Ingeniería Mecánica

Estudio de la maquinabilidad de diferentes fundiciones nodulares en operaciones de rectificado y taladrado

2023-04-24T00:00:00Z

Estudio de la maquinabilidad de diferentes fundiciones nodulares en operaciones de rectificado y taladrado Furno, María Emilia Las fundiciones de hierro con grafito esferoidal (DI) son un grupo de aleaciones ternarias Fe-C-Si cuya microestructura consiste en nódulos de grafito embebidos en una matriz metálica. Si bien no son de reciente aparición, han presentado grandes desarrollos y avances en las últimas décadas. Estos avances han permitido que sean empleadas en diversas áreas gracias a su bajo costo, amplia gama de propiedades mecánicas y por poder obtenerse con la forma y las dimensiones cercanas a las finales. Sin embargo, no siempre resultan ser directamente aplicables en su condición colada. Frecuentemente es necesario alcanzar ciertos requerimientos de tolerancias dimensionales, de forma y/o de acabado superficial, volviéndose inevitable la aplicación de al menos un proceso de mecanizado. Entre las DI, están presentes las fundiciones nodulares austemperadas (ADI), las cuales se destacan del resto debido a las propiedades ventajosas que le confiere su microestructura. La misma consiste de nódulos de grafito embebidos en una matriz ausferrítica que permite obtener propiedades mecánicas superiores a las de una DI convencional. Dado que hay ciertas aplicaciones que requieren que el material presente alta tenacidad y buena maquinabilidad, se ha desarrollado una nueva variante (IADI) que contiene ferrita libre dispersa en la matriz metálica ausferrítica. Al momento de mecanizar una pieza que debe ser tratada térmicamente, lo usual es realizar una operación de desbaste cuando el material presenta dureza relativamente baja, es decir previo al tratamiento térmico y otra de acabado cuando el material ya adquirió las propiedades mecánicas deseadas. Esta última operación, si bien suele ser dificultosa, es necesaria para poder eliminar las deformaciones producidas en la superficie del material sometido al tratamiento térmico o para alcanzar las especificaciones dimensionales y de acabado. Aún cuando en materiales como la ADI es posible predecir las deformaciones y cambios de volumen que se producen durante el tratamiento térmico, en muchos casos no es posible eliminar la etapa de mecanizado final. Existen diferentes tipos de mecanizados que tienen como objetivo general la generación de superficies. No obstante, cada uno de ellos presenta características particulares que lo hacen la opción más adecuada en la fabricación de ciertos componentes. En estos procesos es importante conocer y entender el comportamiento del material frente al mecanizado (maquinabilidad) para poder obtener los resultados deseados y a su vez optimizar las etapas de producción. En el caso de la IADI, la información disponible es muy escasa debido a su reciente desarrollo. En este trabajo se estudia la maquinabilidad de DI con diferentes microestructuras, empleando diferentes condiciones operativas en dos procesos de mecanizado: rectificado plano tangencial y taladrado. El estudio se lleva a cabo abordando la maquinabilidad con tres enfoques diferentes: alteraciones producidas en el material (acabado e integridad superficial), comportamiento de la herramienta (vida útil y evolución de desgaste) y requerimientos del proceso sobre la máquina (consumo de potencia y fuerzas involucradas). Se analizan diferentes aspectos de la integridad superficial obtenida durante un proceso de rectificado y se compara la rectificabilidad de DI con diferentes microestructuras. Se analiza experimentalmente la influencia de los parámetros de corte en rectificado y las características microestructurales, sobre el acabado superficial de ADI e IADI. Se determina la influencia de los parámetros de corte en la topografía superficial cuando se aplica el sistema MQL (Minimum Quantity Lubrication) para rectificado de ADI. Finalmente, se propone y se pone a punto una metodología de ensayo que evalúa la maquinabilidad de ADI e IADI en procesos de taladrado con diferentes condiciones de corte y diferentes geometrías de herramienta. Los resultados mostraron que todas las superficies presentan una buena terminación superficial luego de ser rectificadas bajo las condiciones seleccionadas. Para diferentes requerimientos de acabado e integridad superficial, sería posible seleccionar las condiciones de corte más adecuadas. Además, se logró establecer una relación entre la distorsión producida en piezas de pared delgada y el perfil de tensión residual introducido durante el rectificado. Se pudo determinar que la aplicación del sistema MQL en el rectificado de ADI es posible, generando buenos resultados, y pudiendo aprovechar las ventajas que éste posee respecto del sistema inundado. Se logró poner a punto una metodología de ensayo para analizar la maquinabilidad de ADI e IADI en operaciones de taladrado. Se estableció que uno de los parámetros más influyentes en la vida de la herramienta es su geometría. Se observó que el mecanismo de falla en las herramientas al mecanizar ADI e IADI resultó ser diferente, siendo desgaste del flanco en el primer caso y astillamiento o deformación plástica en el segundo. Mail del autor María Emilia Furno

Una metodología biológicamente inspirada para la optimización de mallas en problemas de interacción fluido-estructura

2022-03-03T00:00:00Z

Una metodología biológicamente inspirada para la optimización de mallas en problemas de interacción fluido-estructura Biocca, Nicolás En las últimas décadas ha habido un considerable crecimiento en el ámbito de la investigación dedicado al estudio de flujos en dominios deformables y su interacción con estructuras sólidas. Este tipo de problemas suele denominarse como problemas de Interacción Fluido-Estructura (FSI). En el contexto de la hemodinámica, esta clase de problemas surge naturalmente de la interacción del flujo sanguíneo con distintos componentes del sistema cardiovascular, tales como paredes arteriales, la pared cardíaca, válvulas cardíacas, entre otros. En este sentido, los desafíos impuestos por la naturaleza de estos problemas han sido abordados tradicionalmente por dos estrategias bien establecidas. Estas estrategias comprenden los métodos de seguimiento de interfase y los de captura de interfase. Los métodos de captura de interfase son convenientes en la resolución de problemas con flujos complejos con salpicaduras y olas rompientes mientras que los métodos de seguimiento de interfase son más adecuados para la resolución de problemas FSI donde sea necesario resolver con precisión la interfase para un correcto acoplamiento de los subsistemas. Un caso particular que desafía estos métodos lo podemos en encontrar en el problema FSI de válvulas cardíacas y su interacción con el torrente sanguíneo. Al tratarse de membranas delgadas muy flexibles y con densidades similares a las del flujo sanguíneo, la dinámica se vuelve muy sensible a las fuerzas viscosas efectuadas por el flujo, y en el peor de los casos pueden plegarse sobre sí mismas y evolucionar en patrones complejos. En este caso, las capas límites deben ser correctamente representadas para capturar correctamente los esfuerzos viscosos. Además, esta interacción se da en el contexto de cuerpos sujetos a grandes deformaciones y desplazamientos, incluso movimientos cíclicos, volviéndose relevante resolver esta clase de aplicaciones adecuadamente. En este contexto, hay una necesidad imperiosa de contar con discretizaciones y técnicas de movimiento de mallas adecuadas, las cuales deben ser capaces de capturar fenómenos de alta deformación y capas límite en un marco de referencia altamente dinámico. El objetivo de esta tesis es el desarrollo de métodos de optimización y movimiento de mallas como parte de la resolución de problemas FSI en el contexto de grandes deformaciones y desplazamientos dentro de un marco referencial Arbritrariamente Lagrangiano-Euleriano (ALE). En esta tesis se presenta un método original para resolver el problema de movimiento de mallas inspirado en la capacidad de adaptación de los tejidos biológicos. En una primera instancia se presenta la metodología introducida, se valida en una serie de casos sencillos como prueba de su potencial capacidad de optimización para luego resolver pruebas numéricas ampliamente utilizadas en la literatura. En una segunda instancia, se resuelven problemas de movimientos cíclicos, haciendo foco en la acumulación de error que suelen presentar las técnicas tradicionales y cómo el método introducido en esta tesis se comporta frente a este tipo de movimientos. Además, se presentan problemas de movimiento de mallas que cuentan con las principales desafíos del problema FSI de válvulas cardíacas.

Modelado constitutivo multiescala de matrices nanofibrosas electrohiladas

2020-08-24T00:00:00Z

Modelado constitutivo multiescala de matrices nanofibrosas electrohiladas Caballero, Daniel Enrique La ingeniería de tejidos busca proveer a las aplicaciones biomédicas de injertos hechos a medida que logren exhibir propiedades mecánicas biomiméticas. En este contexto, el electrohilado ha surgido como una técnica con características prometedoras para la producción de injertos vasculares nanofibrosos. Sin embargo, para mejorar la biomímesis de los injertos electrohilados, con miras a la producción de reemplazos vasculares paciente específicos, es necesario mejorar la comprensión del comportamiento mecánico de las matrices electrohiladas teniendo en cuenta las características morfológicas microestructurales y las propiedades mecánicas de las nanofibras de acuerdo con el material seleccionado. Para este fin, el modelado constitutivo multiescala aparece como una poderosa herramienta, capaz de vincular los mecanismos microscópicos subyacentes bajo deformación con la respuesta mecánica observada a nivel macroscópico. Además, su empleo en ciclos de optimización puede hacer posible identificar las propiedades constitutivas de las nanofibras así como la microtopología de la matriz capaces de alcanzar un comportamiento macroscópico con aceptable grado de aceptación. En base a estas consideraciones, se presenta en este trabajo de tesis doctoral el desarrollo de modelos constitutivos multiescala para matrices nanofibrosas electrohiladas, teniendo en cuenta las características esenciales de la microestructura de los injertos, las propiedades constitutivas de las nanofibras y la interacción entre las mismas. En primera instancia se presenta el modelo en dos escalas, adoptando una descripción clásica de un sólido continuo para la escala macroscópica, y un Elementos de Volumen Representativos (RVE) discreto conformado por fibras individuales agrupadas en fascículos. El modelo se validó con datos experimentales de ensayos de inflado de tubos electrohilados. Además se estudió el efecto de variar las propiedades microscópicas sobre la respuesta macroscópica y se utilizó esta información para obtener los parámetros necesarios para un injerto capaz de imitar la respuesta en presión-diámetro de una arteria intracranial humana. A continuación se explora la generación de geometrías realistas que reproduzcan los aspectos más importantes de la microestructura electrohilada. Se desarrolló un algoritmo de deposición virtual de fibras, con inspiración en la deposición de nanofibras durante el proceso de electrohilado, capaz de generar mallas de fibras interconectadas. Para evaluar la aptitud de estas geometrías para servir como RVE de los modelos multiescala, se estudió la variabilidad estadística en función del tamaño de las mallas. Además, se muestra la capacidad de diseño del algoritmo para generar geometrías que reproduzcan microestructuras con diferentes grados de alineamiento y con distintos niveles de enrulamiento de las fibras. Por último, se desarrolló un modelo micromecánico para ser aplicado a las mallas generadas anteriormente. Este modelo microscópico lleva en consideración la interacción de las fibras en los puntos de intersección, así como la posibilidad de deformación plástica y rotura de las mismas. Por otra parte, se llevaron a cabo ensayos de tracción uniaxial sobre matrices electrohiladas para obtener las curvas de tensión-deformación experimentales necesarias para su validación. Los resultados obtenidos muestran que el modelo logra reproducir exitosamente la respuesta macroscópica elastoplástica de las matrices a partir de parámetros microscópicos realistas.