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Alivio de tensiones mediante vibraciones subarmónicas en uniones soldadas de acero al carbono
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-05-15) Valladares Valdivieso, Rolando Daniel; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
Debido a los fenómenos térmicos que se generan durante el proceso de soldadura, las partes soldadas de acero, al enfriarse, generan esfuerzos internos de tracción o compresión que afectan sus dimensiones, sus propiedades mecánicas, e incluso forman fisuras que ponen en riesgo la vida útil de una estructura metálica, sobre todo cuando ésta se encuentra sometida a cargas cíclicas. El método utilizado con mayor frecuencia para mitigar dichos esfuerzos residuales es el tratamiento térmico de alivio de tensiones, sin embargo existen otros métodos mecánicos que persiguen el mismo efecto, algunos de los cuales se basan en la inducción de vibraciones mecánicas. Esta investigación tiene por objeto medir la magnitud en la que se reducen los esfuerzos residuales post soldadura mediante el proceso de alivio de tensiones por vibraciones a frecuencias subarmónicas y contrastarla contra la reducción producida por efecto de la aplicación del tratamiento térmico de alivio de tensiones. El método utilizado en esta tesis para cuantificar la reducción en la magnitud de los esfuerzos residuales incluyó la medición de tensiones residuales mediante la técnica de difracción de rayos X (DRX). Las mediciones fueron realizadas en dos probetas idénticas sometidas al mismo proceso de soldadura en puntos cercanos a la unión soldada, y el resultado experimental reportó una reducción en la magnitud de los esfuerzos residuales longitudinales de tracción de hasta 85% en la probeta sometida al tratamiento térmico de alivio de tensiones; mientras que las mediciones fueron mixtas en el caso de la probeta sometida al proceso de alivio por vibraciones subarmónicas, pues en algunos puntos de ella no se reportaron reducciones significativas mientras que en otros se evidenció una reducción de esfuerzos residuales de hasta 45%.
Análisis de falla de cojinetes de biela de camiones de 2300 HP para minería
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2013-04-19) Zapata Velarde, Emilio Carlos; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
Los cojinetes de biela de los motores diesel de los camiones de acarreo de una mina de tajo abierto en el Perú deben presentar un buen estado hasta las 14000 horas de operación, de acuerdo a las recomendaciones del fabricante. Sin embargo, en la práctica se han producido constantes fallas y desgaste prematuro alrededor de las 5000 horas de trabajo. El presente trabajo de tesis tiene como objetivo estudiar las características del material y los mecanismos de falla o desgaste de los cojinetes de biela seleccionados para la investigación. Estudiar el material contribuye al análisis de la causa-raíz de la falla de los cojinetes, ya que existen otros factores que también pueden ocasionar las fallas, como malas prácticas de mantenimiento, una inadecuada lubricación, severas condiciones de operación, un diseño incorrecto, entre otros. La metodología consistió en seleccionar las muestras representativas para llevar a cabo el estudio, recopilar información de literatura especializada, inspeccionar visualmente los cojinetes, realizar los ensayos de laboratorio correspondientes para determinar las propiedades de los cojinetes: ensayos de metalografía, ensayos de microscopia electrónica de barrido y ensayos de microdureza. El análisis se ha realizado a tres cojinetes: un cojinete en buen estado (Cojinete 1) y dos cojinetes con desgaste severo (Cojinete 2 y Cojinete 3). El cojinete en buen estado, Cojinete 1, se ha tomado como referencia para caracterizar el material. Por otro lado, los cojinetes con desgaste severo, Cojinete 2 y Cojinete 3, han sido utilizados para determinar y estudiar los mecanismos de desgaste y, asimismo, realizar los ensayos de laboratorio para comparar las características del material con las del Cojinete 1. Finalmente, se han planteado conclusiones y recomendaciones, desde el punto de vista del material, en base a los ensayos de laboratorio realizados y los mecanismos de degaste analizados.
Análisis de falla metalúrgico casos de aplicación en la industria peruana
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-06-10) Rumiche Zapata, Francisco Aurelio; Lean Sifuentes, Paul Pedro
En el presente informe se presentan tres casos de aplicación del análisis de falla metalúrgico para determinar la causa raíz de falla de componentes siniestrados pertenecientes a tres sectores de la industria peruana. Este informe se presenta como medio de verificación de la experiencia profesional del autor, quien se desempeña como Analista de Fallas Senior en el Laboratorio de Materiales PUCP; habiendo desarrollado en los últimos diez años más de 70 proyectos de análisis de falla y caracterización de materiales con diversas industrias: minería, hidrocarburos, alimentos, pesquería, farmacéutica, manufactura, entre otras. El informe inicia con la presentación de conceptos y definiciones asociadas al análisis de falla metalúrgico. Luego de ello, se presenta la metodología de análisis empleada en el Laboratorio de Materiales PUCP, la misma que ha sido utilizada para el desarrollo de los casos de aplicación. Posteriormente se desarrolla extensivamente cada uno de los casos, presentando los antecedentes, los ensayos realizados, los resultados obtenidos, y las conclusiones. El objetivo final en cada caso es determinar la causa de falla y emitir recomendaciones, factibles de implementar, para evitar que la falla vuelva a ocurrir. Los casos a presentar corresponden a una zapata de oruga de una pala de movimiento de tierras, perteneciente a la industria de maquinaria pesada; una placa soporte de un reactor de sulfato de cobre perteneciente a la industria química; y una viga principal de una zaranda vibratoria correspondiente a la industria minera. Finalmente, se presentan las conclusiones del informe profesional, haciendo énfasis en la importancia y eficacia del análisis de falla metalúrgico como una herramienta de la ingeniería para asistir en el desarrollo de la industria nacional.
Analysis of the physical properties and photoelectrochemical behavior of c-Si/a-SiC:H(p) photocathodes for solar water splitting
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-01-16) Mejia Chueca, María del Carmen; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
Photoelectrochemical (PEC) processes have become an efficient and viable method for solar energy conversion into zero-emission fuels by harnessing and storage the power of the sun, which offers an environment-friendly approach. Hydrogen is considered as a sustainable and suitable energy alternative in comparison to energy systems based on the consumption of conventional hydrocarbon fuels. In particular, hydrogen production by PEC water splitting represents an attractive alternative to enhance the efficiency of water splitting process using sun light. Current research in this field is devoted to the fabrication and evaluation of new photoactive materials that upon sunlight absorption enable water-splitting PEC reactions with high efficiency and durability. Silicon based compounds offer a good opportunity as photoactive material due to its high abundance and current scalable technologies. Silicon is the eighth most abundant element in the universe and constitutes up to 27.2% of the earth’s crust weight [1]. Particularly, hydrogenated amorphous silicon carbide (a-SiC:H) thin films have been tested as photocathode material for photo-assisted electrolysis, exhibiting solar to hydrogen conversion efficiencies up to 7.5 %. Due to the capability to tailor the bandgap (1.8 - 3.3 eV) by the incorporation of carbon in a-Si:H, this material has turned out to be a promising candidate for PEC cells, fulfilling the optical bandgap (Egap) primary requirement, i.e. Egap > 2.2 eV. Additionally, the carbon incorporation leads to an enhancement of the corrosion resistance properties in aqueous media. It has been theoretically estimated that a PEC device with an a-Si0.9C0.1:H absorption layer exhibiting 2.0 eV of energy bandgap, can generate a photocurrent density Jph of 15 mA/cm2 (solar-to-hydrogen conversion efficiency ∼18 %) when submitted to an Air mass (AM) 1.5 solar spectrum [2]. The specific value of 1.5 for the Air mass is selected for standardization purposes, based on the analysis of solar irradiance data in the United States, and corresponds to a power of 1000 W/cm2 [3]. In the present work, a similar material a-Si0.5C0.5:H exhibiting 2.76 eV of energy bandgap generates a Jph of 17 mA/cm2 when submitted to the same light spectrum. This reflects an improvement in the use of a-SiC:H in PEC water splitting. Research on single thin film photoactive materials does not typically consider the role of the silicon substrate in the photoelectrochemical performance. In this sense, the photoelectrode is a system formed by a p-p, n-n or n-p structure, which depending on the depth of the space charge region may have an important impact on the photoelectrode performance. In this work, this substrate effect has been considered and studied. PEC performance of a-SiC:H is often limited by its non-ideal energy band-edge alignment to the H2O/O2 redox potential, thus limiting the oxygen evolution reaction (OER) and the whole water splitting process [4]. To overcome this downside, an external bias needs to be applied, contributing to counteract the overpotential required to trigger the direct water splitting reaction. The external bias also contributes to reduce overpotentials due to the presence of a surface SiO2 barrier layer and compensates interface charge carriers recombination as well. Previous studies have demonstrated that by removing the SiO2 native layer vii from a-SiC:H(i) surface, Jph values over 6 mA/cm2 can be achieved at a potential of -1.4 V vs. Ag/AgCl in contrast to values lower than < 4 mA/cm2 obtained without the oxide removal. In fact, the existence of surface states (SS) originated from the hydroxyl group termination on the oxide surface, form an electronic state that is typically located within the semiconductor bandgap. The theory that such states act as recombination centers for minority photo carriers, fits quite well with the assumption that surface recombination competes with charge transfer from the semiconductor band towards the electrolyte. Additionally, it has been reported that depending on the density and energetic position of SS, these can provide another favorable pathway for indirect charge transfer to the solution, competing with the undesirable recombination mechanism. Knowledge in this field is limitated to full-drift diffusion simulations in steady-state and dynamic regimes for photo-anodic currents in crystalline materials. In the current work, an experimental study has been carried out over an amorphous material (a-SiC:H) acting as photocathode for PEC water splitting. Thus, adding knowledge in this field. Attempts to understand the role of a-SiC defects in PEC water splitting performance have been carried out in 2009 by Simonds et al. [5]. As a result of these, defects density in the bulk of the a-SiC increases with carbon concentration, from ∼9 × 1016 cm−3 (6%C) to ∼8 × 1017 cm−3 (11%C), leading to a reduction of the PEC performance. On the other hand, defect densities in the SiC/SiO2 interface (SS) were approximated by Gaussian distributions with maximums of ∼2 × 1012 cm−2 · eV−1 (Ivanov et al. [6]). The latter finding was retrieved from Capacitance-Voltage (C−V) measurements over metal-oxide-semiconductor (MOS) structures, and fit quite well with the SiC SS density distributions reported in this work. The current work consists in three parts. In the first part, Bandgap engineering of a-SiC:H thin films was carried out to assess the material light absorption without compromising its photoelectrochemical water splitting capabilities. The tailoring was performed by varying the hydrogen concentration in the semiconductor and by post-deposition isochronical annealing treatments from 200 to 700 ◦C. By isochronical annealing, the same sample is submitted to the different temperature steps, from low to high temperature. After this analysis, the most suitable samples for water splitting application were evaluated as photocathodes in 1 M sulfuric acid under chopped light illumination. These a-SiC:H samples were doped with aluminum and deposited on different Silicon substrate conductivity types to assess the substrate influence in the a-SiC:H(Al) photocurrent response. This constitutes the second part or the work. Finally, in the third part, the role of SS in the photocathodic current for a-SiC:H(Al) absorber layers was experimentally analyzed. This analysis was based on steady-state and dynamic electrochemical models. Results concerning a-SiC:H(Al) photocathode stability under darkness and illumination conditions are also shown and discussed in this part. Concerning the findings and the novelty in this work, localized a-SiC:H(Al)/SiO2 SS would take part in a desirable mechanism of indirect electron charge transfer viii to the electrolyte, and thus, conduct hydrogen evolution reaction. Related to the SiO2 native layer, the evidence suggests that the SiO2 layer reduction during PEC tests triggers a favorable semiconductor-electrolyte interface. This interface exhibits less overpotential barriers which promotes photocurrent generation. A correlation exists between the retrieved SS density (NSS) and Urbach energy (EU) values. The EU is associated with disorder-induced electronic tail states or Urbach tails, which are localized states near the semiconductor band-edges. This correlation, as well as other a-SiC:H(Al)/SiO2 interface studies, support the reliability of our NSS calculations for the c-Si(p)/a-SiC:H(Al)/SiO2/electrolyte system. Finally, a charge transfer mechanism assisted by photogenerated minority carriers from the c-Si substrate has been also proposed in this work
Caracterización de propiedades electrónicas de sensores nanoestructurados en base a carbono para la detección de tuberculosis
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-06-22) Rojas Valle, Merlyn; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
La Tuberculosis constituye uno de los principales factores de mortalidad en el mundo; en particular, en el Perú representa un problema de salud pública cada vez mayor. Por otro lado, el constante interés y avance en los estudios sobre la detección de biomoléculas con el uso de nanoestructuras constituye una alternativa de diagnóstico eficiente en sensibilidad y especificidad, con potencial para generar dispositivos económicos y de fácil fabricación. El presente trabajo de tesis se basa en el diseño e implementación de un sistema para caracterizar las propiedades electrónicas de transistores de efecto campo con canales basados en grafeno. El sistema cuenta con tres módulos: el módulo de medición conformado por dos medidores de parámetros semiconductores, un módulo de manipulación conformado por una estación de pruebas y microposicionadores, y un módulo de adquisición de datos conformado por un programa y un computador. Para la validación del sistema se fabricó un dispositivo sensor, del tipo transistor de efecto campo, basado en grafeno (GFET), y se evaluaron los principales factores que condicionan su desempeño en la detección de biomoléculas; factores tales como el recocido térmico, la resistencia de contacto y el uso de un buffer fosfato salino como medio electrolítico de compuerta. Asimismo, se realizó la adquisición de las curvas I-V de salida y de transferencia en cada etapa de fabricación del dispositivo sensor, y se analizó cualitativamente su desempeño en la detección de la secuencia de ADN 5'- GGTCCAGCTGTGTATCCACTCCAG-3' específica de la Mycobacterium tuberculosis (MTB). En la primera parte del presente trabajo de tesis se presentan los antecedentes y aplicaciones de los GFETs en la detección de ADN. La segunda parte está dedicada a brindar información detallada de todos los procedimientos experimentales, la implementación del sistema de medición, las herramientas analíticas y los materiales utilizados a lo largo del trabajo de investigación. La última parte presenta una discusión de los resultados obtenidos y las conclusiones extraídas del trabajo. A partir de los resultados del trabajo se puede inferir que el sistema de medición implementado permite evaluar las propiedades electrónicas de un transistor de efecto campo con una precisión adecuada y analizar sensores base grafenocadenas de ADN para la detección sensible y selectiva de tuberculosis. Como trabajo futuro, se deberán estudiar otros parámetros de calidad de los dispositivos sensores tales como la estabilidad a lo largo del tiempo, la especificidad y la robustez o reutilización con el fin de contrastarlos con los métodos estándar.
Caracterización y evaluación de la bio-compatibilidad de compuestos superficiales nanoestructurados de titanio e hidroxiapatita
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-03-06) García Huerto, Jossymar Carlos; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
En las últimas décadas, el titanio y sus aleaciones se han convertido en una alternativa atractiva para el uso como materiales para implantes y prótesis (implantes dentales, prótesis de rodillas, clavos endomedulares, etc.) por poseer las propiedades de biocompatibilidad, ligereza y de exhibir una buena resistencia mecánica y excelente resistencia a la corrosión. Actualmente una de las áreas de investigación más activas en el campo de los biomateriales es la de tratamientos superficiales sobre titanio, con la finalidad de mejorar la adherencia entre el implante y el hueso. El objetivo del presente trabajo de investigación es la caracterización de la superficie y evaluación de la biocompatibilidad de compuestos nanoestructurados de titanio e hidroxiapatita. La incorporación del titanio con la hidroxiapatita se realizó mediante un proceso de fricción batido (FSP) sobre la superficie del titanio, con diversas concentraciones de hidroxiapatita. La caracterización de la superficie de las probetas se realizó mediante dos métodos: por microscopía electrónica de barrido y perfilometría óptica. La evaluación de biocompatibilidad se realizó mediante ensayos electroquímicos, para evaluar la pasivación del titanio, y ensayo in-vitro para la evaluación de formación de apatita sobre la superficie de las muestras de titanio; ambos ensayos se realizaron a temperatura corporal (37°C). Se complementaron los estudios mediante una evaluación con microscopía electrónica de barrido. Los resultados muestran que es posible fabricar compuestos superficiales de hidroxiapatita pura e hidroxiapatita dopada empleando el método de procesamiento por fricción batido (FSP). Como resultado de los ensayos electroquímicos se observó hidroxiapatita dopada con oxido de silicio presenta el mejor comportamiento ante la corrosión; de la misma manera los ensayos in-vitro evidenciaron una mayor formación de apatita sobre la superficie de las muestras hidroxiapatita dopada.
Construction and implementation of a 4-probe measuring system to determinate the temperature dependent sheet resistance of thin films
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-04-12) Pacheco Arenas, Carlos Arturo; Ströhla, Tom; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
In order to build machines, electronic devices, it is necessary to know all properties of the materials. The machines and electronic devices use parts that are interconnected, the mechanical properties are important, but for some specific tasks the electrical properties are more important. In this sense it is necessary to predict the behavior of this parts in different temperatures to the environment. The present thesis focus on implementation of a 4-probe measuring system to determinate the sheet resistance of thin film samples showing the dependency of the resistivity on the film thickness as well as on the deposition temperature. The method used to determine the resistivity is the modified van der Pauw Method. Therefore, it is important the measurement of the current and the voltage drop in the sample. It is also important to measure the distance between tips, in order to calculate the resistivity. Furthermore, it is also important to find the correct transformation that maps any four point of a plane to a new plane with four collinear points. The measurements are controlled via LabVIEW and the measured data is displayed in the user interface.
Deposición mediante pulverización catódica y caracterización de películas delgadas de carburo de silicio (SiC) sobre sustrato de acero
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-05-06) Tello Suárez, Ernesto Hernán; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
Una forma de mejorar la resistencia al desgaste de la superficie del acero podría ser a través del recubrimiento de películas delgadas de SiC. El carburo de silicio (SiC), cerámico con excelente dureza, alta resistencia al calor, al desgaste y químicamente inerte a álcalis y ácidos, lo convierten en un material único para la ingeniería y en aplicaciones como recubrimiento. La presente investigación evaluó la deposición de películas delgadas de SiC mediante pulverización catódica (magnetron sputtering RF) y caracterizó estas películas sobre sustratos de acero de bajo carbono A36. Para caracterizar, se usaron técnicas de microscopía electrónica de barrido (SEM) y difracción de rayos X (DRX); y el ensayo de nanoindentación. Un análisis lineal en porcentaje en peso de silicio mediante el SEM corroboró que se depositó el SiC. La DRX confirmó la naturaleza amorfa de los recubrimientos de SiC depositados a baja temperatura y a baja presión. Al no tener calentamiento externo el sustrato de acero, no se pudo incrementar la difusión en el crecimiento de la película delgada de SiC. Los tratamientos térmicos de recocido a temperaturas de 800 °C, 865 °C, 1000 °C y 1300 °C no lograron la formación y crecimiento de fases cristalinas de SiC. Los ensayos de nanoindentación de las muestras sin recocido (8,7 GPa) y recocida a 800 °C (13,9 GPa) de las películas de SiC resultaron con mejor dureza frente a las durezas obtenidas de sus sustratos de acero (4,0 GPa y 1,0 GPa). Asimismo, la reducción en la rigidez de la película de SiC recocida fue sólo un 2,7% ó 2,28 GPa, manteniendo su rigidez a altas temperaturas (recocido a 800°C por 90 minutos); sin embargo, su dureza se incrementó en un 59,7% originando un recubrimiento más frágil. Esta investigación debería propiciar otras investigaciones, al considerar que hay otras variantes de la deposición por pulverización catódica que permiten calentar el sustrato a diferentes temperaturas y/o variar la potencia utilizada para la deposición y/o realizar diferentes mezclas de los gases y/o variar las presiones parciales de los gases; etc.
Desarrollo de nanocompuestos superficiales de hidroxiapatita para implantes oseointegrados empleando procesos de fricción batido
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2014-04-11) Muñante Palacin, Paulo Edgardo; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
En el presente trabajo de investigación se ha empleado la técnica de procesamiento por fricción batido (Friction Stir Processing: FSP) para generar superficies que combinen las buenas propiedades de biocompatibilidad del titanio y la hidroxiapatita. Se utilizó un sustrato de titanio CP grado 2, incorporándose en la zona de batido dos tipos de nanopartículas de hidroxiapatita a diferentes porcentajes en peso: hidroxiapatita pura e hidroxiapatita dopada con óxido de silicio. Se realizaron dos pases con la herramienta de procesamiento, los parámetros para el primer y segundo pase fueron: velocidad de rotación de 800 y 1100 rpm y velocidad de avance de 1200 y 1100 mm/min respectivamente. Los materiales empleados y los nanocompuestos resultantes fueron caracterizados mediante microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido y espectroscopía de energía dispersiva. Los resultados muestran que es posible fabricar los nanocompuestos mediante FSP dado que presentan una plastificación y batido uniforme tanto del material sustrato como de las nanopartículas; las capas superficiales tienen una profundidad de entre 10 a 25 μm, sin embargo se aprecia una considerable rugosidad. Los ensayos electroquímicos bajo un entorno de fluido corporal simulado a 37°C muestran que entre los nanocompuestos fabricados por FSP mejoran sus propiedades de resistencia a la corrosión y biocompatibidad según la variación de porcentaje en peso de las nanopartículas, no obstante los nanocompuestos
Desarrollo de una metodología para evaluar las propiedades mecánicas de componentes de prótesis de miembro superior activadas por muñeca fabricados mediante modelado por deposición fundida
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-09-29) Lara Ugaz, José Andrés; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
El presente trabajo de tesis está enfocado en el desarrollo de una metodología de ensayos para evaluar las propiedades mecánicas de prótesis de miembro superior activadas por muñeca, fabricadas mediante el proceso de manufactura aditiva de modelado por deposición fundida. Actualmente, existen normas para evaluar prótesis de miembros inferiores y de cadera, sin embargo, la información disponible sobre cómo evaluar prótesis de miembro superior es muy escasa. Este trabajo representa una contribución para suplir la falta de normativa y procedimientos estándares para evaluar prótesis de miembro superior activadas por muñeca. La metodología desarrollada y los ensayos tecnológicos propuestos permiten determinar las propiedades mecánicas de la prótesis y sus capacidades máximas de carga. La metodología desarrollada fue validada mediante la aplicación en un diseño de prótesis perteneciente al proyecto “Dando una Mano”. Los resultados fueron satisfactorios y contribuyeron con la elaboración de una propuesta de optimización en el diseño de la prótesis evaluada. Los ensayos se llevaron a cabo en el Laboratorio de Materiales PUCP y los componentes de la prótesis fueron fabricados en el Laboratorio de Manufactura Digital VEO 3D PUCP. Este trabajo de tesis fue financiado por el CONCYTEC-FONDECYT en el marco de la convocatoria Proyecto Investigación Básica y Aplicada, 2017-02, titulado: 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 en prótesis de mano [Contrato N° 163-2017- FONDECYT]. Y los resultados han sido publicados en la revista “Advances in Science, Technology and Engineering Systems Journal” en un artículo titulado “Mechanical Testing Methods for Body-Powered Upper-Limb Prostheses: A Case Study”.
Development of friction stir processing of CNT - reinforced aluminum alloy composites
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2015-08-12) Regensburg, Anna; Bergmann, Jean Pierre; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
Owing their wide range of exceptional properties, for example thermal conductivity values of more than 3000W/(mK) and strength in the range of 100 GPa, Carbon Nanotubes (CNTs) have recently gained much attention as reinforcement for composite materials. Considering the practical application in metal matrix composites (MMCs), tranferring those favourable properties from nano to macro scale represents a main challenge. Methods of the powder metallurgy route show promising results so far, but also lead to long process times and damage of the tublar structure of the CNTs due to prolonged ball milling times. At this point, the application of Friction Stir Processing (FSP) for fabricating CNT-reinforced MMCs offers the possibility to reduce process times and realize the required reinforcement at the relevant location of the component. The process uses a specially designed tool with a pin to plasticize the base material by frictional heating and thus incorporate the reinforcing material by stirring it into the workpiece. Investigations, that have been carried out on this subject, generally consider the unifom dispersion of the CNTs within the matrix as the key challenge of this process. So far, the solution herefore is the application of multipass-FSP in order to distribute the CNTs uniformly by processing the weld up to five times with alternating welding direction. This method usually leads to damage or even destruction of the tubular structure of the CNTs. Regarding all investigations on this subject, it can be noticed, that only conventional tool profiles like cylindrical or threaded were used for the experiments, though other profiles like square or more complex ones are considered to exhibit an increased mixing effect. Therefore the objective of the thesis is to analyse the performance of four different tool geometries under varying parameters and their influence on the CNT dispersion and general MMC composite properties. Channels were cut into an Al 5086 plate, filled with CNT-powder and processed by the different tools. The results were evaluated by metallographic analysis, hardness and electrical resistance measurement and SEM analysis. Among the different geometries, the triangular profile produced defect-free welds over the whole parameter set and distributed the CNTs uniformly along a wide area close to the weld surface.
Diseño mecánico de una máquina para ensayos de desgaste del tipo pin on disk
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-01-22) García Valdez, Omar; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
El diseñado planteado en el siguiente proyecto demuestra una propuesta bastante económica y versátil de una máquina para ensayos de desgaste del tipo pin on disk, ya que puede adaptarse a cualquier modificación planteada posteriormente sin afectar su buen funcionamiento durante los ensayos que se realicen. Esta máquina simula fenómenos de desgaste adhesivo, de esta manera permitiendo conocer las propiedades tribológicas de estos bajo ciertas condiciones de trabajo. El alcance de la tesis abarca desde el diseño mecánico de todos los componentes necesarios para el funcionamiento de la máquina hasta la elaboración de planos de despiece y ensamble de esta misma. Otro tema que incluye la tesis es la elaboración de un balance de costos que nos permite estimar el precio por la fabricación de la máquina de desgaste y comparar con los precios de otras máquinas que presenten similares funciones. La propuesta para el diseño de la máquina incluye un pin, el cual será forzado a hacer contacto con un disco giratorio y generar contacto sobre el mismo. El contacto entre el pin y el disco originará una huella, la cual se acentuará mientras va transcurriendo el ensayo, y brindará información del comportamiento del material frente al desgaste. Para el diseño se tomó como referencia los parámetros exigidos por la norma ASTM G-99 “Standard test method for wear testing with pin on disk apparatus”, los cuales nos indicaban que la velocidad de giro de la probeta debe encontrarse entre 60 a 600 rpm. Para la regulación de la carga se utilizarán pesas que nos permitan cuantificar la fuerza ejercida del pin hacia el disco.
Estrategias didácticas para la enseñanza y aprendizaje de un curso de laboratorio de mecánica de suelos en modalidad virtual
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-10-04) Zamora Beyk, Juan Pablo; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
La investigación del presente trabajo consiste en establecer las estrategias didácticas para un curso de laboratorio de mecánica de suelos en modalidad virtual. Actualmente debido a la emergencia sanitaria no es posible realizar el laboratorio en la modalidad presencial, por lo que se hace imprescindible realizarlo de forma virtual manteniendo la calidad en el contenido educativo. Para ello, se hace una investigación acerca de las metodologías eficaces de enseñanza de cursos de laboratorio en universidades del mundo, así como una indagación de la problemática del curso actual. De forma general, la problemática del curso es que no existe retroalimentación y en consecuencia afecta el desarrollo de la habilidad de análisis e interpretación de datos con el fin de emitir conclusiones acertadas en los informes. A partir de esta investigación se establece que el curso debe contemplar estrategias de trabajo colaborativo y evaluación formativa para la elaboración de informes, dando énfasis a la retroalimentación oral, así como la implementación de plataformas virtuales con recursos en línea. El objetivo del uso de estas estrategias es verificar su beneficio en el desarrollo de la habilidad de análisis e interpretación de datos para la redacción de conclusiones con juicios de ingeniería en los informes de laboratorio. El método de investigación que se usa es el de investigación acción y se busca comprobar la eficacia de la estrategia de aprendizaje colaborativo, revisar los beneficios de la retroalimentación oral en el desarrollo de los informes y examinar la contribución de los recursos en línea en el aprendizaje. Para recopilar información se usan instrumentos como el diario docente, entrevistas, encuestas y análisis documental de informes. Se concluye que los recursos en línea (videos de ensayos, material del curso, clases grabadas y evaluaciones) son favorables en el aprendizaje de los alumnos, asimismo la retroalimentación oral contribuye en la mejora de la redacción de conclusiones en los informes a partir del análisis e interpretación de los resultados de ensayos de laboratorio.
Estudio de la resistencia a la tracción y a la flexión de materiales compuestos de matriz polimérica fabricados mediante impresión 3D
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-12-14) Maz Vargas, Héndrick; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
La tecnología de manufactura aditiva, AM (additive manufacturing) se está usando con gran éxito en las diversas aplicaciones del modelado por deposición fundida, FDM (fused deposition modeling). Esta es la tecnología más usada en la fabricación 3D principalmente en el área de ingeniería mecánica que la incorpora a sus procesos de producción de prototipos rápidos para pruebas funcionales de bajo costo, componentes complejos, piezas, accesorios, fabricados a partir de modelos digitales. Debido a la necesidad de mejorar las propiedades mecánicas de la materia prima usado para la fabricación de componentes, existe la exigencia de buscar nuevos materiales que puedan ser usados con la tecnología de impresión 3D. Uno de los posibles métodos es la adición de refuerzos de nanotubos de carbono y fibras de carbono a materiales poliméricos como el ABS (acrilonitrilo butadieno styrene). Así, formar materiales compuestos de matriz polimérica que podrían ser utilizados directamente en aplicaciones reales como en la industria aeronáutica y automotriz. El presente trabajo tiene como objetivo la fabricación y caracterización de materiales compuestos de matriz polimérica usando impresión 3D para luego evaluar y comparar sus propiedades mecánicas. Para la fabricación se utilizó la tecnología de impresión FDM y los siguientes materiales: ABS puro, compuestos de ABS más nanotubos de carbono y ABS más fibra de carbono. La metodología seguida para el desarrollo del trabajo primero fue el diseño de las muestras, para ello se utilizó la norma ASTM D638 para las probetas de tracción y ASTM D790 para las probetas de flexión; luego se determinó los parámetros de fabricación variando alturas de capas de deposición a 0,4 mm y 0,2 mm; y cinco diferentes tipos de mallado interno variando las orientaciones de deposición de capas a 90°, 0°, 45°, 0°/90° y 45°/-45°. Luego se procedió a la determinación de las propiedades mecánicas mediante ensayos de tracción y flexión. Finalmente, se realizó una caracterización estructural a la superficie de fractura mediante microscopía electrónica de barrido, SEM (scanning electron microscope). Como resultado final de los ensayos de tracción y flexión se tiene que en general los especímenes fabricados con ABS tienen mayor resistencia que los compuestos de ABS más nanotubos de carbono y ABS más fibra de carbono. Siendo los especímenes fabricados con 0,2 mm de altura de capa más resistentes que los de 0,4 mm. Además, los especímenes fabricados con 0,2 mm de altura de capa tienen resistencia igual a la del filamento base utilizado para la fabricación. Este caso se cumple solo en el ABS y ABS más nanotubos de carbono. En el compuesto ABS más fibra de carbono se refleja una notable disminución de la resistencia. Aunque los resultados del módulo de elasticidad tienen una elevada variabilidad, en todos los casos los materiales compuestos tienen una mayor rigidez respeto al ABS; sin embargo, la rigidez del compuesto ABS más fibra de carbono disminuye a la mitad respecto a su filamento base. Finalmente, los resultados del SEM indican que en el compuesto ABS más fibra de carbono, estas micro partículas no se adhieren de manera correcta a la matriz polimérica creando cavidades entre matriz y aditivo, debilitando la acción del refuerzo al momento de la transferencia de esfuerzos. Resultado que se reflejó durante de los ensayos mecánicos
Estudio de materiales compuestos de cuero recuperado aglomerados con resina polimérica
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2014-05-20) Arias Fernández, Alejandro José; Acosta Sullcahuamán, Julio Arnaldo; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
Actualmente la producción de calzados de cuero es una actividad económica que crece principalmente al ritmo de la población de las grandes ciudades. En distintas etapas de la producción del calzado se realiza el corte del cuero y como producto de este proceso se obtienen grandes cantidades de mermas no utilizadas en la confección del calzado; éstas representan un 4% del total del cuero utilizado, los cuales normalmente son desechados incrementando el volumen de los residuos sólidos y, con ello, los problemas medioambientales. Entre las soluciones a este problema se plantea el recuperado de los residuos de cuero con el propósito de agregar valor a la cadena de producción del calzado; así, por ejemplo, producir a partir de estos residuos un material capaz de ser utilizado como suela falsa de botas de seguridad industriales. El objetivo de este trabajo es el estudio de las propiedades de los materiales compuestos de cuero recuperado aglomerados con resina polimérica. Con este propósito, se ha desarrollado este trabajo según las siguientes etapas: en primer lugar, se estudian los fundamentos teóricos relacionados con los materiales compuestos y procesos existentes que involucren residuos de cuero; seguidamente, se estableció la metodología experimental a seguir para la fabricación del material compuesto de cuero y resina polimérica, verificando mediante ensayos el proceso más adecuado para la obtención de las diferentes mezclas a evaluar y, finalmente, se fabricaron las muestras según el diseño experimental que considera la variación de la composición de las mezclas y del tamaño de partículas de cuero y se realizaron los distintos ensayos para determinar el material compuesto que posea las mejores propiedades mecánicas y otras físicas. Finalmente, se ha determinado un proceso de fabricación para la obtención de materiales compuestos de cuero recuperado aglomerados con resina poliéster; identificando las variables involucradas en las etapas de este proceso: Preparación del cuero y la resina, mezcla de los constituyentes, curado y prensado a temperatura ambiente y curado en horno. Asimismo, se determinaron las propiedades mecánicas de los materiales compuestos resultantes y además la densidad y absorción de agua de los mismos.
Estudio de materiales compuestos obtenidos a partir de lodos celulósicos de la industria papelera, cemento y arcilla
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2014-08-12) López Mayo, Jesús; Acosta Sullcahuamán, Julio Arnaldo; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
La eliminación de los desechos de la industria papelera es un problema de creciente importancia en el mundo debido a que aumenta con la demanda de papel y productos similares. Entre estos desechos se tienen a los lodos celulósicos, cuyo transporte hacia los rellenos sanitarios genera un gasto considerable a las empresas papeleras y un impacto negativo en el medio ambiente por la emisión de gases de efecto invernadero durante su descomposición. No obstante en los últimos quince años se han llevado a cabo investigaciones sobre los posibles usos de los lodos de papel, llegando hoy en día a tener aplicaciones en la agricultura, en la industria cerámica y fuentes energéticas, entre otros. El objetivo del presente trabajo es el estudio de las propiedades de mezclas de lodos de papel, cemento y arcilla del tipo bentonita sódica, en la perspectiva de obtener un material compuesto de propiedades adecuadas para la fabricación de materiales de construcción de bajo costo en el Perú. La metodología para el este estudio incluye la elaboración de muestras con distintas composiciones de mezcla de lodos de papel, pasta de cemento y pasta de bentonita sódica, de acuerdo al diseño experimental. Dichos constituyentes se mezclan para posteriormente comprimirlos en un molde a una presión determinada y eliminar el exceso de agua, así como conseguir una mejor compactación y acabado de la muestra. Las muestras resultantes fueron sometidas a ensayos de flexión, compresión, densidad y absorción de agua, para conocer las propiedades respectivas del material compuesto y establecer la posibilidad de su uso en la fabricación de paneles, calaminas y ladrillos teniendo como referencia las normas ASTM (American Society for Testing Materials). Como resultado, se determinó que el material compuesto con la mejor combinación de propiedades mecánicas para la fabricación de paneles y calaminas fue el obtenido a partir de 45% de cemento, 40% de lodos de papel y 15% de bentonita sódica, superando los valores de resistencia a la flexión, momento de rotura y manipulabilidad requeridos por la norma ASTM C1225. Así mismo el material compuesto de 50% de cemento, 30% de lodos de papel y un 20% de bentonita sódica supera la resistencia a la compresión mínima establecida por la NTP.399.611 y NTP 399.613, normas técnicas peruanas de pavimentos y ladrillos respectivamente.
Evaluación de la resistencia a la corrosión de la aleación de aluminio AA 6063-T6 procesada mediante fricción batido
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2015-07-08) Reyes Oré, Eduardo; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
El presente trabajo esta de dedicado a evaluar la resistencia a la corrosión de la aleación de aluminio AA6063-T6 procesada mediante fricción batido. Para el desarrollo del trabajo se elaboraron probetas de 150 x 100 x 2.8 mm las cuales fueron procesadas por fricción batido con una misma velocidad de rotación (600 RPM) y con diferentes velocidades de avance (60,100, 120, 160 y 200 mm/min). Luego de que las probetas fueron fabricadas, se procedió a la inspección visual y a la realización de los ensayos microestructurales para ver si el proceso se había realizado adecuadamente y en que combinación de velocidades se obtenía una adecuada estructura; asimismo, para evaluar como la microestructura de las 3 zonas (Zona afectada por el calor, Zona termo mecánicamente afectada, Zona batida) variaba con respecto al metal base. Además, se realizó un barrido de dureza en la zona transversal a un 1 mm de la superficie para analizar la variación dureza en las 3 zonas del proceso con respecto al material base. Por último, se realizaron los ensayos de corrosión. Los primeros ensayos fueron los de inmersión, donde se fabricaron 3 clases de muestras por cada probeta, una de la zona batida, la otra de la zona termo mecánicamente afectada y la última fue de una muestra de las 3 zonas con una parte del material base. Todas estas probetas fueron sumergidas en una solución de 1M HCl y pesadas luego de 72, 96 y 144 horas de haber sido sumergidas. Para corroborar los resultados obtenidos se realizaron ensayos electroquímicos. Se fabricaron muestras circulares de 15 mm de diámetro para cada probeta. A continuación se realizaron ensayos de potencial del circuito abierto y luego se procedió con los ensayos potenciodinámicos. Finalmente, las probetas sumergidas 144 horas fueron analizadas en un microscopio electrónico de barrido para evaluar el modo de corrosión.
Evaluación de la resistencia a la corrosión de uniones soldadas de acero inoxidable mediante proceso GTAW y material de aporte tubular
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2015-06-12) Camacho Medina, Bruno Alberto; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
La presente investigación tiene como objetivo comprobar la factibilidad de uso de una varilla material de aporte, de geometría tubular, en el proceso de soldadura de un acero inoxidable AISI 316L mediante soldadura GTAW. Se elimina de esta manera la necesidad de uso de gas de protección en algunas de las etapas del proceso generando asi un ahorro considerable en la utilización de gas de protección. Para lograr tal cometido, se ha efectuado ensayos electroquímicos para comparar la resistencia a la corrosión de uniones soldadas con material de aporte convencional y el propuesto en esta investigación. Todas las muestras fueron sometidas a ensayos de obtención de potencial de corrosión en circuito abierto y a ensayos potenciodinámicos. Se hallaron así valores como intensidad de corrosión y velocidad de penetración de corrosión. En base a los resultados obtenidos se ha podido caracterizar cualitativamente las propiedades de la capa pasiva del material. Además de los ensayos electroquímicos, se ha realizado también ensayos de metalografía para poder caracterizar la microestructura de las muestras. Los resultados indican que no existe una pérdida de propiedades anticorrosivas de la unión soldada empleando el material de aporte tubular, todas las microestructuras observadas son adecuadas y los valores obtenidos de velocidad de corrosión e intensidad de corrosión son aceptables, tomando como referencia el metal base AISI 316L cuyos valores de Intensidad de corrosión y velocidad de penetración de corrosión son respectivamente 3,985 mg/cm2*y y 5,006 um/y (obtenidos en la presente investigación) comparados contra los valores del cordón de soldadura del aporte TG-X 316L 1,881 mg/cm2*y y 2,363 um/y y los valores del material de aporte convencional ExsaTIG2010Mo 2,075 mg/cm2*y y 2,606 um/y, se observa que los valores del material de aporte tubular son tan buenos como los obtenidos para las soldaduras realizadas con material de aporte convencional. Se concluye que es factible la utilización de este material de aporte, particularmente, su mejor utilidad está enfocada en la soldadura de tuberías y tanques, generando así un ahorro considerable en la utilización de gas de protección.
Evaluación de la resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión de materiales compuestos AA5083-nano TiCN fabricados mediante fricción batido
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2016-06-21) Solórzano Malo, Alfredo; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
En la presente investigación se evalúa el efecto de la incorporación de nanopartículas de carbonitruro de titanio (TiCN) en la aleación AA5083 mediante la técnica de fricción batido (FSP) sobre las propiedades de resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión de los materiales compuestos resultantes. Se elaboraron probetas de 150 mm de largo x 13 mm de ancho x 2.8 mm de altura cada una, la cual se procesaron a diferentes porcentajes de nanopartículas de TiCN (0 %, 5 %, 10 % ,15 %). Se utilizó como parámetros óptimos de procesamiento de fricción batido: velocidad de rotación 1000 RPM y velocidad de avance 80 mm/min. La forma del pin para la presente investigación fue cilíndrica roscada de 2.5 mm de altura y 4 mm de diámetro. Luego se realizó una inspección visual y caracterización microestructural de los materiales compuestos AA5083-nanoTiCN resultantes, mediante microscopia óptica y microscopia electrónica de barrido. Se determinó 2 tipos de fases intermetálicas características: Al (Mn, Mg/Si) y Al (Mn, Mg) o también llamado β (Al3Mg2). Así mismo se evaluó la distribución de la nanopartícula de TiCN en el material base AA5083 después de ser procesada mediante fricción batido y se observó aglomeración de la nanopartícula TiCN. Se determinó una disminución en el tamaño de grano producto del procesamiento por fricción batido pasando de 16.0983 ± 6.9724 μm en la zona del material base a 2.4871 ± 0.7664 μm en la zona del núcleo central. Por último se evaluaron las propiedades mecánicas de dureza, la resistencia al desgaste mediante la pérdida de peso y resistencia a la corrosión se evaluó en un medio de agua de mar artificial. Se reportó una mejora en los valores de dureza alcanzando un 30% de aumento en relación al material base (110 HV frente a 84 HV) este aumento de la dureza se le atribuye al refinamiento de grano. La resistencia al desgaste se mejoró en las probetas procesadas mediante fricción batido conforme se aumentó el porcentaje de nanopartícula de TiCN (2.0898 gramos de pérdida de peso en el material base frente a 1.1114 gramos de pérdida de peso en la probeta AA5083-nanoTiCN 15%) y la resistencia a la corrosión aumento en 26 % en relación al material base producto del del afinamiento de grano y la mayor distribución del compuesto intermetálico β (Al3Mg2) el cual promovería la repasivacion.
Evaluación de las propiedades de amortiguamiento de materiales fabricados por impresión 3D y reforzados con nanotubos y fibras de carbono
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-01-23) Tapia Cabrera, Jorge Eduardo; Rumiche Zapata, Francisco Aurelio
La versatilidad que la tecnología de modelamiento por deposición fundida (FDM por sus siglas en inglés) presenta para la fabricación de componentes y piezas, no solo para fines decorativos sino para fines industriales, representa una nueva plataforma tecnológica para el desarrollo de nuevos materiales. En pos de tal avance, esta tesis busca describir empíricamente las relaciones entre los parámetros de fabricación por FDM y las propiedades de amortiguamiento de materiales nóveles para fines industriales en reducción de vibraciones, movimiento o sonido. En esta investigación se utilizarán dos materiales reforzados en una matriz de acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), el primero con refuerzos de nanotubos de carbono y segundo reforzado con fibras de carbono, de ahora en adelante “ABS + CNT” y “ABS + CF” respectivamente. La redacción de este estudio comienza con una revisión de la literatura acerca la impresión 3D. Asimismo, se realiza una introducción a la teoría del amortiguamiento utilizada en este estudio. Se introducen los conceptos de stick slip, fuerzas de excitación, análisis de datos mediante transformadas de Fourier, método 3dB ancho de banda para el cálculo del ratio de amortiguamiento, y una recopilación de diversas investigaciones realizadas a materiales reforzados con nanotubos y fibras de carbono. Finalmente, se exponen las hipótesis centrales de este estudio. El procedimiento experimental seguido en esta tesis contempló la impresión de las probetas en dos tipos de orientación: cruzada 45°-/45° y unidireccional, en tres niveles de porcentaje de relleno, 100 %, 80 % y 60 %, para cada material. La selección de estos parámetros de impresión se realizó de acuerdo a las mejores propiedades mecánicas obtenidas en investigaciones anteriores [1]. Luego, en el Laboratorio de Acústica de la sección de Física, se implementó un banco de ensayos de caracterización de amortiguamiento de material mediante método impacto. Finalmente, las probetas se caracterizaron mediante ensayos de tracción en el CITE Materiales PUCP. De acuerdo a los ensayos realizado se concluye que los refuerzos de nanotubos de carbono en la matriz de ABS aumentan las capacidades de amortiguamiento del material. Sin embargo, las propiedades de amortiguamiento son inferiores a las de otros materiales utilizados en la industria de impresión 3D. Con respecto a los parámetros de impresión, se muestra la predominancia de la orientación cruzada por sobre la orientación unidireccional en propiedades de amortiguamiento y se sugiere una correlación entre la reducción de la densidad y el aumento de las propiedades de amortiguamiento en los materiales ensayados. Finalmente, se dan detalles acerca del proceso de fabricación de las probetas además de un análisis de las propiedades mecánicas en función de la densidad y de la orientación.