodamiento ................................................... 112
Tabla 42: Resumen de características del rodamiento ................................................... 117
Tabla 43: Resumen de características del sistema de sujeción ..................................... 119
Tabla 44: Tabla de usos BIM del modelo ....................................................................... 121
Tabla 45: Entregables del proyecto ................................................................................ 122
Tabla 46: Infraestructura tecnológica ............................................................................. 125
Tabla 47: Plataformas de comunicación ........................................................................ 125
Tabla 48: Plataformas en la nube .................................................................................. 125
Tabla 49: Nomenclatura de partes del equipo ................................................................ 127
Tabla 50: Nomenclatura de archivos .............................................................................. 127
XXVIII

Tabla 51: Clasificación de colores del modelo BIM. ....................................................... 128
Tabla 52: Nivel de desarrollo LOD-LOI .......................................................................... 129
Tabla 53: Costo de proceso de manufactura de piezas NO NORMALIZADAS .............. 146
Tabla 54: Costo de elementos normalizados ................................................................. 147
Tabla 55: Costo de perfiles estructurales ....................................................................... 148
Tabla 56: Costo total de fabricación y materiales ........................................................... 148
Tabla 57: Proceso de corte manual por oxicorte ............................................................ 150
Tabla 58: Proceso de corte mediante diseño de cortadora de plasma ........................... 151
Tabla 59: Comparación de tiempos de corte en segundos ............................................ 152
Tabla 60: Optimización del proceso ............................................................................... 152
Tabla 61: Comparación de costo de cortes .................................................................... 153
Tabla 62: Gastos operativosde la cortadora .................................................................. 153
Tabla 63: Flujo de caja estimado ................................................................................... 154
Tabla 64: Indicadores económicos ................................................................................. 154
Tabla 65: Tiempo de modelo de desarrollo tradicional ................................................... 162
Tabla 66: Tiempo de modelado entorno BIM ................................................................. 162
Tabla 67: Comparación en tiempo de desarrollo del modelado ...................................... 162
Tabla 68: Niveles de criticidad del diseño. ..................................................................... 163
Tabla 69: Informe de interferencias ................................................................................ 163
Tabla 70: Cantidad de interferencias por nivel de criticidad ........................................... 166
Tabla 71: Cantidad de interferencias por componente ................................................... 166
Tabla 72: Características de diferentes soluciones de corte .......................................... 167
Tabla 73: Tiempos de corte en tubo de 4" ASTM A36 ................................................... 168
Tabla 74: Tiempos de corte en tubo de 6" ASTM A36 ................................................... 168
Tabla 75: Tiempos de corte en tubo de 8" ASTM A36 ................................................... 168
Tabla 76: Tiempos de corte en probeta AISI 1010 [11] .................................................. 169
Tabla 77: Variación de fuerzas en el punto de máxima carga del eje de transmisión ..... 171
XXIX

Tabla 78: Variación de fuerzas en el punto de máxima carga del bastidor. .................... 173
Tabla 79: Variación de fuerzas en el punto de máxima carga del conjunto de ajuste ..... 175

XXX

INTRODUCCIÓN

Esta tesis se enfocará en el diseño de una máquina cortadora de tubos especializada
para instalaciones pesqueras en una pequeña empresa metalmecánica, utilizando la
metodología Building Information Modeling (BIM).
El proceso de corte de tubos ha experimentado una notable transformación a lo largo de
los años, desde los métodos manuales hasta el uso de tecnologías avanzadas como el
corte láser, plasma y equipos de corte CNC. Igualmente, BIM revolucionó la industria de
la construcción y la manufactura al crear, gestionar y colaborar en proyectos con diseño y
modelado de maquinaria especializada, como las cortadoras de tubos.
La investigación aborda el problema existente en la ejecución de cortes de tubos en
forma irregulares o especiales en la industria metalmecánica pesquera detallado en el
Anexo 1, donde no se dispone de una solución eficiente y especializada para realizar
estos cortes. A pesar de los avances en tecnologías de corte, aún no existe una máquina
cortadora de bajo costo que satisfaga las necesidades de las empresas pequeñas. Esto
genera desafíos en eficiencia, precisión y estandarización del proceso de corte, limitando
la productividad y calidad del trabajo.
Mediante el diseño de una máquina cortadora de tubos metálicos por plasma, se busca
aportar innovación al sector, mejorando la productividad, calidad y eficiencia en las
instalaciones de tuberías. Los principales beneficiarios serán las empresas
metalmecánicas pesqueras, quienes podrán aumentar su productividad, reducir costos y
XXXI

cumplir con los requisitos de calidad. Además, la estandarización de los procesos y la
disponibilidad de planos técnicos permitirán la replicación del diseño en otras empresas
del sector, generando un cambio significativo en los procesos de instalación de tubería.
Para alcanzar estos objetivos, se aplica un entorno BIM en el diseño para facilitar la
colaboración entre los equipos de diseño y construcción, que mejora la comunicación y
reduce errores. También se utilizan herramientas como Autodesk Inventor y ANSYS para
calcular dimensiones, simular y analizar la resistencia de materiales. Así, se busca
brindar una solución integral que aporte nuevos enfoques al diseño mecánico y mejore la
eficiencia en la industria metalmecánica.
El alcance de este trabajo se limitará a la etapa de diseño y desarrollo del concepto
mecánico de la máquina, sin abordar su fabricación física. Se da especial énfasis al
diseño de la máquina para realizar cortes de forma especial, como la boca de pescado,
en tubos circulares, específicamente en tubos de 4” hasta 8". El estudio se centra en la
investigación de las necesidades específicas de corte en el sector pesquero, la
evaluación de tecnologías y técnicas de corte existentes, y el desarrollo de un diseño
completo, simulaciones, análisis virtuales incluyendo modelos 2D y 3D utilizando el
entorno BIM. No se aborda temas eléctricos o electrónicos, así como la fabricación.
Además, el uso de software está bajo las limitaciones de la licencia estudiantil, en el caso
de la simulación el número de nodos en el mallado es reducido y el software BIM está
limitado por el tiempo de uso.
Se presentan los objetivos obtenidos en el Anexo 2.
Objetivo general
 Diseñar una cortadora de tubos metálicos que realice cortes irregulares en diámetros
de 4" hasta 8" para instalaciones pesqueras aplicando un entorno BIM.
Objetivos específicos
 Establecer los parámetros técnicos del diseño de una cortadora de tubos metálicos de
4" hasta 8" de diámetro para instalaciones pesqueras.
XXXII

 Calcular las dimensiones geométricas y seleccionar el material apropiado de la
maquina utilizando la herramienta de diseño Autodesk Inventor.
 Realizar la evaluación de los elementos críticos del diseño mediante el uso del
software ANSYS.
 Elaborar los planos de detalle del diseño de una cortadora de tubos metálicos por de
4" hasta 8" de diámetro para instalaciones pesqueras.
1

CAPÍTULO 1

REVISIÓN DE LA LITERATURA ACTUAL
El software de dibujo digital y el Building Information Modeling (BIM) son dos
herramientas fundamentales en el campo del diseño. El usar un software BIM de
modelado 3D como el Tekla Structures no solo permitió obtener menores tiempos de
modelado, sino que mejoró el nivel de análisis y corrección de errores en el proyecto
metalmecánico [1]. Asimismo, se ha reconocido que la implementación de la metodología
BIM (Building Information Modeling) y la adopción de procesos colaborativos son la
respuesta para abordar los desafíos relacionados con la comunicación y la gestión de
información en un proyecto [2], y que una incorporación conjunta de la información
proveniente de las diferentes disciplinas del proyecto genera ventajas y mejoras directas
en la etapa de diseño [3]. En un entorno colaborativo se abarca los campos de
arquitectura, ingeniería, construcción y stakeholders, estas áreas dependen
significativamente de la consultoría de la ingeniería mecánica para el diseño e
implementación de subsistemas mecánicos esenciales que se pueden diseñar de manera
efectiva mediante la utilización de BIM [4]. Debido a esto, la importancia de incluir en los
proyectos el uso de software de diseño 3D compatible con el entorno de contenido BIM
radica en que se permita un intercambio de datos fácil, asociativo y de fácil conversión.
Por otro lado, los métodos tradicionales utilizados en la industria metalmecánica nacional
para realizar cortes especiales en tubos de mayor diámetro se caracterizan por ser
lentos, imprecisos y costosos, lo que ha generado la necesidad de buscar alternativas
2

más efectivas. Para poder cubrir las demandas de calidad, productividad, complejidad y
seguridad en los procesos de maquinado y cortes actuales, se exige innovación y el
desarrollo de diseños de máquinas que permitan realizar los cortes requeridos[5], [6] , [7]
y [8]. Entonces, se ha reconocido que el minimizar costos sin perder precisión, calidad ni
rapidez [6] y reducir el exceso de peligro para los operarios [7] son los principales
requerimientos en el diseño de máquinas de corte. Es necesario evaluar las necesidades
específicas de las pequeñas empresas para mejorar los procesos de corte mediante la
innovación en el diseño de máquinas cortadoras.
Al seleccionar un tipo de corte en específico es importante considerar las características
del metal, los requisitos de corte y las capacidades disponibles al seleccionar el método
más adecuado. En el corte realizado por plasma, se observó que la rugosidad superficial
es menor en comparación con el oxicorte y el láser, así también, en la microestructura se
evidencia que no existe una capa amorfa próxima al corte por plasma [9]. En los ensayos
de tracción realizados a material expuesto a diversos tipos de corte se ha evidenciado
ventajas en el corte por plasma [9], [10], [11] y [12]. La calidad del corte por plasma en
acero es superior y de menor costo en comparación con otro tipo de cortes térmicos [9] y
[12], se ha determinado que tanto el límite elástico como la tensión de rotura en la zona
afectada térmicamente generada por el proceso de corte por plasma son particularmente
elevados [10] y [11]. Debido a estas conclusiones, el corte por plasma promete ser una
solución de corte de alta calidad a bajo coste, lo cual lo hace atractivo para su
implementación en talleres de metalmecánica.
El método de elementos finitos permite el cálculo de la rigidez estática y las propiedades
dinámicas de diseños complejos o robustos. Este método también puede utilizarse
rápidamente en la optimización estructural de diversas máquinas por su compatibilidad
para usarse en computadoras [13] y [14].[13][14] La precisión de los resultados del
método de elementos finitos está limitada por la correcta estimación de los parámetros
iniciales. Se pueden usar maquinas similares como referencia para la selección de los
3

valores iniciales de los parámetros a fin de mejorar la precisión [14]. Hay que comprender
la teoría y el ámbito de aplicación de cada elemento que se simulará, así como los
esfuerzos teóricos a los que se somete la pieza. En lo que respecta al proceso de
mallado, es preciso conocer las áreas críticas para obtener un mallado mucha más fino
es esas zonas [15]. Por ejemplo, para realizar la simulación de la mesa de trabajo de la
cortadora de plasma CNC se utilizó la herramienta de análisis estructural estático y el tipo
de enmallado de tetraedros, también se calculó el pandeo de las patas de soporte de la
mesa [6]. El análisis por elementos finitos es fundamental para simular y comprender el
comportamiento mecánico de la máquina cortadora porque evalúa aspectos cruciales
como la resistencia estructural, la distribución de tensiones y deformaciones y la
identificación de posibles puntos críticos de fallo.
4

CAPÍTULO 2

MARCO TEÓRICO
Calderería 2.1
La "Calderería" es una rama de la industria que se dedica a la fabricación de diversas
estructuras y construcciones utilizando metal o aleaciones metálicas. Estas
construcciones se basan en el uso de chapas con diferentes formas y espesores. Cuando
estas estructuras involucran perfiles de dimensiones relativamente pequeñas, se conoce
también como "Carpintería Metálica". Además, la "Calderería" también puede ser referida
como "Construcciones Metálicas" [16].
Tipos de corte 2.2
2.2.1 Corte perpendicular o Boca de pescado:
La boca de pescado puede tener diámetros iguales o desiguales. El tubo base se traza
con su diámetro exterior, mientras que el tubo injerto puede tener su trazado basado en
su diámetro interior o exterior, según la aplicación. En la industria, se utilizan diversos
ejemplos de este proceso, algunos para fines estructurales y otros para el transporte de
sustancias como fluidos y productos alimenticios [17]. Según se muestra figura 1.
5

Figura 1: Inserto de dos tubos formando la boca de pescado [17].

2.2.2 Corte a 30 y 45 grados
Además, los insertos no se limitan a un ángulo de inserción de 90 grados, sino que
también se pueden realizar en diferentes ángulos, dependiendo de la configuración de las
tuberías o las condiciones del transporte del fluido. En la figura 2 se muestran los casos
a) 2” de diámetro a un ángulo de 27.5°; (b) 2” de diámetro a un ángulo de 67°; (c) 3” de
diámetro a un ángulo de 35°; (d) 4” de diámetro a un ángulo de 42°; (e) 4” de diámetro a
un ángulo de 87°.
Figura 2: Insertos de tubos a diferentes ángulos [17].

Tecnología de Corte 2.3
2.3.1 Trazado
El trazado es una etapa previa al mecanizado y conformado de una pieza, donde se
dibujan líneas en la superficie externa que delimitan sus caras, centros para el
mecanizado, ejes o planos de simetría, y otras referencias fundamentales para su
construcción. Esta operación es crucial, ya que de ella dependerá la construcción precisa
de la pieza. Los objetivos del trazado son: verificar que la pieza bruta contiene la forma
final deseada, distribuir el material de manera proporcional, facilitar el nivelado y
orientación de la pieza en la máquina y proporcionar una guía para operaciones de
desbaste o acabado que requieran menos precisión [16]. Así mismo el trazado se
subdivide en lo siguiente:
 Plano:
Se trata de realizar una sencilla operación de dibujo sobre la superficie plana de una
pieza o chapa, utilizando la propia superficie previamente preparada en lugar de papel
[16]. Según se muestra en la figura 3
Figura 3: Trazado de rectas sobre pieza plana [16].

 Circular:
Se requiere elaborar un plantillado específico según el tipo de intersección entre los
tubos. Dado que los elementos son circulares, es necesario dividir los círculos en N
partes, eligiendo la mayor cantidad de divisiones para lograr una mayor precisión. Luego,
7

estas divisiones se trasladan a papel o cartulina para envolver la pieza circular con la
plantilla, permitiendo obtener la forma exacta a cortar en la pieza [17]. La figura 4 muestra
cómo se presenta la plantilla.
Figura 4: Desarrollo de plantilla para tubo [17].

2.3.2 Procesos de corte
 Oxicorte
El uso de oxígeno combinado con gases combustibles como acetileno o propano tiene
diversas aplicaciones, incluyendo corte, soldadura y calentamiento rápido. El oxicorte es
un proceso versátil, seguro y económico, pero requiere de personal capacitado. Para el
corte de metales férreos se pueden emplear diferentes gases combustibles junto con
oxígeno, permitiendo la automatización para mejorar la productividad y precisión. El
acetileno es útil para obtener diferentes preparaciones de bordes biselados en láminas y
tuberías. Antes de soldar, es necesario pulir la superficie de corte para eliminar el óxido
[18]. En la figura 5 se muestra el sistema de oxicorte.
8

Figura 5: Sistema de oxicorte [18].

 Ventajas del corte por Oxicorte:
El corte con oxígeno (OFC) presenta diversas ventajas y desventajas en comparación
con otros métodos de corte de metales, como el corte por máquinas-herramientas o por
arco.
- El corte con oxigeno permite cortar acero con mayor rapidez que los métodos de
eliminación mecánica.
- Facilita el corte de secciones con formas y espesores complicados que son
difíciles de lograr con medios mecánicos.
- Los equipos manuales para OFC tienen costos relativamente bajos.
- Son portátiles y pueden utilizarse en lugares remotos.
- Posibilidad de cortar placas grandes in situ.
- Método económico para preparar placas antes de la soldadura.
- Puede alcanzar espesores de corte inalcanzables para otros procesos [12].
 Desventajas del corte por Oxicorte:
- Tolerancias dimensionales más deficientes que las de las máquinas-herramientas.
- Comercialmente limitadoal corte de hierro colado y aceros, aunque puede
utilizarse en metales de fácil oxidación como el titanio.
- Requiere control de emisiones y adecuada ventilación debido a la quema de
combustible y oxidación del metal.
9

- Aceros endurecibles pueden necesitar precalentamiento para controlar sus
propiedades en los bordes cortados.
- Requiere modificaciones para cortar hierros colados y aceros de alta aleación
[12].
 Aplicaciones del corte por Oxicorte
El corte con oxígeno (OFC) tiene aplicaciones amplias en varios contextos.
- En su modalidad manual, es útil para separar piezas de acero y aleaciones de
hierro, siendo portátil y capaz de cortar elementos estructurales, tuberías y barras
en trabajos de construcción y mantenimiento, así como fragmentos de chatarra
para reciclaje.
- En el ámbito automatizado, se emplea en industrias y almacenes de acero para
ajustar el tamaño de placas y preparar bordes para soldadura, incluso para cortar
componentes de maquinaria [12].
 Plasma
El corte por plasma es un proceso en el que se genera un arco entre un electrodo de
tungsteno y una boquilla, formando una columna gaseosa altamente ionizada conocida
como "gas de plasma". Este gas es impulsado a través de un pequeño orificio, generando
temperaturas superiores a 17.000°C. Cuando este plasma de alta velocidad y
temperatura choca con la pieza, el calor funde rápidamente el metal y lo expulsa lejos
[12]. En la figura 6 se muestra el sistema de corte por plasma.
10

Figura 6: Sistema de corte por plasma [12].

 Ventajas del corte por plasma
El uso de este tipo de corte tiene diferentes ventajas entre las cuales se destacan las
siguiente:
- Los cortes por plasma ofrecen una alta calidad y son más económicos en
comparación con el corte oxiacetilénico.
- En condiciones adecuadas, los cortes por plasma suelen estar libres de escoria.
- Los cortes por plasma permiten velocidades superiores, hasta 10 veces más
rápidas que el corte oxiacetilénico.
- Los cortes por plasma son limpios, precisos, con mínima pérdida de material y
una zona afectada por el calor muy pequeña (0.08 a 0.15 mm).
- El arco piloto del corte por plasma se reinicia automáticamente en casos de cortes
interrumpidos, como perforaciones, entre otros.
- El corte por plasma solo requiere dos gases de bajo costo: nitrógeno (N2) y
dióxido de carbono (CO2), utilizados como gas plasmático y gas de protección,
respectivamente [12].
 Limitaciones del corte por plasma
Si bien es cierto el corte por plasma presenta numerosas ventajas sobre los métodos
tradicionales de corte del mismo modo tienen desventajas frente a los mismos [12]:
11

- Peligros asociados: El corte por plasma presenta riesgos de incendio, descargas
eléctricas, generación de humo y gases, así como niveles de ruido que pueden ser
superiores a otros métodos de corte mecánico.
- Dificultad en el control preciso: En comparación con algunos procesos mecánicos, el
corte por plasma puede ser más difícil de controlar con precisión, especialmente en
trabajos que requieren tolerancias estrechas.
- Costo del equipo: El equipo de corte por plasma tiende a ser más costoso en
comparación con otros métodos de corte, lo que puede representar una inversión
inicial más alta para las empresas.
- Requerimientos de energía eléctrica: A diferencia del corte oxicombustible, el corte
por plasma requiere energía eléctrica para su funcionamiento, lo que puede generar
costos adicionales y requerir una infraestructura eléctrica adecuada.

 Aplicaciones del corte por plasma
Las aplicaciones del corte por plasma son muy diversas por ello se mencionan las
siguientes:
- Este sistema de corte por plasma es versátil y puede aplicarse a una amplia gama
de metales y aleaciones, como aluminio, aceros al carbono, aceros inoxidables,
aceros aleados, níquel, hierro fundido, cobre y bronce.
- Permite el corte de metales de espesores considerables, hasta 5 pulgadas (12,7
mm) con equipos de alto amperaje y 1 pulgada (25,4 mm) con equipos de bajo
amperaje.
- Es posible cambiar rápidamente entre operación manual y automatizada sin
comprometer la calidad del corte.
- Puede utilizarse para cortar en cualquier posición, ofreciendo flexibilidad en
diferentes aplicaciones.
12

- Es adecuado para una variedad de operaciones de corte, incluyendo líneas
rectas, círculos, moldes, biseles y cortes sucesivos en planchas [12].
 Chorro de Agua
El corte por chorro de agua es una técnica que utiliza un chorro de agua de ultra alta
presión para cortar materiales sin generar calor ni deformidades. Es una opción
destacada en la industria por su versatilidad y capacidad para trabajar con muchos
materiales, como madera, plásticos, metales y materiales compuestos. Además, es
respetuoso con el medio ambiente al no generar gases tóxicos contaminantes [12]. En la
figura 7 se muestra un esquema de este sistema.
Figura 7: Esquema del conjunto de una boquilla de corte por chorro de agua [12].

 Ventajas del corte por chorro de agua
- Admite una amplia gama de materiales sin necesidad de cambiar la boquilla,
agilizando el proceso.
- Capacidad de cortar materiales blandos, dúctiles y pastosos.
- Evita la distorsión térmica al disipar el calor con agua, beneficiando materiales
sensibles como plásticos.
- Permite cortes multidireccionales.
- Ahorro de material debido al reducido ancho de corte [12].

 Desventajas del corte por chorro de agua
- Costoso en comparación con métodos tradicionales de mecanizado.
- Genera ruido durante su operación.
- El corte vertical puede distorsionarse al aumentar la velocidad o el grosor del
material.
- Para materiales gruesos y duros, el proceso puede ser prolongado, resultando en
mayores costos [12].
 Aplicaciones del corte por chorro de agua
El corte por agua se extiende a más de 30 industrias gracias a su versatilidad, precisión,
economía y su eco amigable naturaleza. Sectores como la industria del papel, óptica,
automoción, aeronáutica, alimentaria, medicina, cerámica, textil, naval, electrónica,
minería, construcción y arte hacen uso de esta tecnología [12].

2.3.3 Tipo de soldadura
 Soladura eléctrica
La soldadura por arco eléctrico fusiona piezas metálicas mediante un intenso calor
generado por un arco entre las piezas y un electrodo. Tras la solidificación, se forma una
unión resistente. El electrodo, consumible o no, transfiere corriente a la zona de
soldadura. En la mayoría de los casos, se usan electrodos metálicos recubiertos para
soldar hierros y aceros, produciendo uniones robustas. Según la figura 8 se aprecia un
esquema general para soldar por arco eléctrico.
14

Figura 8: Esquema general para soldar por arco eléctrico [19]

 Aplicaciones:
- Soldadura Manual: El arco eléctrico se utiliza comúnmente en la soldadura
manual para unir piezas metálicas. Este proceso es versátil y puede aplicarse en
diferentes tipos de soldadura.
- Construcción de Estructuras Metálicas: En la construcción de edificios, puentes y
otras estructuras, el arco eléctrico es esencial para unir vigas y otros
componentes metálicos.
- Reparación y Mantenimiento: Se utiliza en la reparación y mantenimiento de
maquinaria, equipos industriales y vehículos.
- Industria Naval: La soldadura con arco eléctrico es fundamental en la construcción
y reparación de barcos y otras embarcaciones. [19]
 MIG (Metal Inert Gas)
El proceso MIG (Metal Inert Gas) utiliza un electrodo consumible para soldadura
semiautomática, manual o robotizada. Se genera un arco de bajo voltaje y alta intensidad
entre el hilo consumible y la pieza, fundiendo el metal. El gas de protección evita la
contaminación atmosférica, y un motor eléctrico controla el avance del hilo. La fuente de
energía mantiene constante la longitud del arco, permitiendo al soldador concentrarse en
lograruna fusión total. La mayoría de las fuentes de energía para este proceso son
15

máquinas de voltaje constante [18], en la figura 9 se aprecia un esquema general del
proceso de soldadura MIG.
Figura 9: Esquema general del proceso de soldadura MIG [18].

 Aplicaciones:
- Industria Automotriz: La soldadura MIG se utiliza ampliamente en la fabricación de
vehículos para unir componentes de carrocería y otras partes metálicas.
- Fabricación de Estructuras Metálicas: En la fabricación de estructuras metálicas,
la soldadura MIG es rápida y eficiente para unir componentes.
- Fabricación de Maquinaria: Se aplica en la fabricación de maquinaria industrial y
agrícola para unir componentes de manera eficiente.
- Soldadura en General: La versatilidad de la soldadura MIG la hace adecuada para
una amplia gama de aplicaciones en la industria y la fabricación. [19]

Norma VDI 2221 2.4
La norma VDI 2221 proporciona una metodología para abordar un problema de diseño y
planificación desde las etapas iniciales, lo que permite obtener soluciones óptimas y de
alta calidad. Esta norma se divide en cuatro partes fundamentales, que se clasifican
según diferentes criterios [20]. El diseñador llevará a cabo las siguientes actividades
básicas:
 Comprensión de la solicitud
 Concepción de solución
 Elaboración de Proyecto
 Elaboración de detalles
Independientemente del enfoque específico del diseño, estas fases se presentarán de
alguna manera, siguiendo el esquema establecido por la norma VDI 2221 mostrado en la
figura 10.
17

Figura 10: Proceso General del Desarrollo y Diseño VDI 2221 [20].

2.4.1 Lista de Exigencias
La definición de requisitos implica describir un problema o una serie de necesidades que
deben ser identificadas y clasificadas de manera adecuada [20]. Estos requisitos se
listarán en un cuadro, como se ilustra en la figura 11:
18

Figura 11: Modelo de lista de exigencia [20].

2.4.2 Estructura de funciones
Durante el proceso de diseño, es común empezar con ideas preconcebidas basadas en
diseños anteriores, lo que a veces puede restringir la generación de nuevas ideas. Por
esta razón, es fundamental desarrollar la estructura de funciones, que conceptualiza la
máquina como una caja negra con solo tres parámetros: Entrada, Proceso y Salida [20],
como se indica en la figura 12.
Figura 12: Maquina como caja negra [20].

2.4.3 Concepto de solución
El siguiente paso implica convertir la estructura de funciones en funciones parciales para
desarrollar una estructura de construcción [20]. Para lograr esto, se aplicará el método de
matriz morfológica, que permitirá detallar cada función con sus respectivas alternativas en
19

diversas tecnologías, y luego se conectarán mediante conectores para encontrar el
concepto de solución óptimo, como se ilustra en la figura 13.
Figura 13: Matriz morfología [20].

2.4.4 Proyecto Definitivo
Durante esta fase, se procederá a generar la documentación requerida para la fabricación
y selección de cada componente, para lo cual resulta fundamental haber completado las
etapas previas para obtener un diseño óptimo y su adecuada aplicación en la elaboración
de planos y memoria técnica [20].
BIM 2.5
La metodología BIM (Building Information Modeling) utiliza la representación gráfica
digital de un archivo para construcción con el cual se facilita los procesos de diseño,
construcción y operación, para garantizar información confiable para la toma de
20

decisiones [21], en ese sentido la metodología BIM replantea la forma tradicional de
trabajo individual y fragmentado, proponiendo una metodología de trabajo colaborativo.
Esta metodología pone en el centro de interés la generación de información concisa de
un proyecto y el intercambio fluido de ésta entre los diferentes actores involucrados a lo
largo de todo el ciclo de vida de un proyecto tal como se muestra en la figura 14.
Figura 14: Ciclo de vida BIM [22].

2.5.1 Plan de ejecución BIM
El Plan de Ejecución BIM, conocido como PEB, es un documento esencial que cada
Proveedor debe generar. Su objetivo es definir el proceso de ejecución del modelado y
gestión de información del proyecto, así como especificar los procedimientos de
intercambio de información y sus responsables correspondientes. Además, el PEB
establece la infraestructura tecnológica y las competencias del Proveedor necesarias
para el desarrollo del modelado de información del proyecto. Al implementar el PEB, se
simplifica la gestión de la entrega de información del proyecto [23].
2.5.2 Common Data Environment o Entorno Común de Datos - CDE
El CDE se refiere a toda aquella herramienta sea en la nube o red local que permita
almacenar, compartir información y que a su vez sea accesible entre todos los
participantes del proyecto [21], como se puede apreciar en la figura 15.
21

Figura 15: Entono común de datos según ISO 19650 [21].

2.5.3 Nivel de detalle - LOD
Define el nivel de desarrollo a nivel gráfico y de información de los elementos del Modelo
BIM [24]. Según se muestra en la figura 16 y 17.
Figura 16: Esquema sobre composición de LOD.

LOI LOG LOD
22

Figura 17: Nivel de detalle LOD [24].

2.5.4 Nivel de grafico – LOG
Define el nivel gráfico de en un elemento del Modelo BIM según la fase de ingeniería en
desarrollo. Se definen 5 niveles, el nivel 100 que representa volumétricamente el
elemento y el nivel 400 que representa con exactitud e identidad el elemento ejecutado
en construcción As-built, [24]. Los niveles de los LOG´s se presentan a continuación en la
tabla 1:
Tabla 1: Tabla de nivel grafico LOG [24].

2.5.5 Nivel de información - LOI
Define el nivel de desarrollo de información no gráfica (atributos) de los elementos del
Modelo BIM [24]. En la tabla 2 se muestra la definición de cada nivel.
LOG DESCRIPCIÓN
100 Representación conceptual.
200 Representación genérica.
300 Representación definida.
350 Representación detallada.
400 Representación As-built.
23

Tabla 2: Definición de niveles LOI [24].

2.5.6 Roles BIM
Dentro de la metodología BIM se establecen roles, las cuales tienen diferentes funciones
y responsabilidades [23], tales como:
 Líder BIM:
El líder BIM es responsable de liderar y gestionar la implementación exitosa de BIM en la
organización. Su rol incluye desarrollar estrategias, supervisar la aplicación de BIM,
recopilar lecciones aprendidas, fomentar el desarrollo de capacidades del personal y
establecer requisitos de información organizacional [25].
 Coordinador BIM:
El coordinador BIM es responsable de asegurar la correcta implementación y
coordinación de los modelos de información en un proyecto, cumpliendo con los
requisitos y estándares establecidos. También se encarga de resolver incompatibilidades,
mantener los modelos actualizados y asegurar una comunicación efectiva entre el equipo
de trabajo y el gestor BIM [25].
 Modelado BIM:
El modelador BIM tiene la responsabilidad de desarrollar los modelos de información
según los requisitos establecidos y mantener una comunicación constante con el
coordinador BIM y el equipo de trabajo. Sus tareas incluyen la generación de archivos de
LOI DESCRIPCIÓN
100 Información para la identificación y la prefactibilidad.
200 Información para la investigación y la factibilidad.
300 Información para el diseño.
350 Información para la construcción.
400 Información para la gestión de activos.
24

intercambio, introducir la información necesaria en los modelos y asegurar la calidad de
los entregables coordinándose con otras especialidades [25].
2.5.7 Fases
Las etapas de ingeniería son: factibilidad, básica, detalle y construcción, que dentro de la
metodología BIM contienen diferentes fases tales como: Planificación, Diseño,
Construcción y Operación [23], tal