“análisis y modelado 3d de máscara facial deportiva basada en...

MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 18 al 20 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO

A1a.Diseño Mecánico

“Análisis y modelado 3D de máscara facial deportiva basada en material

compuesto”

Miroslava Cano Lara *a, Luis Raúl Montaño Pérez a, Ángel Eduardo Flores Patiño a, Higinio Juárez Ríos b, Horacio Rostro González c a Instituto Tecnológico Superior de Irapuato, Departamento de Ingeniería Mecatrónica, Irapuato, Gto. México, b Instituto Politécnico Nacional-UPIIG, Departamento de formación profesional específica, Silao, Gto. México, c Universidad de Guanajuato-DICIS, Departamento de electrónica, Salamanca, Gto. México. *Autor contacto: [email protected]

R E S U M E N

En este trabajo se presenta el análisis mecánico de una máscara facial para jugadores de básquetbol. Se empleó para su estudio un material compuesto novedoso formado por fibras de yute, cáscara de nuez pecana pulverizada y resina poliéster. Se obtuvo un modelado geométrico personalizado de la cara de un maniquí, empleando la técnica conocida como fotogrametría y el modelado en 3D. El análisis dinámico estructural por medio de elemento finito permite mostrar el comportamiento de la máscara facial deportiva ante el impacto de una masa considerada de forma esférica de fuerza de 30G, la cual es capaz de ocasionar una fractura nasal en el jugador. Las propiedades mecánicas del material compuesto fueron estudiadas de manera experimental, para lo cual se fabricaron probetas constituidas del pulverizado de cáscara de nuez, resina poliéster y 7 capas de yute posicionadas a 90º y 30º. Los resultados dinámicos muestran que la máscara facial propuesta en este trabajo cuenta con los parámetros físicos requeridos para proteger particularmente los huesos nasales del jugador de básquetbol.

Palabras Clave: máscara deportiva, fotogrametría, material compuesto, análisis de elemento finito.

A B S T R A C T

The mechanical analysis of a sport face-mask for basketball players is presented in this work. A novel composite material was used for this study formed by jute fibers, powdered pecan nutshell and polyester resin. The custom geometric model was obtained of a mannequin face, the photogrammetry technique and 3D modeling was used. The structural dynamics analysis through finite element allows showing the behavior of the sport facial mask when it is impacted by a mass considered as spherical with a force of 30G, which is able to cause a nasal fracture on the player. The mechanical properties of the composite material were studied by an experimental way; test pieces were manufactured consisting of powdered nutshell, polyester resin and 7 jute layers positioned to 90º and 30º. The dynamics results show that the proposed facial mask on this work have the physical parameters required to protect particularly the basketball player nasal bones. Keywords: Sport face mask, photogrammetry, composite material, finite element analysis.

1. Introducción

Los deportes físicos a nivel profesional producen lesiones

leves o severas debido al nulo uso de protecciones, las

cuales pueden llegar a ocasionar diversos tipos de fracturas

en el cuerpo. Con el fin de proteger las lesiones que

persisten en los deportistas, se han creado aditamentos de

diversos materiales, formas y tipos. Las protecciones

pueden ser empleadas para una fractura existente o para

prevenir una posible lesión. Deben cumplir con

requerimientos de comodidad, ser ligeras, de fácil manejo y

no afectar el desempeño del jugador. En la actualidad

existen en el mercado protecciones que son hechas de fibra

de carbono, UTEM9085, fibra de vidrio [1].

En particular, las protecciones faciales o también

conocidas como sport face mask, son usadas por atletas que

han sufrido lesiones maxilo-faciales. Las lesiones pueden

ser resultado del contacto físico directo con los oponentes,

golpes entre los mismos jugadores o del balón en juego [2].

Un estudio realizado por la NCAA (por sus siglas en

inglés) para el deporte en general, arrojó que de un 6 al 10

% de las lesiones provocadas en el área maxilo-facial se

presentan en el momento mismo de la práctica del deporte.

El 23.1% de estas lesiones faciales son atribuidas al

básquetbol y en su mayoría resultan en fracturas nasales o

ISSN 2448-5551 DM 169 Derechos Reservados © 2018, SOMIM


algún traumatismo similar [3]. Las caretas deportivas

permiten al jugador volver a realizar su deporte,

proporcionan una gran resistencia a los golpes que pueden

ser adquiridos en la región fracturada y protege

correctamente la nariz, pómulos, cejas y frente.

Actualmente no es frecuente observar el uso de

máscaras deportivas en jugadores amateurs de básquetbol,

una de las causas radica en el alto precio de venta y la poca

cultura de utilizar este tipo de protecciones. La

manufactura de este tipo de caretas requiere de un estudio

de diseño personalizado de la cara del jugador. Por lo

general se emplean materiales compuestos reforzados con

fibras sintéticas o inorgánicas como la fibra de carbono o

fibra de vidrio. Uno de ellos es el UTEM9085 el cual es

utilizado en la industria aeronáutica [1].

En este contexto, el adquirir una careta para básquetbol

elaborada de fibra de carbono, si bien aporta excelentes

propiedades mecánicas y una estética de vanguardia, es de

un costo elevado [4]. Por otro lado, las caretas elaboradas

con fibras de vidrio al aportar propiedades mecánicas

menores a las elaboradas con fibra de carbono, emplean

materiales más baratos reduciendo el costo de adquisición.

La Fig. 1 muestra ejemplos de máscaras deportivas

estándares, la imagen 1(a) es una careta de fibra de

carbono, la imagen 1(b) es una careta de fibra de vidrio,

ambas con resina epóxica. Actualmente en Latinoamérica

es difícil de adquirir una careta deportiva, algunas causas

son por el costo elevado debido a su material compuesto

del cual está hecha (fibras sintéticas) y la escasez de

comercios que se dediquen a la venta de protecciones para

la nariz. Son pocos los estudios mecánicos relacionados

con las caretas deportivas, ya que están enfocados tanto

para su fabricación, como para la ortopedia o medicina

deportiva [4].

Figura 1 – Máscaras faciales deportivas comerciales (a)Reforzada

con fibra de carbono; (b) Reforzada con fibra de vidrio.

Este trabajo está enfocado en el análisis por elemento

finito de una careta facial para jugadores de básquetbol,

empleando materiales básicos que se adquieren con

facilidad y por un precio más accesible que los empleados

en las máscaras deportivas comerciales. El análisis y

modelado 3D de la careta de material compuesto

conformado con fibras naturales y pulverizados orgánicos,

proporciona el comportamiento que presenta la careta ante

una masa específica que suministra un impacto en la zona

nasal. Se presenta una alternativa de emplear materiales

compuestos de fibra de yute y pulverizado de cáscara de

nuez pecana, en una matriz sintética de resina poliéster;

para estudiar aplicaciones en el ámbito de protectores

deportivos.

2. Marco Teórico

2.1 Material Compuesto

Un material compuesto es la combinación de uno o más

materiales ya existentes, los cuales al ser combinados

ofrecen una variedad de propiedades que usualmente no

serían encontrada en materiales convencionales. Estos

materiales están conformados por dos partes importantes,

la matriz y el refuerzo.

La matriz al ser la fase continua en la que el refuerzo

queda embebido, aporta la rigidez que se requiere para un

cierto material como los metales, cerámicos o resinas

orgánicas [5, 6]. Las resinas son plásticos termo-estables

comúnmente usados en la elaboración de materiales

compuestos. Existen tres tipos de resinas que se emplean

como matrices: poliéster, epóxica y viniléster. En

particular, la resina poliéster es la matriz más usada para la

fabricación de materiales compuestos, a pesar de no

proporcionar excelentes propiedades mecánicas es muy

comercializada y no implica mayor riesgo trabajarla dentro

de un laboratorio.

La fase discontinua o refuerzo puede ser del tipo:

relleno de partículas (sin una longitud preferente), fibras

discontinuas o “whiskers” (en caso de tener fibras u

hojuelas una o dos longitudes), o fibras largas (tejidas o no

tejidas). Las fibras más utilizadas son vidrio, carbono y

arámida, las cuales poseen una alta resistencia a la tensión

[4]. De acuerdo con el tipo de orientación que se les

induzca a las fibras aportarán nuevas propiedades

mecánicas al material compuesto, permitiendo que este se

comporte de manera isotrópica o anisotrópicamente.

La Fig. 2 muestra los tipos de matrices empleadas en los

materiales compuestos: relleno de partículas, las fibras

discontinuas o también llamadas whiskers y las fibras

continúas con mallados específicos [6]. Aparte de las fibras

sintéticas e inorgánicas comunes como la fibra de carbono

y la fibra de vidrio existen las fibras naturales. Este tipo de

fibras van ganando mayor importancia en la tecnología de

materiales compuestos debido a que son orgánicas, de fácil

obtención, peso ligero, bajo costo y alta resistencia

específica. El desarrollo de materiales ecológicos para la

elaboración de nuevos materiales compuestos reforzados

con fibras naturales, han venido avanzando día a día dando

una alternativa en cuanto a la tecnología de diseño de

nuevos productos [7].

(a) ((b)



Figura 2 – Clasificación de los materiales compuestos reforzados por

fibras [5].

La fibra de yute al ser empleada en los materiales

compuestos como un refuerzo de tipo orgánico presenta

ventajas como baja densidad, es porosa, de bajo costo y de

fácil obtención. El yute se ha popularizado para la

fabricación y manufactura de piezas de automóviles, más

específicamente, de los interiores de los automóviles [8].

Las fibras naturales pueden complementarse con refuerzos

de pulverizados naturales los cuales les aportan una mayor

resistencia a los esfuerzos de compresión. La cáscara de

nuez al ser un material orgánico que se desecha o se tira a

la tierra para devolver sus nutrientes como abono, también

se emplea en forma de polvo como abrasivo en las

industrias. Dado su bajo costo, su naturaleza biodegradable

y su disponibilidad durante todo el año, la cáscara de nuez

es una potente materia prima con múltiples oportunidades

para el diseño de nuevos materiales compuestos, debido a

sus propiedades químicas y mecánicas [9, 10].

El estudio de una máscara deportiva que presente las

características de protección en la región delicada de la

nariz del jugador, muestra una novedosa alternativa de

emplear nuevos materiales compuestos empleando fibras y

pulverizados naturales.

2.1.1 Caracterización de material compuesto

Para el estudio de un nuevo material compuesto es

necesario realizar pruebas mecánicas para obtener las

curvas de esfuerzo-deformación. La elaboración de

probetas que cumplan con ciertas normas establecidas

apoyan con el estudio mecánico del material propuesto.

Los parámetros mecánicos del material como el módulo de

Young y el esfuerzo máximo de tensión nos proporcionan

datos importantes son necesarios para realizar los estudios

sobre el diseño de la máscara deportiva.

2.1.2 Probetas

Las probetas elaboradas con el material compuesto de

fibras de yute y pulverizado de nuez pecana para emplear

en las pruebas de tensión, fueron elaboradas bajo la norma

ASTM D638 tipo I. La norma garantiza una geometría

correcta de acuerdo a las mordazas de la máquina universal

modelo AGX-300KN de la marca Shimadzu. Las medidas

de la probeta en unidades de milímetros se muestran en la

Fig. 3.

Figura 3 – Dimensiones de probeta, acotaciones en (mm).

La cantidad de capas de fibras naturales y la rotación de

las mismas dependen en gran parte del diseño y de los

resultados que se desean obtener. Una fracción mayor de

volumen de fibras incrementa la resistencia y la rigidez del

compuesto, sin embargo, existe un límite. Se considera una

proporción de 80 por ciento de fibras ya que si se

sobrepasa esa cantidad no quedarían todas rodeadas por la

matriz [6]. En cuanto a la orientación de las fibras, si se

hace un arreglo unidireccional con fibras continuas, el

compuesto tendrá una buena resistencia y rigidez paralela a

las fibras, por lo tanto presentarán propiedades

anisotrópicas.

Una de las características únicas de los compuestos

reforzados con fibra es que sus propiedades se pueden

diseñar para soportar condiciones de carga diferente. En la

matriz se pueden introducir fibras largas y continuas en

varias direcciones. El caso particular de capas con fibras

ortogonales (capas constituidas con fibras en direcciones

de 0º y 90º) proporciona una excelente resistencia en la

dirección longitudinal y transversal. Por otro lado,

disposiciones más complejas (como capas de 0º/±45º/90º)

proporcionan refuerzo en varias direcciones transversal y

longitudinal [5].

2.2 Fotogrametría

La fotogrametría es un método que a partir de una

cámara se toman imágenes digitales de la persona o región

de interés que se desea modelar. Se puede obtener medidas

precisas en forma digital sin necesidad del contacto directo

con el objeto o persona [11]. La fotogrametría necesita de

un software que digitalice y haga reconocimiento de los

puntos clave del objeto para obtener un adecuado mapeo

3D. Blender es un software que integra una serie de

herramientas para la creación de un amplio rango de

contenidos 3D. Puede ser usado para crear visualizaciones

3D e imágenes estáticas [12, 13]. La digitalización de la

cara de un jugador es de vital importancia para obtener un

molde exacto de las regiones de interés a proteger, así

como anexar los puntos de sujeción de la máscara facial

personalizada. Si bien, la fotogrametría es una técnica



amigable y sencilla para obtener el reconocimiento facial

del jugador. Actualmente es más efectiva al no requerir

contacto físico con la cara del jugador, esto debido a que la

técnica tradicional para la elaboración de una careta para

básquetbol necesita procesos artesanales y de colocación

de vendajes de escayola. Son incómodos y requieren de

mayor tiempo de contacto con el jugador, además que el

depósito de estos vendajes puede lastimar la lesión del

jugador [4]. Este tipo de técnica artesanal es común

encontrarla en comercios locales que no cuentan con

equipos necesarios para realizar un análisis computacional.

La detección y procesamiento de una imagen digital,

obtenida de la cara de un jugador mediante fotogrametría

lleva unos cuantos segundos. Es adecuada para diseñar una

careta deportiva personalizada, y realizar posteriormente el

estudio del comportamiento mecánico que sufre la careta al

momento de producirse un impacto en la región de

protección del área nasal.

2.3 Identificación de regiones de protección

El diseño de una careta deportiva se basa en buscar

proteger adecuadamente las áreas y huesos faciales ante el

impacto de una masa con una fuerza determinada. La

mayoría de las fracturas en los deportes ocurren por

contactos accidentales, los cuales son producidos por los

codos, brazos, manos, cabeza, y hasta por el mismo balón

en juego.

Figura 4 – Cráneos con zonas identificadas para proteger con la

máscara facial (a)Área nasal; (b)Huesos Occipitales o malares; (c)

Área maxilar.

La resistencia mínima que se presenta en la región de la

nariz es de 30G y en los huesos occipitales es de 50G a

80G. Por el contrario, el área maxilar con una resistencia

máxima de 150G. El diseño propuesto de la careta cubre el

análisis de un golpe de magnitud suficiente para causar un

daño considerable en la cara del jugador, el objetivo del

análisis es comprobar y verificar que la careta de material

propuesto soportará y protegerá la cara del jugador.

La fuerza mínima para sufrir una fractura nasal, se

obtuvo en base a un estudio previo basado en hechos

acerca de accidentes automovilísticos. Se midieron las

fuerzas ejercidas sobre el cráneo humano, la cantidad de

fuerza requerida para provocar fracturas y laceraciones en

los huesos faciales del cráneo muestra que la nariz es la

zona más sensible donde una fuerza de 30G provoca

fractura [14]. Teniendo en cuenta esta fuerza podemos

plantear un análisis con un objeto que golpee a la careta

deportiva con la magnitud de 30G. En este trabajo se

considera para fines prácticos un objeto esférico cuyas

propiedades complementen el estudio del impacto en la

careta deportiva y evitar una posible fractura en la región

nasal del jugador. El estudio dinámico para el diseño de la

careta requiere condiciones iniciales como la aceleración

del objeto antes del impacto, la cual se puede obtener con

la segunda ley de Newton ec. (1). Los parámetros de

aceleración requieren del tiempo de recorrido del objeto, se

emplea la ec. (2), donde 𝐹 es la fuerza de impacto del

objeto en Newton, m la masa en Kg, a la aceleración en

m/s2, d la distancia que recorre en metros y t el tiempo en

segundos.

Finalmente, al obtener el tiempo se calcula la

aceleración del objeto, completando con la segunda ley de

Newton y la fuerza necesaria con la que impacta el objeto a

la careta (30G fuerza que causa fractura nasal), se obtiene

el material y volumen de la masa del objeto.

𝐹 = 𝑚𝑎 (1)

𝑡 = (𝑑∗𝑚

𝐹)

1

2 (2)

3. Estudio Experimental

Para la selección del material compuesto se hizo un estudio

experimental con la elaboración de probetas, las cuales

tuvieron un control en el número de capas y los materiales

empleados (fibras de yute, pulverizado de cáscaras de nuez

pecana y resina poliéster). Se consideró rotaciones en las

capas de la fibra de yute (90º y 30º) para proporcionarle al

material mejores propiedades isotrópicas, y una buena

resistencia a tensión. En complemento con el pulverizado

que presenta una buena resistencia a esfuerzos a

compresión. Las fabricaciones de las probetas tuvieron una

proporción de 20 g de pulverizado de cáscara de nuez por

cada 100 g de resina poliéster en conjunto con la fibra de

yute.

Las probetas fueron sometidas a pruebas de tensión para

obtener los valores adecuados para seleccionar el material

compuesto de la máscara deportiva. La Tabla 1 presenta los

resultados de 4 probetas sometidas a pruebas de tensión.

Las dimensiones de las probetas están bajo la norma

ASTM D638 tipo I de 144.07 x 13.84 mm y un espesor de

5.88 mm. En particular, la probeta de 7 capas con

rotaciones de 90-30-90-30-90-30-90 mostró una mayor

resistencia a la fuerza de tensión máxima siendo de

1151.37 N y arrojando un esfuerzo máximo de tensión

mayor a las otras probetas (14.14 MPa).

Tabla 1 – Resultados de probetas a prueba de tensión. Rotación a=90°

y b=30°.

No.

Capas

Material de

refuerzo

Fuerza

Máxima

(N)

Módulo

Young

(N/mm2)

Rotación (°)

5 Yute 820.351 3874.34 a-b-a-b-a

5 Yute/ Nuez 698.566 13294.1 a-b-a-b-a

7 Yute/ Nuez 1151.37 2988.7 a-b-a-b-a-b-a

7 Yute 793.886 1546.56 a-b-b-a-b-b-a

(a) (b) (c)



Figura 7 – Mapeo 3D de la cara del maniquí con

vista frontal y de perfil.

En la Fig. 5 (a) se muestra la probeta seleccionada para

el estudio de la careta deportiva (7 capas de fibra de yute y

20g de pulverizado de cáscara de nuez por cada 100 g de

resina). La Fig. 5(b) muestra la probeta en la prueba de

tensión de la máquina universal modelo AGX-300KN de la

marca Shimadzu.

Figura 5 – (a) Probeta de fibra de yute y pulverizado de cáscara de

nuez. (b) Prueba de tensión de la probeta en la máquina universal.

Las propiedades mecánicas obtenidas de la curva

esfuerzo-deformación para la probeta seleccionada se

muestran en la Tabla 3. A partir de los valores obtenidos

por la prueba de tensión, el módulo de Young de 2988.7

N/mm2, se obtuvo el esfuerzo máximo de tensión de 14.14

MPa. Los parámetros obtenidos son necesarios para

realizar el análisis por elemento finito de la careta.

Tabla 3 – Propiedades mecánicas de probeta de material compuesto.

Rotación a=90° y b=30°.

Propiedad Valor

Fuerza Máxima de Tensión (N) 1151.37

Módulo de Young (N/mm2) 2988.7

Rotación(°) a-b-a-b-a-b-a

4. Modelado

El análisis mecánico de una careta deportiva lleva consigo

estudios en un software de análisis de modelado 3D. Para

la obtención de este modelado se necesitan dos aspectos

fundamentales, primero la obtención de un mapeo 3D en

las zonas faciales, tales como el área nasal y área maxilar, y

segundo disponer de un software que permita la

construcción de una superficie mediante el mapeo 3D de

las zonas faciales.

4.1 Creación del mapeo 3D y modelado

Para realizar un mapeo 3D en el software de diseño digital

de la máscara deportiva son necesarias dos fotografías del

rostro, una fotografía frontal y una de perfil del jugador. En

este caso se empleó como modelo inicial un maniquí que

asemeje la cara del jugador, por tal motivo se presentan

limitantes del software de diseño al carecer de los rasgos

faciales que logran dar un personalizado en la careta

deportiva.

La técnica de la fotogrametría se emplea para crear el

mapeo 3D del modelado de la cara del maniquí. En el

mapeo 3D se busca capturar los rasgos faciales lo más

cercano a la realidad que abarcan curvaturas, tamaño y

forma de la cara.

En la Fig. 6 se muestran las fotos de la vista frontal y de

perfil del modelo inicial de la cara de un maniquí. Es

necesario realizar una sesión fotográfica, en este caso del

maniquí debido a que en el proceso de fotogrametría se

requiere seleccionar imágenes con alta calidad en

resolución e iluminación para verificar que se puede

trabajar con los detalles faciales lo mejor posible.

Una vez seleccionadas las fotografías, se procede a

añadirlas al software para hacer el mapeo 3D y

posteriormente su modelado (requerido en el análisis de

elemento finito). En la Fig. 7 se muestra el mapeo 3D de la

cara del maniquí, el cual posteriormente se exporta a un

software de diseño mecánico donde se detalla con una

mejor calidad las superficies del modelado.

El modelado preliminar por defecto se muestra en la

Fig. 8(a). A continuación, al eliminan las superficies por

defecto de este modelado, se trabaja con el croquis 3D del

mapeo y se une el croquis mediante las herramientas de un

paquete de simulación reduciendo a 10 las superficies

totales del modelado, ver Fig. 8(b).

(a) (b)

Figura 6 – Maniquí (a) Vista frontal. (b) Vista de perfil.

a) b)



Figura 10– Mallado de los elementos de estudio en la

máscara deportiva.

Figura 11 – Desplazamientos de la máscara

deportiva ante el impacto.

5. Análisis estructurales

El modelado 3D de la máscara deportiva fue exportado a

un software de análisis dinámico por elemento finito. En el

análisis estructural, se busca obtener los esfuerzos

producidos en la máscara deportiva y las deformaciones

que ocurren al ejercer una fuerza externa. Para fines

prácticos del análisis, se consideró un objeto esférico el

cual produciría un golpe hacia la cara del jugador,

recibiendo el impacto en la máscara deportiva de material

compuesto. Se realizó un estudio dinámico detallado para

identificar los efectos del impacto causados cuando el

objeto golpea la región central de la careta, al considerar

una fuerza mínima de 30G. Cabe mencionar que este

análisis se presenta como el estudio de la simulación de un

golpe sobre la superficie protectora de la nariz. La forma

geométrica del objeto se desprecia debido a que el punto de

interés radica en la fuerza de impacto sobre la careta.

5.1. Condiciones del análisis estructural

Se realizó el análisis estructural en un software de

elemento finito del material compuesto, añadiendo las

propiedades mecánicas obtenidas en la sección 3. Se

consideraron los parámetros de la probeta de 7 capas de

fibra de yute con pulverizado de cáscara de nuez. Las

condiciones iniciales requeridas para el estudio se obtienen

con la ec. (1) y considerando la fuerza de 30G. El objeto

esférico asignado para considerar un punto de impacto

presenta una masa de 0.89603 kg que viajará una distancia

de 1.44 mm a una velocidad de 0.69 m/s. Se propone

además de 4 puntos de sujeción correspondientes a las

zonas donde se apoya la careta en las áreas faciales maxilar

y frontal. En la Fig. 9 se muestra la posición del objeto

esférico que causará el impacto. Las cuatro zonas de

sujeción soportarán la fuerza del impacto y se dispersará el

impacto a las zonas de mayor soporte (Fig. 9).

5.2. Discretización

Una vez que el modelado de la careta se encuentra en el

software de elemento finito, se realiza un mallado con

forma triangular y rectangular constituida de 5408 nodos y

20252 elementos. El tamaño de los elementos no influye

debido a que es un análisis explícito dinámico y no es

necesario un mallado refinado, además se añade un espesor

al modelado con valores de 3 a 4 mm como se muestra en

la Fig. 10, los valores del espesor se basaron en mediciones

de un modelo comercial de careta deportiva y en el espesor

de la probeta seleccionada de fibra de yute y pulverizado

de cáscara de nuez.

5.3. Resultados

Se realizaron dos estudios sobre la careta deportiva, con la

finalidad de observar el comportamiento ante el impacto

del objeto esférico propuesto. El primer estudio es

relacionado con los desplazamientos, en la Fig. 11 se puede

observar que los desplazamientos de la careta son de 2 mm,

Figura 9 – Sujeciones en el modelo de la máscara

deportiva y posición del objeto.

Zonas de sujeción

a)

Figura 8 – (a) Modelo de exportación 3D de la

careta; (b) Modelado final de la careta.

b)



los cuales muestran que no se tendría contacto de la

máscara hacia la nariz del jugador. Las regiones centrales

del modelo de elemento finito que presentan un tono de

color verde y amarillo fueron las zonas de desplazamiento.

El segundo análisis (Fig. 12) nos presenta los esfuerzos

equivalentes en la careta, mostrando un esfuerzo máximo de 75329 Pa para una fuerza de 30G. Los resultados

obtenidos de la curva esfuerzo deformación mostraron que

el esfuerzo máximo de tensión en la probeta de fibra yute con pulverizado de cáscara de nuez pecana es de 14 MPa.

Lo cual muestra que la careta protegerá el rostro del

jugador debido a que no se deforma lo suficiente como

para tocar la nariz o romperse y así causar una fractura nasal.

6. Conclusión

El análisis y modelado 3D de la careta deportiva propuesta

en este trabajo, proporciona una alternativa para diseñar y

elaborar máscaras de protección para jugadores de

basquetbol. La fácil obtención de los materiales naturales

que constituyen el material compuesto junto con la resina

poliéster, amplían el interés de generar estudios del

comportamiento mecánico que presenta ante los diversos

impactos a los cuales están expuestos los jugadores.

Además de ampliar resultados de interés para aplicaciones

en medicina deportiva o traumatología. Si bien, no se busca

sustituir los materiales compuestos con los que están

hechas en el mercado las caretas deportivas como fibra de

carbono, fibra de vidrio o actualmente el UTEM9085; los

resultados del diseño muestran que el material compuesto

propuesto es adecuado para continuar con estudios en

relación a la máscara deportiva.

Los parámetros del material compuesto de 7 capas de fibra

yute con rotaciones de 90°-30°, en conjunto con el

pulverizado de la cáscara de nuez pecana y la resina

poliéster, muestra que la máscara facial de basquetbol es lo

suficientemente resistente para soportar un golpe de 30G

sin dañar los huesos faciales que se encuentran en la nariz.

Los resultados presentados en este trabajo, dan inicio a

continuar con estudios mecánicos detallados y considerar

objetos de impactos determinados como codos, brazos,

cabeza, el balón, etc.

Agradecimientos

Al Dr. Enrique Saavedra del Depto. de Ingeniería en

Materiales del ITESI por su entera disposición y apoyo en

equipos de caracterización de materiales.

REFERENCIAS

[1] Blindaxe. (6 de 07 de 2018). Obtenido de

https://www.blindaxe.com/

[2] Cees the Baat. Custom-made face guards for athletes with orofacial injuries (pp. 387- 389). Nijmegen: Sports

Medicine Journal. [3] J. R. Gandy, L. Fosset, B.J.F. Wong. Facemasks and

Basketball: NCAA Division I Consumer Trends and A Review of Over the Counter Facemasks. California:

University of California (2016).

[4] Younext. Máscaras de protección facial personalizadas Younext. España: Podoactiva. (2017).

[5] F. Stupenengo Materiales y materias primas: Materiales compuestos. Argentina: INET (2011).

[6] R.A. Forero. Las fibras naturales en los materiales plásticos compuestos. Colombia: Tecnología del

Plástico (2007).

[7] D. Gon, K. Das, P. Paul, S. Maity. Jute Composites as Wood Substitute. India: International Journal of Textile

Science (2012).

[8] IJSG. Jute, Kenaf Other Bast and Hard Fibres: Farm to Fashion. Bangladesh (2012).

[9] D. Parodi. Desarrollo de un material compuesto biodegradable a partir de la utilización del residuo cascara de nuez. Chile: Facultad de Arquitectura y

Urbanismo (2016).

[10] C. A. Popper. Caracterización Físico- Mecánica de un Material Compuesto Orgánico en Matriz Polimérica.

México: Instituto Politécnico Nacional (2007).

[11] J. A. S. Sobrino. Introducción a la fotogrametría.

Madrid: E. T. S. I. (2006).

[12] C. Corcoles. Manual de Introducción a Blender. Catalunya: MOSAIC.

[13] T. Roosendaal, S. Selleri. Blender 2.3 Guía: La suit abierta de creación 3D.

[14] J. J. Swearingen. Tolerances of the human face to the crash impact. Oklahoma: Federal Aviation Agency

(1965).

Figura 12 – Esfuerzos equivalentes presentes en la

máscara deportiva.


“análisis y modelado 3d de máscara facial deportiva basada en...

Documents