máquina de microabrasion

Estudiantes: Ronald Farith Bermúdez Lozada

Edwin Alexis López Covaleda

Giovanny Andrés Vergara Lozano

Director: Ing. John Jairo Olaya Flores

Máquina para Ensayos de Microabrasión

Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica

Línea de Investigación, Innovación y Desarrollo Tecnológico

XXIV MUESTRA DE MÁQUINAS Y PROTOTIPOS

ANTECEDENTES Y FUNDAMENTACIÓN

En la actualidad la caracterización de los recubrimientos duros es realizada de manera lenta y

costosa, lo cual lo hace inviable económicamente para algunas entidades de carácter investigativo

como la universidad, además con la instrumentación actual no es posible conocer el coeficiente de

abrasión del recubrimiento, así como el espesor.

La máquina para ensayos de microabrasión proporciona además de los parámetros necesarios para

calcular el coeficiente de abrasión, la información necesaria para determinar el espesor de capa

depositada a través del tamaño de la huella dejado sobre el material ensayado.

FINANCIADOR: Universidad Nacional de Colombia – Sede Bogotá

VALOR DEL PROYECTO: $4’000.000

TIEMPO DE DESARROLLO: Cuatro meses (periodo 2009-I)

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

EFECTOS

No se conoce el coeficiente de abrasión

No se conoce el espesor de capa depositado

No hay retroalimentación del proceso de recubrimiento

PROBLEMA

Imposibilidad para caracterizar completamente las deposiciones de material en procesos de recubrimiento.

CAUSAS

No se dispone de un equipo para ensayos de microabrasión para caracterizar espesor y coeficiente de abrasión

REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE

Cliente: Grupo de investigación Colciencias “Análisis de falla e integridad estructural”

Requerimientos

Determinar el espesor de capa depositada (T) o la información necesaria para

determinarlo.

Hallar el coeficiente de abrasión ( o brindar la información necesaria para calcularlo.

Generar una huella clara en el material en la que se pueda medir su diámetro (b) en un

analizador de imágenes para así calcular el volumen de capa depositada.

Aplicar material abrasivo al ensayo en solución acuosa de granulometría 1 micrómetro.

Aplicar una fuerza entre la esfera y el recubrimiento (N) comprendida en el rango de 0,5

hasta 5 newton.

REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE

Controlar la duración del ensayo (t) entre 10 y 600 segundos

Control de la velocidad de rotación de la esfera abrasiva entre 10 y 500 RPM

Sujeción estable, segura y sencilla de las probetas para permitir fácil montaje y

desmontaje, horizontalidad de la probeta para permitir la realización de una buena huella

y un buen agarre de la probeta para evitar que se suelte la probeta bajo la acción del

abrasivo.

Las probetas en su mayoría son platinas cuadradas de 1.5cm de lado y 0.5mm de

espesor.

Seguridad para el operario.

Electrocución.

Heridas por partes móviles de la maquina.

Contacto de la solución de abrasivo con ojos por salpicadura.

ANÁLISIS DE LA COMPETENCIA (BENCHMARKING)

La técnica de ensayo bola sobre cráter fue desarrollada a inicios de la década de los

noventa por I.M. Hutchings y K.L. Rutherford, investigadores de la universidad de

Cambridge, de modo tal que los desarrollos son resientes y en su mayoría son

realizados por ellos sus alumnos y colaboradores, de la misma forma los fabricantes

de equipos de ensayo son de relativamente nuevos en el mercado, a continuación se

muestra una tabla con una cotización de “Teer Coatings” para esta máquina por valor

de 3100 libras esterlinas que al cambio de hoy corresponde aproximadamente a

11 000.000 de pesos colombianos

DIAGRAMA DE DESCOMPOSICIÓN FUNCIONAL

Maquina de microabrasión

Estructura

Frecuancia natural superior a 8.33 Hz (

1000 RPM )Resistencia a fatiga Resistencia estática Resistencia a corrosion Instación

Plataforma demarcada en el laboratorio

(h=1,30m)

Area Util 0,28 m^2 (0,7 m x 0,4 m)

AbrasiónSistemas de control y

sensores



Estructura Abrasión

Carga(0,5 - 5 N)

Aplicar carga constante todo el

ensayo

Perpendicular al sustrato

Abrasivo

(400 ml)

Suministro constante,

controlado y eficiente

Suspensión acuosa de granulometría 1

micrómetro

Recolección y luego Reutilización

Aplicación durante el ensayo

Sistema Motriz

Motor

Parámetros de operación variables

Sistema de seguridad contra

sobrecarga

Sistema de ventilación

alineado con el eje de rotación

Árbol(10 - 1000 rpm)

Transmisión (Rotación

constante durante el ensayo)

Esfera

(d=1 in)

Material, acero tipo D (dureza superior

a 60 HRC)

Acabado superficial a espejo

Sujeción desmontable al

árbol de potencia

Concéntrica al árbol sin

deslizamiento

Centro alineado a la línea de acción de la fuerza y el

centro de la probeta

Sistema de sujeción de la probeta

Línea de acción de la carga

perpendicular a la superficie recubierta

Estable y firme

Simple y rápida

Adaptable a diferentes

geometrías de probetas

Permitir contacto con esfera y

abrasivo

Sistemas de control y sensores



Estructura Abrasión Sistemas de control

y sensores

Control

Velocidad rotación (Variador de frecuencia)

Carga aplicada constante

Sistema de ventilación del

motor

Sensores

Intervalo de medición según

diseño

Carga aplicada

PIC

Tiempo total

(10 - 600 seg.)

Rotación de la esfera

GENERACIÓN DEL CONCEPTO

Estructura: requiere la aplicación de conceptos de ingeniería que aseguren su

integridad en el tiempo y en servicio, estabilidad para un correcto desarrollo del

ensayo y así mismo obtención de resultados confiables y reproducibles; además la

estructura deberá tener en cuenta conceptos de ergonomía como la estatura de los

usuarios, para que su operación sea cómoda y segura.

Abrasión: es claro que la función principal de la maquina es provocar desgaste

abrasivo, y que para ello se valdrá de numerosos sistemas que actúan al mismo

tiempo y casi todos que en mismo lugar (exceptuando el motor), por lo que será

muy importante a la hora de realizar diseños preliminares y definitivos tener en

cuenta la cooperación entre sistemas, el tamaño, geometría, grados de libertad y

movilidad.

GENERACIÓN DEL CONCEPTO

Sistemas de control y sensores: estas funciones son el complemento a las funciones

descritas en el anterior punto, pues se hace necesario tener control sobre el ensayo

con el fin de obtener resultados tan confiables como sea posible, para realizar el

control de la maquina se hace necesario adquirir datos y analizarlos, por ello se

separan las funciones de sensores y control.

DESARROLLO DE LA IDEA

A partir de la realización del diagrama de descomposición funcional y teniendo en

cuenta análisis realizados antes, se realizaron diversas combinaciones entre las

soluciones propuestas y con el fin de obtener del ensayo los mejores datos posibles se

decidió que todas las alternativas tendrían:

La fuente motriz será un motor eléctrico que satisfaga las necesidades de torque y

potencia requeridas

Transmisión de potencia desde la fuente motriz hasta la esfera sin mediación de

correas y/o cadenas, fuentes de vibraciones y desbalanceos, para ello existirá un

árbol directo que conducirá la potencia hasta la esfera.

Con el fin de controlar la velocidad de rotación el motor eléctrico se empleara un

variador de frecuencia.


Por otra parte y teniendo como visión obtener los mejores datos del ensayo se

decidió que para establecer la distancia recorrida por la esfera se implementara un

encoder.

Por lo anterior se hace necesario establecer un sistema electrónico de conteo de

pulsos, para tal fin se decidió (luego de debatir acerca de implementación de un

sistema simple o uno complejo) implementar un sistema de conteo y control del

tiempo integrados en un microcontrolador, esta opción a pesar de ser compleja

reduce el tamaño del sistema, en contraposición con la alternativa simple que

involucra numerosos integrados y cableado, y por tanto un mayor tamaño.

En cuanto a el modo de censar la carga se decidió implementar una celda de carga,

pues se hace necesario corroborar los cálculos de carga aplicada con el fin de lograr

resultados confiables.


Por último en lo referente a la manera de suministrar el abrasivo en la zona de

contacto se decidió que la implementación de una bomba sería negativo, pues

estaría en un ambiente abrasivo y las fugas aparecerían al poco tiempo de

operación, por lo que se estableció que las alternativas tendrán depósitos de fluido

que serán llevados y recolectados de manera manual.

PRESENTACIÓN DE LA ALTERNATIVA DE DISEÑO DOMINANTE Y

JUSTIFICACIÓN

Se presenta a continuación la tabla que sirvió de base para la selección, comparación y

contraste de las alternativas, lo que nos permitió seleccionar la alternativa de diseño y

establecer generalidades para su posterior diseño.


JUSTIFICACIÓN

SISTEMA ALTERNATIVAS PROS CONTRAS OBSERV.

Carga

HidráulicoEquipos adicionales

cargas altasCostos

NeumáticoFabricación rápida

control de presión

320 N -2M

min d=1in Importación

PesasBajo costo,

Rápida fabricación

poco control y estabilidad

posicionamiento y manipulación

requiere calibración

Poco control

FluidoNo contamina al

emplearse agua

control de fluido,

equipos adicionales,

control caudal,

costos

Costos

Electromagnético Buen control

no existe en el mercado

diseño de partes y controles sin

referencias

Diseño

Deformación de

un material

Simple construcción

bajo costoconstante de resorte variable Conocimiento del E

Motriz

Eléctrico AC TrifásicoConexión simple y

rápida

depende de los requerimientos y

disponibilidad en el país

altos voltajes

control mediante variador de frecuencia

potencia aprox. 0,5 hp

Eléctrico AC

Monofásico

Conexión simple y

rápida

depende de los requerimientos y

disponibilidad en el país

altos voltajes

control mediante variador de frecuencia

potencia aprox. 0,5 hp


JUSTIFICACIÓN


Motriz

Eléctrico DCControl electrónico más

económicoElementos adicionales Fuente alimentación

DC Paso a paso

Buen control y

posibilidad para

mediciones sin equipo

adicional

Control electrónico más

económico

Elementos adicionales Programación

DC Servomotor

Muy buen control y

disponibilidad para

mediciones sin equipo

adicional

requiere altos conocimientos de

programación

costo

Costo

Combustión interna

alto torque

requiere refrigeración

combustible costos

requiere mayor mantenimiento

mayores niveles de vibración y ruido

Espacio y alimentación

Transmisión Arboles acople directo

Fácil instalación

Adaptable a las

necesidades del equipo

Mayor tiempo de

servicio

tiempo de manufactura Menos elementos


JUSTIFICACIÓN


TransmisiónCadenas y correas Están estandarizadas

requiere amplias geometrías y espacio

produce ruido

produce vibración

pérdidas importantes de potencia

requiere elementos adicionales

Ruido

AbrasivoDiamante Disponibilidad Costo

Alúmina Disponibilidad Costo

Suministro de

abrasivo

Inmersión en una

piscinano requiere control

hay precipitación,

degradación

Desperdicio y perdida

de abrasivo

Bomba automatización

poca eficiencia en el uso, perdidas por

salpicadura

requiere sistema de control

desgaste por el abrasivo

costos adicionales

consumo adicional de energía

Daño prematuro de la

bomba

Goteo

mas económica

requiere poco

mantenimiento

fácil instalación

fácil control

recirculación manual Facilidad de aplicación

Esfera

D3 Disponibilidad Costo ↑ resistencia a abrasión

D6 Disponibilidad Costo ↑ resistencia a abrasión

Fundición Menor costo Procesamiento y manufactura ↓ resistencia a abrasión


JUSTIFICACIÓN


Sistema de

sujeción de la

probeta

Prisionero

simple rápida y manual

Mas económica

poco mantenimiento

sujeción de cualquier

tipo de material

sujeción dependiente del operario,

poco estable,

desgaste en el tiempo,

concentración de esfuerzos, requiere

gran espesor de la probeta

Poco control

Magnético

Fuerza de sujeción

controlable

Mayor costo


fuerza de sujeción unidireccional

consumo adicional de energía

imposibilidad para sujetar probetas con

sustratos no magnéticos

puede causar daños a la probeta al

atraer virutas producto del desgaste

Mas costo

Prensa neumática

sujeción firme

fuerza constante

rápida sujeción


tipo de material


requiere elementos adicionalesCostos adicionales

Prensa mecánica

sujeción firme

fuerza constante


tipo de material

difícil montaje

mas piezas Costos adicionales

Sandwich

sujeción firme

fuerza constante


tipo de material

Manufactura Elementos adicionales


JUSTIFICACIÓN


Sistema de

sujeción de la

probeta

Manual bajo costoTiempo de manufactura

Poca precisión y exactitudSimple

Control tiempo Timermayor precisión y

exactitudMayor costo

Conexiones

adicionales

Control rotación

Reductor

Ruido, Mantenimiento,

Fuente de vibración,

Tamaño,

Requiere árbol adicional

Ruido

Variador de frecuenciaDisponibilidad

Mejor y mayor control

Costos adicionales

Equipos adicionalesProgramación

Engranes

Manufactura

Desgaste en el tiempo

Mantenimiento

Ruido

Correas Están estandarizadas

poco control y estabilidad

Ruido,

Mantenimiento,


requiere árbol adicional

Vibraciones

Cadenas Están estandarizadas

Ruido,

Mantenimiento,


requiere árbol adicional

Vibraciones


JUSTIFICACIÓN


Control Carga

Caudal en sistema

neumáticosCarga constante

Equipos adicionales

Mayor costoLectura manómetro

Sistemas de contrapesos Mas económico

requiere calibración

Cargas discretas

Mecanizado

desgaste en el tiempo

Almacenamiento pesos

Tornillo que presiona

Carga continua y

contante

Económico

No equipo adicional

mayor control de carga

Mecanizado

desgaste en el tiempo

No es preciso

Paso fino para tener

buen control

Corriente en las bobinas Mejor control

Equipos adicionales

Costos adicionales

Elaboración sistema

Conexiones

adicionales

Sensor Velocidad

Encoder

Precisión

Alta Resolución

Disposición

Mayor costoConexión a sistema de

control

Contador de vueltas

digitalProgramación ajustable

requiere elementos adicionales

equipos adicionales

Conexión a sistema de

control

Contador análogoMenor costo

Fácil MantenimientoDesgaste

Conexión a sistema de

control


JUSTIFICACIÓN


Sensor de Carga

Celda de carga Sensibilidad

Resultados indirectos

costos adicionales

equipos adicionales

Alta resolución

Dinamómetro análogoMenor costo

Fácil lecturaDesgaste Baja resolución

Dinamómetro digitalMayor costo

equipos adicionalesPara laboratorio

GENERACIÓN Y EVALUACIÓN DEL PRODUCTO

Una ves completado el proceso de diseño y construcción se procede a evaluar el mismo

mediante los objetivos propuestos y el cumplimiento de los requerimientos del cliente,

se presenta la siguiente tabla con los puntos de evaluación:

Conjunto CriterioRevisión

ComentariosPasa No pasa

Est

ruct

ura

Frecuencia natural superior a 8.33 Hz ( 1000 RPM ) X No presenta resonancia

Resistencia a fatiga X

Resistencia estática XNo presento problemas en el

ensamble

Resistencia a corrosión X Pintura anticorrosiva

Instalación X Simple y rápida

Plataforma demarcada en el laboratorio (h=1,30m) XNo hay espacio definido

(logística)




Abra

sión

Car

ga

Aplicar carga (Entre 0.5 y

5 N) constante todo el

ensayo

X

Diámetro interno del actuador

neumático de 8mm que

permite presión entre 1.3 y 13

Psi

Perpendicular al sustrato X

Geometría mordaza y

posicionamiento de

elementos en la estructura

Esf

era

Material, acero tipo D

(dureza superior a 60

HRC)

X

Estado de mecanizado

recosido y posterior temple y

revenido

Acabado superficial a

espejoX

Mecanizado y pulido de

calidad

Sujeción desmontable al

árbol de potenciaX Esfera con rosca izquierda

Concéntrica al árbol sin

deslizamientoX

Mecanizado primero agujero

y luego esfera

Centro alineado a la línea

de acción de la fuerza y el

centro de la probeta

X

Se debe asegurar la posición

de la estructura y

componentes en ella así

como alineación eje

chumaceras




Abra

sión

Abra

sivo

Suministro constante,

controlado y eficienteX

Deposito de 400ml para 10

minutos con válvula para

goteo, manguera que deposita

las gotas sobre la esfera que

gira hacia el sustrato

Suspensión acuosa de

granulometría 1

micrómetro

X

Preparación previa dispuesta

en depósito superior de

abrasivo

Reutilización XColector y deposito de

abrasivo utilizado

Aplicación durante el

ensayoX

Capacidad del depósito 400

ml suficiente para 10 minutos

Sis

tem

a M

otr

iz

Transmisión (Rotación

constante durante el

ensayo)

XAcople universal de motor a

eje que sostiene la esfera

Intervalo de rotación

requerido 10 y 1000 RPMX

Imposible físicamente se

realizara entre 250 y 1000

RPM

Motor con parámetros de

operación variablesX

Motor controlado por

variador de frecuencia




Abra

sión

Sis

tem

a de

suje

ción d

e la

pro

bet

a

Línea de acción de la

carga perpendicular a la

superficie recubierta

X

Se debe asegurar la posición

de la estructura y

componentes en ella

Estable y firme X

Geometría del lugar de

sujeción en la mordaza la

mordaza

Simple y rápida X Mordaza autocentrante

Adaptable a diferentes

geometrías de probetasX

Geometría del lugar de

sujeción en la mordaza

Permitir contacto con

esfera y abrasivoX

Altura del resalte en la

mordaza y diseño del eje de

transmisión

Sis

tem

as d

e co

ntr

ol

y s

enso

res

Contr

ol

Tiempo total X PIC

Carga aplicada constante X

Sistema neumático con

reguladores de caudal y

reguladores de presión

Velocidad rotación X Variador de velocidad

Sen

sore

s Intervalo de medición

según diseñoX Celda de carga + PIC

Carga aplicada X Celda de carga

Rotación de la esfera X Encoder

DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA

Nº Subconjunto Nombre

1 Estructura

2 Sistema Aplicación de Carga

3 Sistema Motriz

4 Sistema Abrasión

5 Sistema Sujeción de Probeta

6 Sistema Sensor

7 Sistema Control

APORTE Y VALOR SOCIAL DEL DISEÑO

Mediante este proyecto se busca incrementar el conocimiento existente sobre los

recubrimientos duros y las variables que intervienen en su formación, también se

busca contribuir al desarrollo industrial de país con miras al desarrollo a gran escala

de la industria de recubrimientos duros.

ANÁLISIS ECONÓMICO

Concepto Costo

Materiales 336.300

Manufactura 1 140.000

Componentes

manufacturados 2 345.580

Total parcial IVA incluido 3 821.880

Recurso humano 6’679.687

Total 10 501.567

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Es una experiencia de acercamiento al proceso real de planeación, diseño y

construcción de un dispositivo funcional, con sus pros y contras, tropiezos y aciertos,

una experiencia que coloca a los estudiantes del otro lado del proceso de diseño, los

saca de los cálculos y los factores de seguridad y los enfrenta a los problemas de

ensamble y las demoras en las entregas.

La recomendación fundamental que hacemos es dar mas flexibilidad e información en

el inicio del curso sobre los documentos a entregar para evitar demoras en el desarrollo

del proyecto.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Y HERRAMIENTAS DE

INGENIERÍA EMPLEADAS

•ALLSOPP, D.N and HUTCHINGS I.M. Micro-scale Abrasion and scratch espanse of PVD cotaings clevated temperatures. Cambridge. Wear,

1994

•RUTERFORD K.L, and HUTCHINGS I.M, A micro-abrasive wear test with particular application to coated systems Cambridge. Surface and

coating technology, 1995

•M. Hutchings Abrasive and erosive wear tests for thin coatings: a unified approach Tribology International 1998

•B C. Leroya, K.I. Schiffmannb, K. van Ackerc, J. von Stebuta,T Ball cratering an efficient tool for 3 body microabrasion of coated systems

Surface and coating technology 2005

•K. Adachia, I.M. Hutchingsb, Sensitivity of wear rates in the micro-scale abrasion test to test conditions and material hardness, Cambrige,

WEAR 2005

•Y Kusanoa,*, K Van Ackerb, I.M. Hutchingsa Methods of data analysis for the micro-scale abrasion test on coated Substrates Surface and

coating technology Cambridge 2003

•Y. Kusano1, I.M. Hutchings Sources of variability in the free-ball micro-scale abrasion test WEAR 2004

•M.G. Geea,, A.J. Gant a, I.M. Hutchings b, Y. Kusano b, K. Schiffmanc, K. Van Acker d,S. Poulat e, Y. Gachonf, J. von Stebut g, P. Hatto h, G.

Plint I Results from an interlaboratory exercise to validate the micro-scale abrasion test 2005 WEAR Cambridge 2006

•M.G. Gee a, A. Gant, I. Hutchings, R. Bethke, K. Schiffman, K. Van Acker, S. Poulat, Y. Gachon, J. von Stebut. Progress towards standardisation

of ball cratering

¿PREGUNTAS?

GRACIAS POR SU ATENCIÓN

máquina de microabrasion

Travel