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Caracterización de las propiedades viscoelásticas de la esclera de ojos y simulación de su comportamiento biomecánico
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-03-16) Panduro Camavilca, Roy Max Remy; Acosta Sullcahuaman, Julio Arnaldo
Existen diversas aplicaciones de la Ingeniería Mecánica y la Ciencia de los Materiales orientadas a áreas como la minería, aviación o medicina. Entre estas se incluye también a la biomecánica, la cual combina conocimientos de caracterización de materiales, simulación computacional y fabricación de prototipos, con el fin de lograr una comprensión profunda de los mecanismos que ocurren dentro de especímenes biológicos desde un punto de vista estructural y energético. En el caso específico de la oftalmología, con el propósito de obtener nuevas tecnologías en el desarrollo de implantes o procedimientos clínicos para el ojo humano, se hace de mucha utilidad la constante optimización y refinamiento de los métodos usados para obtener las propiedades biomecánicas de las partes del ojo. Entre otros, se requiere realizar un análisis numérico y cualitativo de la morfología ocular haciendo uso de la configuración de diversos ensayos mecánicos existentes para tejidos blandos, con el fin de poder comparar diversos valores de esfuerzos y deformaciones frente a distintas condiciones de trabajo del ojo evaluado. En esa perspectiva, el objetivo principal del presente trabajo fue caracterizar las propiedades viscoelásticas de la esclera de ojos de cerdo para simular su comportamiento biomecánico mediante métodos computacionales. Para alcanzar dicho objetivo, se estableció la siguiente metodología: i) En primer lugar, se tuvieron que definir los detalles de la procedencia de los ojos de cerdo a ensayar, así como la justificación de su uso y los cuidados que se tuvieron que tener en cuenta para poder conservar sus propiedades mecánicas hasta el momento de la ejecución de los ensayos. ii) Luego, se definió un protocolo a seguir para la realización de los ensayos mecánicos; empezando con el procedimiento de corte para dividir las escleras de ojos de cerdo identificando cada zona de la superficie ocular seccionada y elaborar sus correspondientes probetas. También se definieron las características de los equipos usados para los ensayos mecánicos, así como la secuencia seguida por los sujetadores de probetas, cuya geometría fue modificada para su empleo en trabajos con tejidos pequeños. iii) Adicionalmente, se elaboró un procedimiento a seguir para obtener las curvas medias y el error estadístico de los datos tomados a partir de los resultados de los ensayos mecánicos. Asimismo, se propusieron ajustes de curvas para poder extraer las propiedades visco-elásticas. iv) Finalmente, se analizaron las variaciones de las propiedades encontradas desde un punto de vista biomecánico y microestructural; asimismo, se complementó el modelo computacional ocular hiper-elástico de Ahmed con las propiedades viscoelásticas obtenidas comparando los efectos de la adición de dichas propiedades sobre los resultados de esfuerzos y deformaciones de la superficie ocular. Se encontró que las diferentes propiedades visco-elásticas de las diversas zonas de la esclera se deben presumiblemente a diferentes orientaciones y agrupaciones de fibras de colágeno, repercutiendo en una deformación máxima de 0.341 mm en la zona superior cercana a la dirección nasal del globo ocular sometido a 15 mmHg de presión interna aplicada durante 10000 s, lo cual ocasionaría la forma geoide y cuneiforme del ojo encontrada en los especímenes ensayados. Así mismo, dichas diferencias microestructurales de la esclera también repercutieron a que se obtuvieran diferentes deformaciones tanto en el centro de la córnea y la zona más cercana a la dirección nasal, siendo estas de 8% y 14.8% respectivamente.
Caracterización del comportamiento anisotrópico en especímenes de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) y poliamida 6 (PA6) reforzados con fibras de carbono fabricados mediante el proceso de manufactura aditiva
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-10-19) Ramirez Mestanza, Dante Aaron; Acosta Sullcahuaman, Julio Arnaldo
En el área de la medicina moderna, la manufactura aditiva es uno de los procesos de fabricación más empleados debido a la versatilidad que brindan para adaptar componentes médicos a la necesidad de cada paciente, así como el uso de diversos materiales. Sin embargo, la información referente al comportamiento mecánico de estos componentes frente a la aplicación de cargas en distintas direcciones no es suficiente para su uso efectivo en algunas aplicaciones de esta área, debido a que presentan un comportamiento anisotrópico y en consecuencia existen direcciones críticas donde la pieza fabricada podría fallar; como es el caso del diseño y la fabricación de prótesis. De esta forma, este trabajo permitirá cumplir con los objetivos del proyecto: “Optimización del uso de polímeros sintéticos en procesos de manufactura aditiva mediante modelos de simulación computacional y técnicas de caracterización de materiales. Caso de estudio: aplicaciones médicas prótesis de mano”. El presente trabajo tiene como objetivo caracterizar, mediante ensayos de tracción, el comportamiento anisotrópico de especímenes fabricados mediante manufactura aditiva, a partir de filamentos de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), poliamida 6 (PA6) y estos mismos reforzados con fibras de carbono (CF): ABS/CF y PA/CF. Para ello, se realizaron ensayos de tracción y análisis termogravimétrico a los materiales iniciales para la fabricación (filamentos) y se seleccionaron los parámetros óptimos de impresión para los 4 materiales obtenidos en una investigación anterior: velocidad de deposición, temperatura de impresión, altura de capa y patrón de impresión. Posteriormente, se definieron las 6 orientaciones de impresión que permitirán obtener las 9 constantes elásticas que rigen el comportamiento anisotrópico de los especímenes. Por último, se fabricaron probetas de los 4 materiales en las distintas orientaciones definidas y se procedió a realizar los ensayos de tracción correspondientes a cada espécimen fabricado. Como resultado del trabajo, se concluyó que la adición de fibras de carbono en la matriz polimérica incrementa el valor del módulo elástico en las direcciones donde la carga y la orientación de impresión son paralelas. Sin embargo, en direcciones donde la carga es perpendicular a orientación de impresión, el módulo disminuye. Además, la adición de estas fibras presentó un mayor incremento del módulo para la PA (3.9 veces) a comparación del ABS (1.5 veces).
Diseño de un molde para la fabricación de superficices de carpetas ergonómicas utilizando termoplásticos reciclados y madera recuperada
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2014-11-04) Burga Pereyra, César Augusto Jesús; Acosta Sullcahuaman, Julio Arnaldo; Tupia Anticona, Walter Mariano
En la actualidad, debido al constante crecimiento que está experimentando la economía nacional y en consecuencia el aumento de la producción industrial, se generan elevados volúmenes de residuos sólidos que son desechados sin ser reciclados, recuperados o reutilizados. Existen altos porcentajes de residuos de plástico y de madera, los cuales se producen en las casas, industrias, comercios y áreas públicas. Por lo general, la eliminación de estos residuos aún no se realiza de manera adecuada generándose una problemática ambiental complicada de solucionar. En esta perspectiva, se viene desarrollando un proyecto de investigación en la PUCP, denominado QAUCHU KULLU, y entre sus objetivos se pretende diseñar y fabricar un sistema de moldeo para la fabricación de piezas de material compuesto utilizando residuos de plástico y madera. En el mismo sentido, se ha determinado que el rubro de la industria mobiliaria es un campo apropiado para la aplicación de este nuevo material. El objetivo del presente trabajo fue realizar el diseño mecánico de un molde para la fabricación de superficies de carpetas ergonómicas (tablero, asiento y respaldo) utilizando termoplásticos reciclados y madera recuperada; así como el diseño térmico de sus sistemas de calentamiento y enfriamiento. Para conseguir los objetivos planteados, se propuso el siguiente procedimiento metodológico: en primer lugar, la definición de los parámetros de diseño relacionados con las propiedades de los componentes del material compuesto y las variables de moldeo, asimismo, la evaluación de las alternativas de solución para cada función parcial del proceso; posteriormente, el diseño mecánico del molde y térmico de los sistemas complementarios (calentamiento y enfriamiento), realizando los cálculos mecánicos y térmicos correspondientes y, finalmente, la realización de los planos de fabricación y la determinación de los costos involucrados. El trabajo concluye que el molde diseñado es capaz de producir superficies de carpetas ergonómicas que cumplen con los requisitos de dimensiones y tolerancias establecidos y que, a su vez, brindan la resistencia adecuada para garantizar la seguridad del usuario durante su empleo.
Diseño de una turbina propeller utilizando plásticos reciclados reforzados con madera recuperada
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2012-02-21) Portocarrero Aguilar, Carlos Enrique; Acosta Sullcahuaman, Julio Arnaldo; Hadzich Marín, Miguel
El tema del calentamiento global es un gran debate entre políticos, científicos, la industria y la sociedad en general. Se discute desde su existencia hasta su severidad, sus potenciales causas, así como sus efectos en los sistemas globales tales como el clima, la ecología y particularmente en la vida de las personas. En este contexto, es indiscutible que las emisiones de dióxido de carbono y otras que intensifican el efecto invernadero han aumentado dramáticamente, a la par de nuestro consumo energético. Para revertir esta situación, por un lado, es impostergable el desarrollo de tecnologías que permitan aprovechar fuentes de energía renovable como la fluvial o la marítima que, por cierto, son abundantes en el Perú y, por otro, la utilización de materiales reciclados se hace cada vez más exigente para contribuir con el cuidado del medio ambiente. Una aplicación que sintetiza ambas soluciones, es la fabricación de rodetes de turbinas con materiales reciclados de bajo peso para garantizar el aprovechamiento eficiente de la energía de los ríos y mares. El objetivo de este trabajo es el diseño de una turbina de corriente libre tipo propeller utilizando plásticos reciclados reforzados con madera recuperada. El diseño de la turbina propeller realizado en el presente trabajo comprende las siguientes etapas: En primer lugar, se identificaron los parámetros necesarios para el diseño. Luego de un análisis energético, se procedió a realizar el dimensionamiento inicial del rotor de la turbina y mediante un análisis mecánico se determina el diseño final de la geometría y los materiales de los álabes. A continuación se diseñan los demás componentes y accesorios de la turbina. Por último, se realizan los planos y costos de fabricación. Se ha diseñado una turbina tipo propeller de eje inclinado a 30° con el plano horizontal, 2m de diámetro y tres álabes con perfil NACA 4412 en su sección transversal; capaz de desarrollar una potencia máxima en el eje de 1,1 kW. Para el diseño de los álabes se ha considerado que éstos serán fabricados en dos etapas: inicialmente el núcleo de los álabes se obtendrá por moldeo de un material compuesto de matriz de polipropileno reciclado reforzado con partículas de madera capirona recuperada y, finalmente, recubiertas con dos capas de material compuesto de fibra de vidrio y resina poliéster; reduciendo considerablemente los costos y tiempos de fabricación en comparación a los álabes fabricados en su totalidad con este último material compuesto.
Diseño del sistema de enfriamiento de un equipo de moldeo rotacional para laboratorio
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-10-06) Armijo Coronado, Miluska; Acosta Sullcahuaman, Julio Arnaldo; Tupia Anticona, Walter Mariano
La contaminación ambiental a causa del inadecuado manejo de los residuos ha alcanzado niveles alarmantes en la actualidad. Entre las principales acciones que se han venido realizando para mejorar esta situación, se encuentra el reciclaje; pero aún es necesario encontrar más aplicaciones en las que se puedan aprovechar los materiales reciclados. Frente a este escenario, el grupo de investigación Ingeniería de Polímeros y Materiales Compuestos de la Pontificia Universidad Católica del Perú decidió realizar el proyecto “Estudio y desarrollo de procesos de sinterizado en materiales compuestos de plástico reciclado y madera recuperada para la fabricación de piezas de formas diversas, económicamente viable para la industria”. Para el desarrollo del proyecto, se requería obtener muestras del material compuesto mencionado a través de un proceso de moldeo rotacional bajo condiciones variables; como la velocidad de giro, tiempo de calentamiento y enfriamiento. Por lo cual, surgió la necesidad de fabricar un equipo de moldeo rotacional de laboratorio conformado por un sistema mecánico, para la rotación de los moldes; un sistema de calentamiento y un sistema de enfriamiento. El objetivo del presente trabajo fue realizar el diseño térmico y mecánico del sistema de enfriamiento del equipo de moldeo rotacional de laboratorio requerido para la elaboración de muestras huecas, de espesor no mayor a 5 mm, obtenidas mediante el sinterizado de diferentes plásticos reciclados, tales como: HDPE, LDPE, PP o PVC y partículas de madera recuperada. Para el diseño del sistema de enfriamiento, se aplicó la metodología recomendada en la norma VDI 2221: “Métodos para el desarrollo y diseño de sistemas técnicos y productos”. Esta metodología se basa en 4 fases: Comprensión de la solicitud, con la lista de exigencias como principal resultado; Concepción de la solución, donde se obtiene la estructura de funciones y conceptos de solución; Elaboración del proyecto, cuyos principales resultados son los cálculos preliminares y planos de ensamble; e Ingeniería del detalle, fase en la cual se desarrollan los planos de despiece y la memoria de cálculo final. El equipo diseñado tiene la capacidad de enfriar 6 moldes, de sección circular o rectangular, hasta que estos alcancen una temperatura menor o igual a 40°C en un tiempo comprendido entre los 10 y 60 minutos. Se determinó que, para cumplir con el rango de tiempo requerido, la mejor solución sería contar con un subsistema de enfriamiento con aire, empleando ventiladores axiales tubulares; y otro subsistema con agua aplicada por aspersión utilizando toberas con boquillas de tipo cono lleno.
Estudio de las propiedades mecánicas de materiales compuestos sinterizados fabricados mediante moldeo rotacional a partir de polietileno reciclado y madera capirona recuperada
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-06-15) Mendez Zamora, Diego Alexander; Acosta Sullcahuaman, Julio Arnaldo; Tupia Anticona, Walter Mariano
La gran acumulación de desperdicios sólidos es un problema de carácter mundial y nacional. El número de botaderos y rellenos sanitarios es cada vez mayor y el volumen de los mismos aumenta considerablemente debido a la falta de proyectos para reciclar, reutilizar y recuperar estos residuos. Gran parte de estos son residuos plásticos que no han sido reutilizados y residuos de maderas provenientes de las mermas de diferentes procesos industriales. En respuesta a esta problemática, en la Pontificia Universidad Católica del Perú se viene desarrollando un proyecto de investigación que propone la reutilización de estos desperdicios en la fabricación de materiales compuestos de plástico y madera empleando procesos de sinterizado mediante moldeo con y sin presión. En esta perspectiva, se propone utilizar el moldeo por compresión y el moldeo rotacional como métodos de fabricación para la producción de piezas de geometría compleja. El objetivo de la presente tesis es estudiar las propiedades mecánicas de materiales compuestos sinterizados sin presión, fabricados mediante moldeo rotacional a partir de polietileno reciclado y madera capirona recuperada. La metodología experimental de la presente tesis consistió en lo siguiente: En primer lugar, se determinaron las propiedades de los constituyentes del material compuesto. En segundo lugar, se fabricaron muestras cilíndricas del material compuesto, a partir de diferentes proporciones de contenido en volumen de polietileno de alta densidad y madera capirona. En tercer lugar, se fabricaron las probetas que se utilizaron para los ensayos de tracción, flexión e impacto. Finalmente, se realizaron los ensayos de tracción, flexión e impacto, así como ensayos de caracterización del material compuesto tales como ensayo de densidad y absorción de agua. Todos estos procedimientos se realizaron según las normas ASTM correspondientes. Las mejores propiedades obtenidas se presentaron para 10% en volumen de partículas de madera capirona y 25 minutos de tiempo de permanencia en el horno: 19 MPa de resistencia a la tracción; 1147 MPa de módulo elástico en tracción; 21 MPa de resistencia a la flexión; 742 MPa de módulo elástico en flexión; 0,53 J/cm2 de resistencia al impacto; 0,4% de absorción de agua y 0,95 g/cm3 de densidad, en promedio.
Estudio de propiedades físicas de películas semirrígidas transparentes de policloruro de vinilo (PVC) fabricadas por extrusión a partir de PVC virgen y PVC recuperado
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-10-12) Hanco Conto, Edgar Gustavo; Acosta Sullcahuaman, Julio Arnaldo; Tupia Anticona, Walter Mariano
En las sociedades modernas, los plásticos son usados cada vez en un mayor número de aplicaciones, por lo que las industrias procesan más cantidad de materia prima y, como consecuencia, se generan más mermas y residuos. Esta situación llega a ser problemática cuando esas mermas y residuos se desechan sin antes recuperarlas o reciclarlas. Como respuesta al problema planteado, la PUCP desarrolló un proyecto de investigación, que propuso recuperar las mermas de películas semirrígidas transparentes de policloruro de vinilo (PVC) del proceso productivo de una empresa con la finalidad de obtener un material que fue usado como materia prima junto con la granza (pellets) de PVC virgen para la fabricación de nuevas películas. El objetivo de la presente tesis es estudiar propiedades físicas de las películas de PVC semirrígidas transparentes fabricadas por extrusión de PVC virgen y PVC recuperado para luego compararlas con las propiedades de las películas de PVC fabricadas solo con material virgen con el fin de validar su uso en la fabricación de artículos de uso escolar como forros de cuadernos, micas y cubiertas de fólderes. En primera instancia se procedió a caracterizar, según las normas ASTM, muestras de películas semirrígidas transparentes que son fabricadas con PVC virgen. Luego, se realizaron ensayos para determinar, primero, el mejor tipo de merma; luego, la mejor composición de aditivos y posteriormente, la mejor composición de merma a usar en el proceso de recuperación. Finalmente se procedió a caracterizar, considerando los resultados obtenidos previamente, las muestras fabricadas a partir de PVC virgen y PVC recuperado, este último obtenido en un sistema de recuperación diseñado especialmente para tal fin. Mediante los análisis efectuados se identificó que las películas obtenidas con mayor proporción de PVC recuperado disminuyen ligeramente su transparencia y propiedades mecánicas, además su estabilidad térmica, representada por su temperatura de degradación, tampoco varía mucho, por lo que se demuestra que es posible incorporar hasta 20% de material recuperado en el proceso de producción de películas de PVC que serán usadas en la fabricación de artículos escolares.
Estudio de un acero fundido de alto carbono aleado con cromo para aplicaciones antidesgaste en minería
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-07-11) Figari Korrodi, Bruno Alejandro; Acosta Sullcahuaman, Julio Arnaldo
En la última década, el desarrollo de la industria minera en el Perú ha presentado un crecimiento notable con un incremento de la inversión minera fluctuante, teniendo un pico en el año 2013, para luego caer debido a la crisis internacional y a la baja en los precios de los metales. En el año 2016 se da la reactivación de proyectos mineros importantes y nuevamente un incremento gradual en la inversión hasta el año 2019. Es en este escenario de mayor competitividad y precios fluctuantes de los metales, el abastecimiento de equipos de chancado y molienda exige que los fabricantes de piezas y repuestos para minería evalúen constantemente el desarrollo de nuevos productos para mejorar el rendimiento de los equipos de procesamiento de minerales, incluyendo la introducción al sector minero de elementos antidesgaste a base de polímeros, cerámicos y de materiales compuestos con precios competitivos. El desarrollo de nuevas aleaciones de aceros antidesgaste, con mayores tiempos de duración y mejores propiedades mecánicas son indispensables para el equipamiento minero en el Perú. El objetivo del presente trabajo es desarrollar, fabricar y caracterizar un acero fundido de alto carbono aleado con cromo, para su aplicación en elementos resistentes al desgaste que requieren una elevada dureza además de una buena resistencia al impacto, semejante al acero para herramientas AISI D2. Con este propósito se elaboró un diseño experimental que permitió determinar las aleaciones y los ciclos de tratamientos térmicos adecuados para obtener la combinación de propiedades mecánicas deseadas: dureza, resistencia al impacto y resistencia al desgaste. Según el diseño experimental se determinaron las propiedades a evaluar y el rango de la composición química para las aleaciones. Seguidamente se fabricaron las muestras mediante el proceso de fundición en molde de arena y horno de inducción. A continuación, se realizaron ensayos de templabilidad y los tratamientos térmicos para proceder con la caracterización de propiedades mecánicas, así como la microestructura. Finalmente se evaluaron y compararon los resultados obtenidos. A partir del estudio se han desarrollado, fabricado y caracterizado dos aceros de alto contenido de carbono aleados con cromo, denominados: HB1, con 1.43% de carbono, 13.34% de cromo y 0.79% de molibdeno, y AR4, con 1.18% de carbono, 13.09% de cromo y 1.04% de molibdeno; que para condiciones óptimas de tenacidad presentan durezas de 53.5 HRC y resistencias al impacto de 23.3 J para el acero HB1 y 53.5 HRC y 10.2 J para el acero AR4, así como resistencias al desgaste de 136.6 mm3 y 185.5 mm3 de pérdida de volumen para el HB1 y AR4 respectivamente. Dichas propiedades son apropiadas para la fabricación de elementos resistentes al desgaste con espesores de hasta 8” requeridos en la industria minera.