Anales de Ingeniería Mecánica es una revista científica que proporciona un medio de comunicación entre ingenieros y científicos, principalmente del ámbito nacional español, involucrados en investigación y desarrollo dentro de los campos de conocimiento abarcados por IFToMM, la Federación Internacional para la Promoción de la Ciencia de Mecanismos y Máquinas. Además, es la revista que la Asociación Española de Ingeniería Mecánica (AEIM) utiliza para publicar las actas de los Congresos Nacionales de Ingeniería Mecánica que tienen lugar bianualmente. La revista abarca enfoques metodológicos que incluyen aproximaciones teóricas, experimentales e históricas, junto con su aplicación práctica, incluyendo la educación, cuyas temáticas principales son: Biomecánica Cinemática Computacional Dinámica de Sistemas Multicuerpo Educación en Ingeniería Mecánica Fiabilidad y Mantenimiento Historia de las Máquinas y los Mecanismos Ingeniería de Fabricación y Metrología Ingeniería Ferroviaria Ingeniería de Vehículos y Transporte Máquinas y Mecanismos Mecánica Computacional Mecánica de Fractura y Fatiga Mecánica Experimental Micromáquinas, Mecatrónica, y Robótica Proyectos Ruido y Vibraciones Sostenibilidad y Medio Ambiente en Ingeniería Mecánica Tribología Trabajos fuera de las áreas definidas pero relacionados con el ámbito de la Ingeniería Mecánica serán también considerados.
Asociación Española de Ingeniería Mecánica
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Problemas y diseño conceptual de un dispositivo accionado por cable para asistencia de hombro, codo y muñeca
Este trabajo ofrece un análisis del problema del movimiento asistido en relación con la anatomía del brazo humano, así como el diseño conceptual de un dispositivo actuado por cables destinado a ejercitar el movimiento asistido en las articulaciones de la muñeca, el codo y el hombro. El diseño propuesto se centra en satisfacer la necesidad de ejercitar a personas que requieren apoyo en la movilidad de estas tres articulaciones, particularmente en el contexto de la asistencia domiciliaria. Basado en un mecanismo paralelo impulsado por cables, el dispositivo está concebido para ser ligero, portátil y adaptable a las necesidades específicas de cada usuario. El análisis del movimiento del brazo humano considera su estructura ósea, analizando las dimensiones, la disposición de los músculos, los grados de libertad y el tipo de articulaciones. Se describen detalladamente la configuración y orientación de los ejes de referencia que permiten examinar los movimientos que el brazo humano puede realizar. Además, se especifican las dimensiones del brazo y el rango de movimiento que deben tenerse en cuenta en la propuesta de diseño del dispositivo de asistencia motriz. La propuesta de diseño se fundamenta también en la experiencia acumulada con el uso del L-CADEL v4, un dispositivo ligero actuado por cables para el movimiento asistido de la articulación del codo. Se presentan experiencias que ilustran la secuencia de uso y funcionamiento del dispositivo al ejercitar el brazo de una persona sana, así como el comportamiento de las variables de movimiento y el consumo de energía del dispositivo, evidenciando su eficacia en la realización de la tarea. Una de las innovaciones más significativas de esta propuesta en comparación con versiones anteriores es la incorporación del movimiento del hombro y la muñeca, lo que amplía las capacidades del prototipo anterior, que solo se enfocaba en la articulación del codo. Esta mejora permite al usuario realizar ejercicios más integrales, esenciales para la movilidad y el fortalecimiento muscular de las personas. A partir del análisis mecánico del movimiento del brazo, junto con experiencias previas e información de la literatura sobre dispositivos similares, se presenta un análisis detallado de los requisitos de diseño y operación del dispositivo, con un enfoque centrado en el usuario y el operador. Además, la propuesta contempla dos configuraciones intercambiables, cada una con sus ventajas y desventajas: la primera utiliza un solo motor para controlar las tres articulaciones, mientras que la segunda propone un motor independiente para cada articulación, lo que permite un control más específico y adaptado a las necesidades del usuario.
Derechos de autor 2025 Anales de Ingeniería Mecánica https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0
Análisis computacional de implantes torácicos basados en una geometría flexible para la reconstrucción del tórax humano
En este estudio analizamos un novedoso diseño de implante torácico basado en una estructura que emula la geometría de un resorte, fabricado mediante fusión láser de lecho de polvo (LPBF, por sus siglas en inglés) empleando una aleación de Ti-6Al-4V ELI. Para estudiar el comportamiento biomecánico de este diseño, la primera parte del estudio se centra en obtener varios modelos aislados de costillas reseccionadas de diferentes niveles de la caja torácica, a las que se les une posteriormente el implante: concretamente en las costillas del segundo, tercer y cuarto nivel, por ser algunos de los que más esfuerzos mecánicos soportan. A estos modelos denominados como “semianillos” por su geometría semicircunferencial, se les aplican deformaciones en diferentes situaciones para realizar una evaluación inicial en cuanto a las tensiones y deformaciones obtenidas en los implantes. Este análisis de resultados permite posteriormente conducir a la propuesta de varias prótesis torácicas más complejas diseñadas para reconstruir la caja torácica en diferentes escenarios, tanto en afecciones ubicadas en estructuras ipsilaterales del tórax, como en elementos bilaterales. Para un estudio realista y detallado, los implantes propuestos son incorporados en un modelo 3D de una caja torácica generado a partir de las imágenes TAC de un paciente adulto sano; a este modelo reconstruido se le reseccionan diferentes estructuras del tórax y se les incorpora en cada caso el implante torácico diseñado con el objetivo de simular la reconstrucción de la pared torácica en distintos escenarios; finalmente, estos modelos son sometidos a diferentes situaciones exigentes de esfuerzos mecánicos para estudiar la respuesta biomecánica de las prótesis en cada caso. Con este nuevo diseño se prevé que los implantes puedan mostrar una flexibilidad compatible con los movimientos y deformaciones naturales del tórax humano, así como una adecuada ligereza, biocompatibilidad y resistencia mecánica.
Derechos de autor 2024 Anales de Ingeniería Mecánica https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0
Predicción de las propiedades mecánicas del tejido óseo inmaduro según su microestructura y composición
El tejido óseo inmaduro generado durante procesos de regeneración ósea como fracturas simples o distracción osteogénica, es inicialmente un tejido heterogéneo que evoluciona mediante remodelación por la actividad de osteoblastos y osteoclastos, influido por la tensión mecánica a la que está sometido. Este tejido óseo inmaduro alcanza al final del proceso de regeneración unas propiedades mecánicas y microestructurales similares a las del hueso cortical. La caracterización del mismo a diferentes escalas es crucial para desarrollar modelos micromecánicos que optimicen los parámetros mecánicos de los que depende el proceso, controlando así la regeneración y previniendo las no uniones. La distracción osteogénica consiste en la separación gradual de dos segmentos óseos mediante el alargamiento del callo. Tiene gran importancia clínica por su aplicación en la corrección de defectos o alargamiento de extremidades para la rectificación de asimetrías óseas. Este estudio examina la evolución temporal del tejido óseo inmaduro en 6 muestras de callo de distracción en el metatarso de oveja. Se analizó el módulo elástico mediante nanoindentación, la microarquitectura trabecular vía microCT y la composición mediante análisis de cenizas y espectroscopia Raman. A escala macroscópica, el tejido óseo inmaduro del callo de distracción mostró un aumento considerable de la fracción de tejido óseo, debido principalmente al ensanchamiento de las trabéculas. Las ratios mineral/matriz medidos mediante espectroscopia Raman aumentaron hasta alcanzar niveles propios del hueso cortical durante la regeneración. Sin embargo, el módulo elástico local se mantuvo por debajo de los niveles en hueso cortical. Durante la consolidación del callo, el tejido óseo inmaduro experimentó cambios en la fracción de cenizas y en los porcentajes de calcio y fósforo. Correlacionando estos datos, se identificaron seis expresiones estadísticamente significativas para predecir el módulo elástico del tejido óseo inmaduro, a nivel local y aparente, en función de la fracción de ceniza, el porcentaje en volumen de tejido óseo y la composición química basada en espectroscopia Raman. Se concluye que la microarquitectura del tejido óseo inmaduro del callo de distracción desempeña un papel más significativo que su composición química en la determinación del módulo elástico aparente del tejido. Se demostró que los parámetros Raman proporcionan correlaciones más significativas con el módulo elástico a nivel microscópico que el contenido de mineral obtenido del análisis de cenizas.
Análisis estructural automatizado de vértebras utilizando métodos de segmentación semántica y métodos numéricos
La metástasis ósea en la columna vertebral de pacientes es una complicación grave que puede causar fracturas vertebrales y otros eventos relacionados con el esqueleto (SRE), afectando significativamente la calidad de vida del paciente. Este fenómeno ocurre en un 30-50% de los casos de cáncer, y es aún más común en tumores de próstata y mama. La selección del tratamiento adecuado es crucial para mejorar la calidad de vida del paciente, lo que subraya la necesidad de herramientas que predigan el avance de la metástasis y su efecto estructural. En este contexto, las imágenes médicas como la tomografía computarizada (CT) son esenciales para el análisis personalizado del paciente, aunque presentan limitaciones en la predicción de la estabilidad estructural de la vértebra. Para superar estas limitaciones, se han desarrollado modelos matemáticos específicos para cada paciente que combinan imágenes médicas segmentadas con el método de elementos finitos (FEM). Sin embargo, el FEM tradicional presenta desafíos como la necesidad de crear un modelo CAD. Una solución propuesta es el Método de Elementos Finitos en Mallas Cartesianas (cgFEM), que permite crear modelos específicos sin necesidad de un CAD, facilitando el análisis estructural. Por otro lado, el proceso de segmentación de huesos complejos como las vértebras es tedioso. Actualmente existen técnicas de Machine Learning capaces de segmentar de manera automática o semiautomática huesos específicos a partir de un CT. Si bien este proceso, conocido como segmentación semántica, permite agilizar el proceso de segmentación, está todavía en desarrollo. En este trabajo se pretende establecer una metodología que permita realizar estudios estructurales de vértebras humanas de manera desatendida. Para ello, en primer lugar se va a entrenar un conjunto de tres redes neuronales que, a partir de un CT de columna vertebral, den como resultado la segmentación de la vértebra deseada. El siguiente paso es definir posición de las cargas aplicas. Se puede conocer la posición de las mismas para una vértebra de referencia, pero el mero hecho de indicar la posición en la vértebra en cuestión puede ser tedioso. Para evitar esta labor, se ha implementado la técnica Coherent Point Drift (CPD) que permite relacionar puntos de la vértebra de referencia con la vértebra de un paciente, pudiendo trasladar automáticamente la posición de las cargas. Finalmente, la técnica cgFEM es capaz de realizar un análisis estructural sin necesidad de generar la geometría de la vértebra, pudiendo simular distintos escenarios con posiciones y tamaños de tumor distintos evaluando el riesgo de rotura de la vértebra. Los resultados de esta contribución muestran cómo la unión de estas tres metodologías han permitido automatizar el análisis estructural personalizado de vértebras. Agradecimientos. Se agradece el apoyo de la Agencia Estatal de Investigación y FEDER (PID2022-141512NB-I00)), la Generalitat Valenciana (Prometeo/2021/046) y la UPV (PAID-01-22).
Formula Student como laboratorio de innovación docente: optimización biomecánica de la posición de conducción
Formula Student es una competición internacional que promueve el Aprendizaje Basado en Proyectos (ABP) al desafiar a estudiantes de ingeniería a diseñar, fabricar y competir con monoplazas de estilo Fórmula 1 desarrollados íntegramente por ellos. Este programa educativo está orientado al desarrollo de habilidades prácticas en ingeniería, gestión de proyectos y trabajo en equipo y proporciona a los estudiantes una experiencia integral en el diseño y fabricación de vehículos de alto rendimiento. Los equipos deben cumplir con estrictas normativas técnicas y de seguridad. En la competición deben superar tanto pruebas dinámicas en pista como pruebas estáticas; estas últimas consisten en evaluaciones de diseño, costos y estrategia comercial y se desarrollan frente a jueces que poseen una amplia experiencia en la industria de la automoción. El equipo BCNeMotorsport de la Universitat Politècnica de Catalunya está integrado mayoritariamente por estudiantes de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona y de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación de Barcelona y es la evolución del equipo ETSEIB-Motorsport, primer equipo español que participó en la competición Formula Student y que no ha dejado de hacerlo desde el año 2008. A partir de observaciones de pilotos y jueces, se identificaron deficiencias ergonómicas en vehículos de temporadas anteriores. Para intentar solucionar estas deficiencias, y aprovechando el rediseño de la geometría para el modelo CAT17, se realizó un análisis biomecánico de la posición de conducción de los pilotos. Este análisis se llevó a cabo en un prototipo de madera que permite configurar distintas posiciones de conducción de forma rápida, ajustando: la altura, distancia, inclinación y rotación máxima del volante; el ángulo del asiento; la altura y distancia de los pedales; y el ángulo de salida de las piernas. Para capturar los datos biomecánicos, se utilizaron 16 cámaras infrarrojas que registraron la posición de 31 marcadores colocados en el cuerpo de los pilotos. En el estudio participaron tres pilotos que realizaron movimientos esenciales de conducción, como giros de volante y activación de los pedales. Los datos obtenidos se procesaron con el software OpenSim y permitieron analizar la evolución de la posición del centro de gravedad del piloto en cada configuración del prototipo. Se seleccionó la configuración que reduce la altura del centro de gravedad del piloto y que lo acerca lo máximo posible al suelo para mejorar la estabilidad y el rendimiento del vehículo en pista. Finalmente, se rediseñaron elementos clave, como el asiento, los pedales, el volante y la geometría del monocasco y se logró una posición de conducción adaptable a las distintas características físicas de los pilotos que conducirán el vehículo durante esta temporada. Este trabajo refleja no solo una mejora tangible en el diseño del vehículo, sino también el valor del ABP como herramienta formativa en ingeniería, al integrar de forma práctica y colaborativa la adquisición de competencias técnicas y transversales en un entorno de alta exigencia.
Desarrollo de un exotraje adaptativo monoarticular basado en simulación
El diseño y desarrollo de exotrajes adaptativos para extremidades inferiores presenta oportunidades significativas para el avance de las tecnologías de rehabilitación y asistencia a la marcha. A diferencia de los exoesqueletos tradicionales, los exotrajes se caracterizan por su estructura flexible y ligera que utiliza el propio cuerpo como soporte estructural, transmitiendo fuerzas y movimientos a través de cables y materiales adaptables al sujeto en lugar de componentes rígidos. Este estudio se centra en la creación de un prototipo de exotraje monoarticular como primera aproximación a un exotraje multiarticular que permita la asistencia a la marcha en pacientes con patología neurológica (mielomeningocele o síndrome Charcot-Marie-Tooth). El dimensionado del actuador se basa en los requisitos de potencia y par obtenidos de los datos de simulación, obtenidos previamente mediante modelos musculoesqueléticos, de manera que los actuadores garanticen una transmisión de fuerza óptimas de los cables tipo Bowden durante el movimiento. Una polea en el eje del motor junto con un alimentador garantiza el guiado correcto del cable, evitando desenrollamientos y destensados del cable en la polea en la polea. El extremo que asiste el movimiento del segmento corporal se puede acoplar en diferentes puntos de anclaje tejidos sobre una muslera deportiva para evaluar diferentes contribuciones de la actuación a la marcha del sujeto. En cuanto a la sensorización, se emplean unidades de medición inercial (IMUs) y células de carga, para identificar la combinación más efectiva en la detección de intención de movimiento y monitorización en tiempo real de la fase de la marcha. Esta configuración de sensores, junto con un enfoque de control adaptativo, se empleó para compensar el destensado de los cables, mejorando la precisión general de la actuación. El modelo de rigidez de la interfaz cable-sujeto se ajusta experimentalmente, considerando la relación entre los cambios en la longitud del cable y la fuerza resultante en varias pruebas. Una vez obtenido el prototipo funcional, el siguiente paso será la implementación de un proceso de optimización bayesiana en el prototipo para identificar los parámetros de actuación y variables de diseño óptimas para minimizar eficientemente funciones objetivo específicas, como el coste metabólico, la trayectoria del centro de masas o la asimetría de la marcha. La optimización bayesiana posibilitará que el exotraje se adapte al comportamiento dinámico real del sistema sujeto-exotraje, considerando factores como destensado de cables, contacto con la piel, patología del sujeto y adaptación al uso del exoesqueleto y particularidades biomecánicas difícilmente cuantificables o medibles durante el funcionamiento.
Metodología para desarrollar modelos predictivos de marcha patológica
El desarrollo de modelos computacionales de simulación predictiva de la marcha resulta de gran utilidad a la hora de proponer y analizar dispositivos de asistencia a la marcha. Este trabajo se enmarca en un proyecto de investigación que pretende desarrollar exotrajes de asistencia a la marcha en pacientes de Charcot-Marie-Tooth, una patología hereditaria y degenerativa que provoca debilidad muscular. En su etapa inicial la debilidad se presenta en músculos distales. En el caso del tren inferior, provoca deficiencias en la plantaflexión de tobillo observándose el síndrome del pie caído, entre otras alteraciones. En este trabajo se propone una metodología para realizar simulaciones predictivas de la marcha patológica. En la literatura existe un cierto consenso en que los modelos predictivos para el análisis de la marcha deben plantearse como problemas de control. Para ello, es habitual que la solución obtenida se vaya guiando con datos cinemáticos o cinéticos para que no se vuelva inestable en el tiempo. Se disponen de datos experimentales de ocho pacientes de Charcot-Marie-Tooth del Hospital Universitario Virgen del Rocío de Sevilla. El conjunto de datos experimentales se compone de las trayectorias tridimensionales de marcadores reflectantes colocados según el protocolo de Davis-Heel a lo largo de un ciclo de marcha. Junto con los datos de trayectorias se dispone de datos de fuerzas de reacción con el suelo de una única plataforma de fuerza. Finalmente, se disponen de datos electromiográficos de los principales músculos superficiales del tren inferior, entre ellos el gastrocnemio y el soleo, dos músculos afectados por esta patología. La simulación predictiva a partir de la tipología de datos disponibles plantea dos retos. En primer lugar, para completar un ciclo completo de marcha es necesario disponer de tres plataformas de fuerza que permitan obtener las fuerzas de reacción en el apoyo durante todo el ciclo, incluyendo las fases de doble apoyo. Mediante el método denominado deformación dinámica del tiempo se ha conseguido estimar los datos necesarios para completar un ciclo de marcha con los datos de la placa disponible y la cinemática del ciclo completo. Una vez obtenidos todos los datos de un ciclo de marcha completo, se ha resuelto un problema dinámico inverso en el software Opensim y se ha obtenido la cinemática y la cinética del tren inferior. En segundo lugar, es necesario modelar el comportamiento patológico de los músculos afectados. Se ha propuesto un modelo de contracción para músculos patológicos a partir de los datos electromiográficos registrados en el hospital y de la resolución del problema de reparto de fuerzas musculares realizado en Opensim. De esta forma, se podrá realizar una predicción de la marcha basándose en datos experimentales. Los resultados obtenidos permiten abordar la implementación de un modelo predictivo de la marcha para pacientes de Charcot-Marie-Tooth mediante la resolución de un problema de control óptimo.
Comportamiento mecánico de estructuras porosas bajo cargas combinadas
El incremento de la población geriátrica con problemas musculoesqueléticos, sumado al incremento de lesiones derivadas de actividades deportivas y accidentes de tráfico, ha impulsado la demanda de cirugías ortopédicas de cadera, rodilla o columna vertebral entre otras. En estos últimos años, y gracias al desarrollo en la fabricación aditiva, se está estudiando la posibilidad de incluir estructuras porosas en el diseño de implantes ortopédicos personalizados. Su gran ventaja frente a los implantes tradicionales es su versatilidad para ajustar sus propiedades mecánicas a las del hueso adyacente y reducir de esta forma el fenómeno conocido como stress-shielding. Asimismo, estas estructuras porosas favorecen la oseointegración y regeneración ósea. En la actualidad hay numerosos estudios que han analizado el comportamiento de este tipo de estructuras bajo cargas de compresión, obteniendo así ecuaciones que definen el módulo elástico y la resistencia a fluencia equivalente de la estructura en función del material base y de la porosidad. Sin embargo, no existen tantos trabajos estudiando el comportamiento de estas estructuras bajo cargas combinadas de compresión y cortadura. Teniendo en cuenta que este tipo de cargas se pueden encontrar frecuentemente en algunos implantes ortopédicos, en este trabajo se ha estudiado por elementos finitos el comportamiento de diferentes estructuras porosas bajo cargas de compresión, cortante y bajo 5 cargas combinadas. Se han estudiado 5 porosidades diferentes para cada estructura y se ha analizado también la influencia de la esbeltez geométrica de la estructura. La esbeltez de la estructura porosa juega un papel importante en los efectos de la flexión y por ello se han estudiado diferentes esbelteces. Se ha analizado por un lado el módulo elástico y de cortadura equivalente de cada estructura, y por otro su resistencia a fluencia. Con los resultados obtenidos se ha definido una ecuación que determina la resistencia de la estructura para cualquier tipo de carga combinada, y que es válida para cualquier porosidad y esbeltez. Esta ecuación puede ser muy útil a la hora de seleccionar la estructura porosa adecuada para el implante, teniendo en cuenta las cargas a las que va a estar sometido. Asimismo, puede ser de utilidad para determinar la orientación de la estructura porosa en el implante. Para poder verificar los resultados numéricos, se han fabricado estructuras con diferentes porosidades y esbelteces; y se han ensayado bajo cargas de compresión, cortante y cargas combinadas.
Desarrollo de una prótesis de mano funcional y asequible para realizar tareas cotidianas de manera autónoma
Este trabajo tiene como objetivo el desarrollo de una prótesis de mano funcional y asequible para otorgar mayor autonomía y calidad de vida a las personas afectadas de una discapacidad en una extremidad superior. Se trata de poder proporcionar a dichas personas una prótesis de bajo coste que permita realizar de manera autónoma las tareas cotidianas. Para definir las tareas que deben poderse realizar con la prótesis se han utilizado las pruebas del Cybathlon Series 2024. El Cybathlon es una competición organizada por la universidad ETH de Zurich donde participan personas con discapacidad y sus equipos, formados habitualmente por miembros de empresas o de universidades. En la categoría ARM, la competición define una serie de actividades de la vida cotidiana que el participante debe superar con restricciones en la utilización de las extremidades no afectadas de discapacidad. En este trabajo se analizan las pruebas planteadas y se agrupan en tres categorías: adaptabilidad, precisión y fuerza. Paralelamente, se han analizado las prótesis de mano disponibles en el mercado identificando las características que debían incorporarse en el nuevo prototipo y descartando las características que elevaban el coste y no aportaban una funcionalidad básica para la mayoría de tareas cotidianas. Los análisis realizados han permitido diseñar una prótesis y fabricarla mediante impresión 3D. La prótesis resultante cumple con los requisitos establecidos de funcionalidad, durabilidad y coste. Dicha prótesis ha sido utilizada por el equipo Arm2u de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona (ETSEIB) para participar en la competición Cybathlon Series 2024, obteniendo unos meritorios resultados.
Estimación del coste metabólico de la marcha humana mediante modelos experimentales y numéricos
El presente estudio tiene como objetivo la cuantificación y correlación del coste metabólico durante la marcha humana mediante una metodología combinada de análisis experimental y simulación computacional. El interés principal radica en estimar el coste metabólico de forma complementaria a la medida del espirómetro para personalizar modelos musculoesqueléticos de sujetos con marcha patológica para optimizar la actuación de un dispositivo activo de asistencia a la marcha. Para ello, se empleó un tapiz rodante en un entorno controlado de laboratorio en el que los sujetos caminaron equipados con un ergoespirómetro Cosmed®, plataformas de fuerza y marcadores reflectantes para captura de movimiento mediante sistema OptiTrack®. La medición directa del coste metabólico se realizó utilizando el ergoespirómetro, a partir del cual se calculó el gasto energético mediante el modelo de Zuntz, que estima la producción metabólica en función del consumo de oxígeno (VO2) y la producción de dióxido de carbono (VCO2), proporcionando una medida precisa de la eficiencia energética en cada ciclo de marcha. Complementariamente, los datos cinemáticos del movimiento, obtenidos con el sistema de cámaras OptiTrack®, junto con las fuerzas de reacción del suelo registradas mediante dos plataformas de fuerza, en un ensayo independiente ya que no se dispone de un tapiz rodante instrumentado, fueron integrados en el programa de simulación biomecánica OpenSim. Este software generó estimaciones de coste metabólico, empleando el modelo de Umberger, basadas en el análisis dinámico inverso de modelos musculoesqueléticos, proporcionando así un valor comparativo respecto al gasto energético experimental obtenido. Este enfoque permitió analizar la relación entre los valores metabólicos directos y las estimaciones de OpenSim, con el objetivo de evaluar la precisión y fiabilidad de las simulaciones computacionales para la estimación del gasto energético durante la marcha normal y patológica y estudiar cómo afecta la personalización de los parámetros de los modelos musculares al coste metabólico estimado en marcha patológica, identificando los músculos y parámetros más sensibles. Los resultados de esta correlación contribuirán a validar el uso de OpenSim como herramienta predictiva en aplicaciones clínicas y de rehabilitación con marcha patológica, donde la evaluación precisa del coste metabólico es esencial tanto para identificar los músculos que más afectan al patrón de marcha y al coste metabólico de la marcha patológica como para optimizar intervenciones y diseño de dispositivos de asistencia para pacientes con alteraciones en la marcha o en el control motor.
Simulaciones músculo-esqueléticas de la secuencia de pedaleo de ciclistas
Los estudios biomecánicos en el ciclismo se han vuelto una herramienta esencial para optimizar el pedaleo del ciclista para maximizar la transferencia de la energía generada por el sujeto en energía mecánica. Un pedaleo sub-óptimo además de reducir el rendimiento puede generar diferentes lesiones en el ciclista. Este trabajo presenta simulaciones músculo-esqueléticas para analizar la influencia músculo-esquelética durante la fase de pedaleo de un ciclista. Estas simulaciones se realizan con el software OpenSim, utilizando la cinemática y dinámica inversa. De este modo el monitorizado de las posiciones articulares del sujeto y la fuerza generada durante toda la fase de pedaleo es necesaria. Las técnicas de visión artificial han experimentado un notable crecimiento en los últimos años, y basándose en métodos de inteligencia artificial, la detección de la pose humana ha sido altamente perfeccionada. Por ello, se utiliza un software libre de detección de la pose humana sin la necesidad de utilizar marcadores en las articulaciones del sujeto. Además, se utilizan 2 cámaras que se calibran y sincronizan para poder obtener las posiciones de los marcadores en 3 dimensiones. Por otro lado, se han sensorizado las bielas del pedal con galgas extensiométricas para poder medir las deformaciones sufridas por la biela. De este modo se obtiene el momento generado por el ciclista durante toda la fase del pedaleo. También, se han tenido que sincronizar las grabaciones de vídeo con las adquisiciones de las señales generadas por las galgas extensiométricas. Finalmente, con el uso de todos los datos experimentales se han realizado las simulaciones músculo-esqueléticas para determinar la influencia de la musculatura del ciclista durante la fase de pedaleo. Además, se ha estudiado la influencia que tiene un pedaleo no optimo en la activación de los diferentes músculos que participan en un ciclo completo de pedaleo.
Normalización temporal no lineal en la biomecánica del tren superior
Para analizar la funcionalidad del miembro superior (MS) en pacientes tras sufrir un accidente cerebro-vascular (ACV) se han analizado cinemática y cinéticamente capturas de movimiento de tareas de la vida diaria como, por ejemplo, llevarse la mano a la boca. Cada movimiento se ha dividido en tres fases principales: fase de ida (fase de transporte hacia el objetivo), fase de ajuste (fase del movimiento dedicada a localizar con precisión el objetivo) y fase de retorno (fase de transporte hacia la posición original de reposo). La normalización temporal es necesaria para alinear las curvas de mediciones repetidas de un sujeto. De este modo se minimizan o eliminan las variaciones temporales antes del cálculo de la curva que representa el desempeño promedio del sujeto. El método de normalización temporal lineal que define el inicio de una tarea como 0 % y el final de la tarea como 100 % es el empleado habitualmente. Sin embargo, esto no es generalmente aplicable a las tareas del MS, ya que sus movimientos no son periódicos, por lo que se corre el riesgo de alinear los ensayos de manera inapropiada además de obtener un nivel inexacto de varianza entre ensayos. La utilización de un procedimiento de normalización temporal no lineal basado en la técnica de registro de curvas de referencia reduce la varianza temporal intra-sujeto de las curvas de ángulos y momentos articulares. El registro de puntos de referencia es ampliamente aceptado como la técnica de registro de curvas más eficaz. Este procedimiento consta de dos pasos principales: (i) identificación de los puntos de referencia y (ii) construcción de la función de deformación. Su principal ventaja radica en no utilizar una curva media de conjunto no registrada como curva de plantilla. Además, todas las funciones de deformación se construyen en base a puntos de referencia que se identifican directamente a partir de las curvas individuales. En este trabajo se propone la utilización de los tiempos de (i) inicio del movimiento, (ii) ocurrencia del máximo del módulo de la velocidad del marcador situado en el dedo y (iii) fin del movimiento, tanto para la fase de ida como para la de retorno, como los seis puntos de referencia básicos para realizar el registro de puntos de referencia no lineal para normalizar el dominio del tiempo. Para profundizar en el entendimiento del efecto de la normalización temporal no lineal, los resultados obtenidos para las varianzas de las trayectorias experimentales de algunos marcadores se han comparado con las varianzas que se obtienen usando una parametrización de las trayectorias basada, no en el tiempo, sino en la longitud de arco recorrido, es decir, en una parametrización independiente del tiempo. Así, se discuten los resultados obtenidos mediante ambos procedimientos. Este enfoque permite la obtención de curvas medias más realistas de las fuerzas y movimientos del MS en pacientes tras un ACV, lo cual es fundamental para mejorar los programas de rehabilitación y evaluar la evolución funcional de los pacientes.
Instrumentalización de unas pinzas de compresión para la medición de la fuerza recuperadora durante la maniobra de corrección espinal
Cuando la deformidad espinal del adulto (DEA), que afecta al 68% en pacientes de más de 60 años, reduce su calidad de vida, se corrige mediante barras y tornillos transpediculares. Debido a su importancia, en los últimos años se han desarrollado numerosos modelos computacionales relacionados con la DEA. Estos estudios están basados en columnas sin deformidad previa, por lo que la evaluación de los sistemas de fijación en ellos puede estar sesgada. Por ello, resultaría útil determinar la fuerza recuperadora ( ) que se ejerce sobre la fijación durante la cirugía de corrección de una columna deformada. Ningún trabajo previo conocido ha estimado dicha fuerza. Los objetivos de este estudio son: (i) el diseñar y fabricar un sistema de medición puramente mecánico integrado en las pinzas para registrar y (ii) caracterizar mecánicamente la transmisión de la fuerza en las pinzas para la medición in vivo de . En el mango de una pinza de compresión Expedium® de acción paralela se integró un sistema de medición constituido por: casquillo, dial, soporte cónico y varilla roscada. Entre el casquillo y el dial se incluye un muelle de matricería. Mediante el roscado del dial sobre la varilla, el conjunto dial-muelle-casquillo ejerce la fuerza para cerrar las pinzas durante la maniobra, sustituyendo a la que ejercería el cirujano. Sobre el dial y la varilla roscada se grabaron con láser (Láser Iberolaser IL-1390 a 80W) unas reglas de precisión milimétrica para medir la compresión del muelle (d) y la apertura del mango (AP), respectivamente. Todos los componentes fueron fabricados en acero quirúrgico ASTM 316L para permitir su autoclavado. Para caracterizar la transmisión de la fuerza en la pinza con el fin de obtener la fuerza ejercida en el extremo (Fp) a partir de la fuerza aplicada en el mango ejercida por el muelle (Fm), se midió en un ensayo la relación Fp-Fm para 5 aperturas diferentes, midiendo Fp con una célula de carga (DYLY-106 500N). La medición se repitió 3 veces para asegurar la repetitividad de la medida. Este procedimiento experimental consigue, además de cuantificar las fuerzas de entrada y salida en las pinzas, que la relación que se establezca posteriormente entre ellas incluya, no solo el efecto multiplicador de la fuerza debido al propio diseño del mecanismo (ventaja mecánica), sino también los efectos no lineales producidos por la deformación de los componentes de la pinza durante la compresión. Finalmente, se obtuvo la nube de puntos formada por los datos de apertura, fuerza del mango, y fuerza en el extremo de la pinza y se realizó un ajuste de la nube de puntos en MATLAB®. Se seleccionó el ajuste con un mayor coeficiente de correlación (R2>0.99). Tras la caracterización de la transmisión de la fuerza en las pinzas, se diseñó el protocolo de recogida de medidas para obtener, a partir de AP y Fm, la fuerza recuperadora en el extremo de la pinza.
Protocolo de Recolección de Datos Biomecánicos para el Diseño Optimizado de Entresuelas Deportivas
La alta incidencia de lesiones en corredores y la necesidad de mejorar el rendimiento deportivo subrayan la importancia de desarrollar calzado que se adapte a las demandas biomecánicas de la carrera. Este proyecto aborda dicha problemática mediante el diseño de entresuelas de calzado deportivo basadas en principios biomecánicos, buscando optimizar la pisada, mejorar la estabilidad y reducir el riesgo de lesiones. El objetivo principal es comprender la interacción entre el calzado y el cuerpo humano durante la carrera para diseñar soluciones personalizadas que maximicen la eficiencia y minimicen los impactos adversos. El protocolo contempla la participación de corredores habituales, reclutados mediante campañas informativas en clubes deportivos y redes locales. Los participantes son evaluados en dos sesiones experimentales realizadas en días diferentes: la primera con calzado deportivo comercial y la segunda con el mismo modelo ajustado a partir de principios biomecánicos previamente analizados. Durante ambas sesiones, los corredores realizan pruebas en una cinta rodante a velocidades entre 2 y 10 km/h, lo que permite controlar las condiciones experimentales. Para registrar el comportamiento biomecánico, se emplean sistemas de captura de movimiento mediante cámaras de alta velocidad, que analizan los patrones cinemáticos de las extremidades inferiores. La actividad muscular se monitoriza con sensores de electromiografía superficial (sEMG) colocados estratégicamente en músculos clave, evaluando la activación muscular asociada a diferentes fases del movimiento. Además, se utiliza un sistema de correlación digital de imágenes (DIC) para medir las deformaciones dinámicas de las entresuelas bajo carga. Previo a la implementación con los voluntarios, el protocolo fue validado mediante pruebas piloto que verificaron la precisión y fiabilidad de los equipos experimentales. La combinación de estas técnicas avanzadas permite caracterizar con detalle la interacción entre el cuerpo y el calzado, sentando las bases para la creación de modelos predictivos que optimicen el diseño de entresuelas adaptadas a las necesidades individuales de cada corredor. Este enfoque integral promete mejorar el rendimiento deportivo y prevenir lesiones, impactando positivamente en la salud de los deportistas y fomentando estilos de vida activos. Este trabajo ha sido financiado por la Comunidad de Madrid a través del convenio-subvención para el fomento y la promoción de la investigación y la transferencia de tecnología en la Universidad Carlos III de Madrid (PRODEM-CM-UC3M).
Evaluación de palanca sensorizada para ejercicios de brazo en experiencias de laboratorio
En este trabajo se evalúa un prototipo de laboratorio consistente en una palanca sensorizada para la realización de ejercicios asistidos de miembros superiores. El diseño completo del dispositivo es llevado a cabo con elementos de bajo coste siendo los principales objetivos la sencillez y la eficacia. El dispositivo está pensado para la aplicación en terapias de rehabilitación, pero también para actividades de ejercicios de personas de la tercera edad. Por lo tanto, un requisito del dispositivo es que sea portable para uso autónomo en el entorno del hogar. La manejabilidad se asegura gracias al soporte cúbico de pequeñas dimensiones con posibilidad de fijación sobre una mesa convencional. Incluye elementos en impresión 3D, montajes sencillos y la sensorización de bajo coste es controlada mediante una plataforma abierta como es Arduino. Los experimentos presentados en este trabajo, tienen la finalidad de caracterizar la funcionalidad del dispositivo para ejercicios de mejora, recuperación y ejercicio de la movilidad para miembros superiores. Se realizan ensayos, acordes a un protocolo previamente definido, en dos posibles configuraciones, horizontal y vertical, que ofrece el dispositivo. Se registran valores de aceleración y velocidad angular con el fin de conocer si la adquisición de datos es adecuada para la supervisión de la evolución del ejercicio. Los resultados de los ensayos son discutidos en este trabajo para evaluar el dispositivo en función de la aplicabilidad del usuario teniendo en cuenta, la versatilidad, flexibilidad, confort durante el ejercicio.
La dislocación esternoclavicular es una condición infrecuente, generalmente secundaria a traumatismos de alta energía. La dislocación puede ser anterior o posterior, siendo esta última potencialmente peligrosa por su proximidad a estructuras mediastinales. Si bien el tratamiento conservador con antiinflamatorios e inmovilización suele ser efectivo en dislocaciones anteriores leves, los casos refractarios y todas las dislocaciones posteriores requieren intervención quirúrgica. Las técnicas de osteosíntesis actuales, como el uso de placas y anclajes, presentan altas tasas de complicaciones, incluyendo migración de implantes, infección, y daños en estructuras circundantes. En el Hospital Insular de Gran Canaria se ha realizado una novedosa técnica de osteosíntesis mediante un tornillo intramedular canulado para la reducción de dislocaciones esternoclaviculares. La técnica fue aplicada a cinco pacientes masculinos jóvenes (17-25 años) con dislocación esternoclavicular anterior sintomática y refractaria al tratamiento conservador. Tras la intervención, todos los pacientes lograron una recuperación funcional completa, sin dolor, después de dos años de seguimiento. Mediante el estudio radiológico se descubrió en todos los casos que el volumen de la clavícula atravesado por el tornillo canulado había formado un área aproximadamente troncocónica de tejido fibroso, en vez de tejido óseo, lo que permitía cierto movimiento. Esto marcaba la diferencia respecto a los sistema rígidos y ha llevado al éxito clínico. Basándonos en estos hallazgos, se presenta aquí el diseño y cálculo de una novedosa prótesis esternoclavicular que permite el movimiento articular del tornillo canulado desde el propio momento de la inserción de la prótesis, sin la necesidad del tejido fibroso. Para su desarrollo se tuvieron en cuenta tanto las cargas como los rangos de movimiento articular, llegando a una solución de compromiso. La prótesis consta de tres dispositivos: un tornillo canulado para anclar el esternón y la clavícula, una "camisa" troncocónica que evita el contacto del tornillo con la clavícula en su movimiento articular y una tapa para la camisa. Además, se diseñó una guía de taladrado que asiste al cirujano durante la intervención. Este sistema permite un rango completo de movimiento sin rehabilitación y soporta cargas adicionales, según pruebas de elementos finitos.
Modelización del comportamiento mecánico de hidrogeles de colágeno a partir de su microestructura
Los hidrogeles son estructuras tridimensionales reticulares, compuestas por cadenas de polímeros hidrófilos capaces de absorber grandes cantidades de agua. Esta propiedad les permite cambiar de volumen, lo cual es útil en aplicaciones como la administración de fármacos o la ingeniería de tejidos. Según su origen, los hidrogeles pueden ser naturales o sintéticos. Un ejemplo natural es el colágeno, la proteína estructural más abundante en mamíferos, de naturaleza fibrosa y responsable de mantener unidos los tejidos conectivos. Por su parte, la reología es una disciplina clave para caracterizar mecánicamente los hidrogeles de colágeno, midiendo la deformación que experimentan bajo una tensión de cizalladura aplicada. Este método permite estudiar su comportamiento mecánico, que es altamente no lineal y muy dependiente de su microestructura. En este trabajo, se ha desarrollado una metodología para reproducir in silico el comportamiento mecánico obtenido mediante un ensayo reológico en un hidrogel a base de colágeno bovino con una concentración de 0.8 mg/ml. La metodología propuesta reconstruye computacionalmente la red fibrilar real de colágeno, simulando las diferentes longitudes y tortuosidades de las fibras, a partir de imágenes de microscopía del hidrogel obtenidas con la técnica Focused Ion Beam - Scanning Electron Microscopy (FIB - SEM). Posteriormente, para reproducir in silico el ensayo de reología, se utiliza un modelo multiescala que permite obtener el comportamiento mecánico macroscópico de una matriz de fibras a partir de la interacción micromecánica de las fibras. La simulación computacional de la red fibrilar reconstruida es capaz de reproducir la respuesta mecánica no lineal observada en la prueba experimental. Esta metodología permite obtener computacionalmente las propiedades reológicas de hidrogeles o redes de fibras, pudiendo ser una herramienta útil para comprender su comportamiento mecánico.
Modelo de elementos finitos para reproducir la dinámica de los velos en una TAV
Las válvulas aórticas transcatéter (TAV) han transformado el tratamiento de la estenosis aórtica en pacientes de alto riesgo, permitiendo el reemplazo valvular sin cirugía a corazón abierto. Sin embargo, su durabilidad sigue siendo un desafío, lo que motiva la necesidad de modelos computacionales avanzados para predecir su comportamiento mecánico y optimizar su diseño. Este estudio presenta un modelo de simulación basado en el Método de Elementos Finitos (FEM) para analizar la dinámica de las TAV bajo condiciones fisiológicas. Se desarrolló un modelo tridimensional de los velos valvulares, generado a partir de una superficie plana inicial que se adapta a la geometría final tras su fijación al stent. La caracterización del material se realizó mediante un modelo elástico lineal, basado en ensayos de tracción uniaxial sobre pericardio bovino. El análisis se centró en dos aspectos clave: la configuración geométrica en la posición de apertura máxima y la dinámica valvular durante el ciclo cardíaco completo. Para la apertura, se evaluó el efecto de la relación entre presión hidrostática (normal) y presión dinámica (direccional) en la geometría final. En la simulación del ciclo cardíaco, se aplicó un perfil de presión transvalvular variable en el tiempo. Los resultados mostraron una apertura eficiente en sístole y una correcta coaptación en diástole. Además, el modelo capturó el fenómeno de pinwheeling, caracterizado por una torsión de los velos antes del cierre. El análisis de tensiones reveló que en el modelo las mayores concentraciones de esfuerzo no ocurren durante el cierre completo, sino en las fases intermedias cuando los velos cambian de forma entre cóncavos y convexos. Los resultados validan la capacidad del modelo para representar con precisión el comportamiento dinámico de las TAV, ofreciendo una herramienta computacional eficiente para mejorar el diseño de prótesis valvulares más duraderas.
Peso predictivo de parámetros morfológicos y morfométricos en la valoración de la ruptura del Aneurisma de Aorta Abdominal
El aneurisma de aorta abdominal es una entidad nosológica caracterizada por la dilatación de este vaso en su trayecto abdominal. Su más grave y frecuente complicación es la ruptura, que conlleva sobre todo altas tasas de mortalidad. Ante esta grave posibilidad, se han realizado esfuerzos para identificar los factores que permitan establecer indicadores predictivos del riesgo de ruptura. Sin embargo, aunque se han apuntado algunos de ellos, todavía no se han podido determinar cuáles son los más importantes y fiables para este fin. Entre estos indicadores, parece que no existe duda, que los morfológicos, son los más fiables para la evaluación del riesgo. En este estudio, se busca valorar la influencia de cada uno de estos factores morfológicos en el desarrollo de una plataforma de Factores Biomecánicos. Esta plataforma combina los diferentes parámetros para generar un índice numérico y personalizado de riesgo de ruptura, denominado IR(t). Este índice está diseñado para ser de fácil aplicación y alta fiabilidad predictiva en la evaluación del riesgo de ruptura del aneurisma de aorta abdominal.
La seguridad vial ha descuidado la variable de género en la investigación. La mayoría de los estudios se han basado en modelos masculinos, lo que ha llevado a una comprensión insuficiente de las necesidades específicas de las mujeres en situaciones de riesgo vial. De manera alarmante, las estadísticas indican que las mujeres tienen un 47% más de probabilidad de sufrir lesiones graves en accidentes de tráfico que los hombres, y su riesgo de padecer un latigazo cervical es cinco veces mayor. A pesar de estas crudas estadísticas, muchos modelos biomecánicos empleados en laboratorio ignoran diferencias antropométricas clave entre mujeres y hombres. En consecuencia, las simulaciones de colisiones no reflejan ni predicen adecuadamente las lesiones potenciales en las mujeres. El sesgo predominante hacia los ocupantes masculinos en la eficacia de los dispositivos de seguridad de los ocupantes evidencia la urgente necesidad de abordar este tipo de desigualdades y adoptar un enfoque más inclusivo para mejorar la seguridad vial y garantizar una protección equitativa para todos y todas. Las diferencias anatómicas y de comportamiento entre hombres y mujeres afectan directamente a la efectividad de los sistemas de seguridad. En respuesta a esta problemática, en este trabajo se presenta un proyecto que busca ampliar el conocimiento actual sobre la influencia del género en la seguridad vial. Para ello, se llevarán a cabo ensayos experimentales con una muestra de mujeres que represente una amplia diversidad antropométrica. Las participantes viajarán sentadas en un vehículo, donde se simularán frenados controlados en distintas configuraciones de ensayo. Uno de los objetivos es evaluar el riesgo de lesiones cervicales. Es fundamental señalar que todos los ensayos se realizarán en condiciones completamente seguras, sin ningún riesgo de lesión para las participantes. Para analizar el movimiento de las pasajeras, se utilizarán sensores que registrarán su respuesta biomecánica, tanto la cinemática (movimiento esquelético) mediante sensores inerciales IMUs, como la actividad muscular mediante sensores de electromiografía de superficie. Los datos obtenidos serán procesados junto con las características antropométricas de las pasajeras mediante herramientas de inteligencia artificial, con el fin de identificar y predecir patrones biomecánicos. Estos patrones hallados contribuirán al desarrollo de medidas de seguridad más inclusivas y efectivas, así como a la posibilidad de personalizar los sistemas de seguridad vial adaptándose a las características antropométricas de l@s pasajer@s. Además, está previsto que todos los datos cinemáticos recopilados formen parte de una base de datos de acceso abierto, facilitando que otros investigadores utilicen esta información para promover una movilidad más inclusiva y una sociedad más equitativa.
Estudio piloto sobre el impacto de las características antropométricas en el riesgo de lesión durante frenados de emergencia
Las lesiones cervicales por accidentes sin impacto representan un creciente problema de salud, especialmente con la adopción de frenado automático y vehículos autónomos. La columna cervical es vulnerable a la deceleración brusca, donde la diferencia de inercia entre la cabeza y el torso genera un efecto latigazo que provoca daños musculoesqueléticos. Aunque existen estudios biomecánicos del comportamiento cervical utilizando modelos físicos y computacionales, la falta de biofidelidad limita su precisión, y los ensayos con voluntarios son escasos y no representan la diversidad poblacional. La mayoría se centra en el modelo masculino promedio, dejando una brecha significativa en la comprensión del riesgo no sólo para las mujeres sino también para otros subgrupos masculinos. El cinturón de seguridad desempeña un papel crucial en la dinámica del movimiento cabeza-torso, pero algunos estudios sugieren que podría incrementar el riesgo de lesiones cervicales a baja velocidad. La falta de investigaciones con voluntarios sin sistema de retención añade incertidumbre sobre su eficacia en este escenario, especialmente en transporte público (tren, metro o autobús), donde es común viajar sin sujeción. Estos hallazgos podrían ser relevantes para el diseño de vehículos autónomos que podrían prescindir de cinturones a baja velocidad. En respuesta a estas limitaciones, se propone un protocolo experimental con voluntarios de ambos sexos y diversas características antropométricas, evaluando situaciones con y sin cinturón. El objetivo es ampliar el conocimiento sobre seguridad vial, considerando variables como edad, género, peso y perímetro corporal, que influyen en la eficacia del cinturón. Las pruebas incluirán ensayos experimentales de baja deceleración y simulaciones a alta deceleración, así como estudios sobre la conciencia del pasajero frente al relajamiento en el instante de frenado. El análisis cinemático se realizará mediante marcadores, videoanálisis y sensores inerciales y de electromiografía para evaluar el movimiento y las fuerzas en distintas regiones anatómicas. Esto permitirá identificar patrones de lesión diferenciados por género, proporcionando criterios más precisos para mejorar la seguridad vial en futuros desarrollos tecnológicos y medios de transporte actuales.
Evaluación de la resolución de escáneres CT para el diagnóstico de osteoporosis mediante el análisis morfométrico del hueso trabecular
En la actualidad, la osteporosis supone un gran problema de salud, ya que concierne a gran parte de la población. Esta enfermedad ósea es la que tiene mayor prevalencia en la sociedad, afectando más severamente a las muejeres. No obstante, las pruebas diagnósticas tradicionales presentan ciertas limitaciones. El diagnóstico convencional se basa en la absorciometría de rayos X de doble energía (DXA), técnica que mide la densidad mineral ósea (DMO), generalmente en el cuello femoral. A partir de estos valores se calcula el T-score, que representa la desviación estándar respecto a la DMO promedio de un adulto sano y determina la presencia de la enfermedad. Las investigaciones realizadas en las últimas décadas en relación con el hueso trabecular han evidenciado que la osteoporosis provoca alteraciones en la microarquitectura ósea. Sin embargo, las técnicas diagnósticas actuales no proporcionan información sobre la microestructura ósea, lo que constituye una limitación significativa. Por ello, es crucial desarrollar nuevas metodologías diagnósticas que incorporen el análisis morfométrico del hueso. Asimismo, estos métodos deben utilizar escáneres de baja radiación, pero con suficiente resolución para caracterizar de manera precisa la arquitectura trabecular. Estos equipos permitirían la obtención de imagen sobre el propio paciente, además de poder realizar un seguimiento. En este estudio se examina cómo varía la caracterización morfométrica del hueso trabecular en función de la resolución de las imágenes obtenidas mediante micro-CT. El objetivo principal es identificar la resolución mínima necesaria para detectar los cambios en la microarquitectura que distinguen un hueso sano de uno afectado por osteoporosis. Para el desarrollo de este trabajo, se ha llevado a cabo un análisis de la morfometría trabecular en imágenes de micro-CT con una resolución isótropa de 13.5 µm. Para la segmentación de las imágenes, se empleó el método de Otsu, lo que permitió eliminar la influencia subjetiva del usuario, habitual en los procedimientos manuales. Posteriormente, la resolución espacial de las imágenes se modificó digitalmente a 27, 54, 81 y 108 µm y se caracterizó la morfometría de cada muestra en cada una de estas resoluciones. Finalmente, mediante un análisis estadístico ANOVA, se identificaron los parámetros morfométricos capaces de diferenciar entre huesos sanos y enfermos en las distintas resoluciones evaluadas. Los resultado obtenidos revelan que sí es posible diferenciar muestras sanas de las osteoporóticas mediante los siguientes parámetros morfométricos: la dimensión fractal (D), la fracción en volumen (BV/TV), la separación trabecular (Tb.Sp) y le número de trabéculas (Tb.N). Esta diferenciación de muestras óseas es posible para todas las resoluciones estudiadas.
Diseño experimental para el análisis de la estabilidad del sistema de fijación de la OTPAI
La osteotomía tibial proximal de adición interna (OTPAI) es una cirugía para corregir la desalineación del eje longitudinal de la pierna mediante la apertura en la metáfisis tibial fijada mediante un sistema de tornillos y placa para mantener la apertura hasta la cicatrización del hueso. El sistema TomoFix® destaca por la estabilidad que ofrece a la apertura, habiéndose convertido en el patrón oro. Sin embargo, resulta incómodo por su voluminosidad y su disponibilidad es más limitada. El sistema de bloqueo de fracturas óseas AxSOS® presenta mayor aprovisionamiento, menor coste y produce menor protrusión por su reducida dimensión, pero no se ha comprobado la estabilidad y resistencia que ofrece su aplicación para la OTPAI. Por ello, se diseña un estudio comparativo de la aplicación del sistema AxSOS frente al de referencia, TomoFix. El montaje experimental incluye la alineación del eje de la tibia, previamente identificado mediante exploración radiológica previa con TAC, utilizando utillaje específicamente diseñado y fabricado por impresión 3D. El ensayo trata de replicar las cargas típicas del período de rehabilitación. Concretamente, los especímenes se sometieron a 3 etapas de compresión cíclica a 1 Hz: S1: 500 ciclos, [150,900]N; S2: 1000 ciclos, [150,1200]N; S3: 2000 ciclos, [150,1400]N. Para monitorizar los desplazamientos del extremo óseo proximal respecto al distal se emplean tres sensores láseres. Con estos desplazamientos medidos se computa la evolución la apertura de la cuña y del ángulo girado entre los extremos óseos en los planos sagital y frontal. En cada subciclo se calcula la variación de amplitud del movimiento y el valor residual acumulado El objetivo del presente trabajo es la comprobación del diseño experimental en especímenes cadavéricos y la determinación del tamaño muestral mínimo necesario para establecer diferencias entre los dos sistemas de fijación de OTPAI. Para ello, se realizó un estudio piloto con 8 especímenes de tibia cadavérica a las que se les realizó una OTPAI biplanar de 7mm. Posteriormente, se asignaron de forma aleatoria a un grupo de estudio (N=4) en función del sistema de fijación: AxSOS® (Stryker Iberia) o TomoFix® (DePuy Synthes). Todos los sistemas se fijaron al hueso con 6 tornillos de bloqueo con apoyo bicortical. Se consideró como fallo el colapso del fulcro de la cuña o una pérdida de corrección superior a 2º en cualquier plano. El tamaño muestral mínimo se estableció como el necesario para detectar una variación de inclinación residual en los planos anatómicos de 1º. Los valores medios de todos los parámetros calculados fueron muy similares en ambos grupos. El cálculo a partir de los valores estadísticos de las variables de interés obtenidas en este estudio pilota, arrojó un valor de N=7. El colapso de la cortical lateral fue el fallo predominante. Ningún espécimen superó S3. En el grupo AxSOS, 4 superaron S1 y 2 S2; en el grupo TomoFix, 3 S1 y 2 S2. De confirmarse estos resultados, la estabilidad de la corrección, en términos de amplitud cíclica y de pérdida permanente de la alineación, son similares cuando se fija la osteotomía con el sistema AxSOS o con el sistema de referencia TomoFix, antes de la cicatrización tras la cirugía de OTPAI.
Análisis cinemático mediante teoría de torsores de un mecanismo de Jansen reconfigurable
El mecanismo de Jansen es una cadena cinemática plana de ocho eslabones y un grado de libertad (GDL) diseñada por el escultor Theo Jansen para imitar el suave movimiento del caminar. Este trabajo analiza desde el punto de vista cinemático una transformación del mecanismo de Jansen en un mecanismo reconfigurable basado en longitudes de eslabones variables. El objetivo es producir un cambio en el ciclo de marcha y generar nuevas trayectorias que expandan el rango de aplicaciones en el campo de la robótica de andadores. Se realizó un análisis de las opciones de reconfiguración del mecanismo de un GDL a partir de cambios en la longitud de uno o más eslabones. Se observaron patrones de marcha más adaptados a tareas completamente diferentes a las del diseño inicial como puede ser un movimiento de subir peldaños. Se llevó a cabo el análisis completo de velocidades y aceleraciones recurriendo a la teoría de torsores para establecer la cinemática del mecanismo. La teoría de torsores ha demostrado ser, desde hace más de tres décadas, una herramienta eficaz para resolver el análisis de primer y segundo orden de cadenas cerradas planas y espaciales. Se realizó una comparativa de los resultados obtenidos de las variables cinemáticas conforme a las diferentes configuraciones del mecanismo de Jansen y se comprobó utilizando procedimientos convencionales de cálculo. La cancelación de las tasas de velocidad y tasas de aceleración de las articulaciones pasivas fue una ventaja importante al emplear la teoría de torsores recíprocos, debido a las propiedades de la forma de Klein. El significado geométrico del álgebra de torsores posibilitó la obtención de expresiones consistentes de claro significado físico que relacionan las propiedades cinemáticas del efector final impuestas por el eslabón motriz. Como trabajo futuro se ampliará el proceso de modelado de terrenos variables, se optimizarán las trayectorias y la reconfiguración de pata del andador y se comparará exhaustivamente con otras alternativas utilizando la teoría de torsores para la resolución de la cinemática.
Desarrollo de las restricciones del mecanismo en síntesis dimensional óptima de mecanismos espaciales
Previo a este artículo los autores han planteado el enfoque teórico para la síntesis dimensional óptima de mecanismos espaciales. Para ello se planteó una función objetivo basada en la mínima distancia entre un punto de interés del mecanismo y una posición predeterminada en el espacio. Las posiciones se han definido en función de las posiciones del centro de gravedad de los elementos del mecanismo y sus orientaciones. Los desarrollos aquí presentados se basan en el empleo de cuaterniones, pero los planteamientos son fácilmente generalizables a otros sistemas de parametrización de la matriz de rotación. El problema se ha planteado como minimización de una función objetivo de la síntesis, que sería la suma de las distancias en cada punto de síntesis del mecanismo al punto predeterminado, considerando en cada punto de dicha síntesis la minimización del problema de mínima distancia. Para la resolución del problema de mínima distancia se empleará un método SQP (Sequential Quadratic Problems) empleando el método de Newton con derivadas analíticas, y para la resolución de la síntesis se empleará también un método SQP, pero en este caso obteniendo las derivadas de forma numérica. En este artículo se van a desarrollar las derivadas de las expresiones analíticas de las restricciones relacionadas con los pares del mecanismo. Para introducir estas restricciones en la minimización de la función de error del problema de mínima distancia, se van a emplear los multiplicadores de Lagrange. Dado que se quiere emplear un sistema SQP con el método de Newton, el empleo de estos multiplicadores requiere del conocimiento de las derivadas primeras y segundas de las ecuaciones de restricción derivadas de los pares. Si bien las primeras derivadas son de uso común en dinámica de sólidos, las segundas derivadas no suelen ser tan comunes. Parte de la contribución de este trabajo es la obtención de estas derivadas para pares esféricos y de rotación.
Configuración óptima de una RNA para la resolución del problema cinemático inverso en manipuladores paralelos: caso del 5R
En este artículo se aborda la optimización y el estudio de hiperparámetros clave (número de neuronas por capa oculta, número de capas ocultas y tipo de funciones de activación) de una RNA (Red Neuronal Artificial), concretamente de un perceptrón multicapa (MLP), para la resolución del problema cinemático inverso (IKP) completo de un manipulador paralelo. Se realiza un estudio en profundidad del efecto de dichos hiperparámetros en el desempeño de la red, tanto a nivel de error en las inferencias a lo largo del espacio de trabajo, como a nivel de coste computacional. Concretamente, se aborda el problema para un manipulador paralelo 5R asimétrico, cuya cinemática es bien conocida, de forma que, dadas una o varias posiciones del elemento terminal, la RNA permita obtener las soluciones del IKP asociadas a todos los modos de trabajo del 5R. Para facilitar las inferencias por parte del usuario final, se introduce la red en una función que incluye un preproceso y postproceso (donde se tiene en cuenta el método empleado para resolver la discontinuidad de los ángulos en el valor de cero radianes) para las variables de entrada y de salida de la red, respectivamente. En este artículo se presentan dos experimentos de variación de hiperparámetros, de los que se extraen una serie de conclusiones. Con estos experimentos se han observado aspectos significativos como la degradación de los resultados al exceder un cierto número de capas ocultas, demostrando la importancia de la selección de unos hiperparámetros adecuados y de no caer en el error de suponer que una red más compleja vaya a otorgar siempre mejores aproximaciones. Este estudio para la resolución del IKP completo de un 5R se puede considerar como un caso particular, pudiendo servir de base para la optimización de hiperparámetros en MLPs que resuelvan el IKP completo para manipuladores paralelos de cinemática más compleja. No obstante, se debe tener presente que los valores óptimos de los hiperparámetros dependen de la complejidad del problema, así como de la cantidad de datos disponibles para el entrenamiento. Para estos últimos manipuladores, los contenidos de este artículo son especialmente beneficiosos, debido al elevado coste computacional de los métodos numéricos empleados para la resolución de su cinemática, frente al coste computacional de las inferencias de una red entrenada.
Metodología de modelado de eslabones flexibles mediante análisis numérico Cosserat y redes neuronales artificiales
Los mecanismos paralelos continuos son eslabonamientos de cadena cerrada cuyo movimiento es posible gracias a sus elementos flexibles y esbeltos. En comparación con los manipuladores paralelos basados en eslabones rígidos, su análisis cinemático requiere de un modelado más complejo debido a las grandes deformaciones y al equilibrio fuerza-par que requieren. En el caso de los mecanismos paralelos continuos en el plano, la investigación sobre su comportamiento cinemático completo es escasa, principalmente debido a la dificultad de obtener las soluciones posibles al problema de posiciones. En este artículo se retoman los resultados obtenidos previamente con un método basado en integrales elípticas para resolver los problemas de posición cinemática tanto directa como inversa. Estos resultados se comparan ahora con la aplicación de un método dinámico basado en barras de Cosserat que permite la solución del problema directo, cuyos resultados son usados por un algoritmo de inteligencia artificial basado en redes neuronales para extrapolar la solución al problema inverso. Se presenta como caso de análisis y estudio un ejemplo representativo base para la discusión en la comparación y la aplicación práctica de los métodos empleados.
Resolución de la Elástica mediante una red neuronal ODE para cinemática de mecanismos planos flexibles
Los mecanismos planos formados de elementos flexibles o continuos, en configuraciones de cadena cerrada, permiten diseñar sistemas mecánicos para manipulación con un grado de conformidad que los hacen atractivos en aplicaciones en entornos con personas por su nivel de seguridad ante impactos imprevistos. Además, esta flexibilidad puede ser también útil en aplicaciones de montaje automático de precisión o incluso como sistemas de actuación y sensorización háptica. Este tipo de mecanismo conlleva una mayor dificultad de análisis de la cinemática y condiciona en gran medida el desarrollo de los subsiguientes pasos de simulación y control. En concreto el reto está en la resolución numérica y la caracterización de los parámetros físicos reales, que forman parte de las ecuaciones diferenciales de los modelos matemáticos empleados. Las redes neuronales artificiales pueden ser una herramienta útil para la modelización de algunos de estos problemas. El ámbito de aplicación de las redes neuronales es muy amplio, así como la naturaleza de estas. En concreto, cuando el problema a analizar tiene como base un sistema de ecuaciones diferenciales existe un tipo concreto de redes neuronales denominado genéricamente NODE. Este tipo de redes es aplicado en el modelizado de sistemas dinámicos como forma de mejorar las técnicas de estimación de parámetros dinámicos. Este trabajo trata de probar el uso de redes neuronales NODE en otro tipo de problemas caracterizados por ecuaciones diferenciales cuya variable no es el tiempo sino una coordenada espacial. En concreto nos proponemos abordar algunos problemas de resolución de la clásica curva elástica de una barra esbelta bajo diferentes condiciones de contorno, como paso previo a su implementación en la resolución de problemas de posición en mecanismos planos paralelos formados de elementos flexibles. La variable espacial es la longitud de arco sobre la curva elástica, y la ecuación diferencial está definida en función del material y sección de la barra. El objetivo es resolver la forma deformada de la elástica de una forma más rápida que con los clásicos métodos de integración directa, o la aproximación mediante integrales elípticas.
Acerca del vínculo entre la síntesis topológica y la síntesis cinemática de mecanismos
El problema de la síntesis de mecanismos es un viejo conocido de la teoría de máquinas y mecanismos, siendo prácticamente simultaneo al nacimiento de esta ciencia. A pesar de ello, ha sufrido un desarrollo mucho menos intenso que el análisis, estando algunos de sus campos como son la síntesis topológica y la cinemática aparentemente desconectados. En este trabajo se plantea, a través de un ejemplo, el problema de la síntesis cinemática con condiciones de posición y se analiza hasta obtener una “inecuación de síntesis” la cual tiene dos usos principales: Conocido el mecanismo, permite determinar el número de constantes dimensionales, posiciones y condiciones de síntesis que podría llegar a admitir, es decir, permite acotar la síntesis cinemática. Conocidas las posiciones y condiciones de síntesis deseadas, permite decidir si un mecanismo determinado podría llegar a cumplirlas, es decir, actúa como un filtro para la síntesis topológica. Teniendo en cuenta lo anterior, se concluye que la inecuación de síntesis representa el vínculo entre la síntesis cinemática y la síntesis topológica. Dicha inecuación es general y válida para mecanismos planos y tridimensionales, soporta el caso de que exista un número distinto de condiciones de síntesis para posiciones sucesivas y permite explicar la naturaleza de soluciones a problemas de síntesis conocidos (como, por ejemplo, el mecanismo de Peaucellier-Lipkin para trazar trayectorias con curvatura constante).
Modelos numéricos para la implementación de sensórica en un cable dinámico submarino para eólica offshore flotante
La instalación en los últimos años de varios parques eólicos offshore flotantes es un paso muy importante de cara a lograr la viabilidad comercial de esta tecnología. Sin embargo, el agresivo entorno marino, caracterizado por fuertes solicitaciones causadas por vientos, olas y corrientes, combinado con el creciente tamaño de las turbinas eólicas y el comportamiento dinámico de sus componentes, plantea serias preocupaciones sobre la viabilidad de la producción de energía y la durabilidad del sistema en un entorno tan agresivo. Un componente crítico dentro de las plataformas eólicas flotantes es el cable dinámico, responsable de transportar a la red de tierra la energía generada en mar. Cualquier fallo en este cable provocaría la caída de la generación, al menos, de la turbina eólica asociada, lo que enfatiza la necesidad de un diseño preciso de estos cables dinámicos durante las fases más tempranas del proyecto de un parque eólico flotante. Sin embargo, la complejidad de la estructura interna de estos cables dinámicos, formadas por diversos cuerpos con diferentes características mecánicas, hace muy difícil el desarrollo de modelos numéricos fiables. Este hecho, unido al restringido acceso a infraestructuras de ensayos o a datos reales necesarios para validar dichos modelos, redunda en la dificultad de obtener diseños precisos y tempranos. TECNALIA dispone de un laboratorio flotante, el HarshLab, fondeado en condiciones offshore en la costa de Vizcaya, en el que va a instalar un cable dinámico en los próximos meses, incorporando en el conector submarino, fabricado por la empresa DITREL, con el que este cable se une a dicho laboratorio, un conjunto de instrumentos de medida con el propósito de monitorizar el comportamiento de dicho cable umbilical. Este trabajo pretende exponer los modelos numéricos que se han empleado para implementar la sensórica apropiada en el conjunto de cable y conector submarino, así como presentar los primeros resultados de esa monitorización y validación de los modelos, si a la fecha del congreso hubiera ya resultados.
Estudio Dinámico de una Cadena de Rodillos Mediante Simulación Dinámica Multicuerpo en Simscape Multibody
Las cadenas de rodillos son componentes críticos en la transmisión de potencia en aplicaciones industriales y de vehículos, donde la precisión y el rendimiento del sistema dependen en gran medida de su comportamiento dinámico. A diferencia de las correas, las cadenas presentan características específicas que requieren un modelado detallado para capturar efectos dinámicos como la imposibilidad de extensión de la cadena y la influencia de la "acción poligonal" en la salida de velocidad angular. Este estudio presenta una simulación multicuerpo de más de cien cuerpos en Simscape Multibody para evaluar estos efectos en una cadena de rodillos. En primer lugar, se analiza la influencia del tamaño del piñón en la eficiencia de la transmisión, evaluando las pérdidas de potencia a distintas combinaciones de diámetro de piñón y velocidad angular. Otro aspecto clave es la acción poligonal, un fenómeno que induce una variación de la velocidad angular en la salida debido a la interacción discreta entre los rodillos y los dientes del piñón. Este efecto puede provocar fluctuaciones en la velocidad de salida, afectando el comportamiento del sistema de transmisión, particularmente en aplicaciones que requieren precisión en la entrega de potencia. La modelación detallada de estas interacciones mediante Simscape Multibody permite capturar la complejidad dinámica de las cadenas de rodillos, contribuyendo así a una comprensión más profunda de los factores que influyen en su rendimiento y fiabilidad.
Reducción del coste computacional asociado a la redundancia en la representación de la orientación empleando subespacio nulo en problemas de dinámica de sólidos
En este trabajo se presenta un estudio sobre la posibilidad de reducir el coste computacional asociado al incremento de variables que se produce cuando se resuelven problemas de dinámica de sólidos empleando sistemas redundantes de parametrización de la matriz de rotación, tal y como sucede cuando se emplean cuaterniones. Para ello se hace uso del subespacio nulo de la matriz Jacobiana de las restricciones asociadas a la parametrización (en el caso de los cuaterniones, la norma unidad). Teniendo en cuenta que estas restricciones afectan exclusivamente a los términos asociados al sólido cuya orientación es representada por el conjunto de parámetros, las dimensiones de este subespacio nulo son muy reducidas. Esto lleva a la posibilidad de aplicar este subespacio nulo a cada submatriz correspondiente a las ecuaciones de equilibrio y restricciones, reduciendo las dimensiones globales del problema. En el caso de problemas de tamaño pequeño en los que se pueden emplear matrices densas la reducción de coste está asociada a la reducción de las dimensiones del sistema a tratar, mientras que en el caso de sistemas de gran tamaño, esta reducción no solo debería afectar a las dimensiones, sino también a la reducción del trabajo organizativo (factorización simbólica y otros) necesario para trabajar de forma eficiente con matrices dispersas. El cálculo del subespacio nulo habitualmente se considera que tiene un coste que muchas veces hace este tipo de operaciones poco eficaces. Sin embargo, el bajo tamaño de las matrices involucradas así como el empleo de un procedimiento de bajo coste para la obtención del subespacio nulo hace que este método lleve a reducciones notables del coste computacional, habiéndose constatado en las pruebas preliminares llevadas a cabo reducciones del 15% en el caso de cuaterniones y hasta el 80% cuando se emplea la matriz de rotación completa. En el documento se desarrolla el planteamiento del problema, los algoritmos empleados en el trabajo, varios ejemplos en los que se muestra la eficiencia del algoritmo, y una serie de conclusiones y planteamientos sobre trabajos futuros.
Identificación eficiente de sistemas dinámicos: Combinando SINDy y conocimiento mecánico
La obtención de forma automática de leyes físicas que gobiernan un sistema únicamente a partir de datos siempre ha sido de gran interés en muchos campos científicos. En el ámbito de la ingeniería mecánica, este proceso se denomina identificación de sistemas. Se basa en utilizar datos de mediciones para deducir las ecuaciones que rigen, en forma de sistemas dinámicos, la descripción de dichos datos. Una vez que se descubren estas ecuaciones, éstas pueden emplearse para predecir el comportamiento futuro del sistema, determinar qué acciones o ajustes deben realizarse para controlar el sistema de manera efectiva o utiliza métodos matemáticos y analíticos para comprender mejor su comportamiento. Recientemente, las técnicas de modelado basados en datos por medio de procesos de regresión dispersa, como el algoritmo SINDy (Sparse Identification of Nonlinear Dynamical systems) y sus diferentes modificaciones, se han desarrollado para resolver las dificultades en la extracción de la dinámica subyacente a partir de datos experimentales. Este algoritmo identifica estos modelos mediante la construcción de una colección de funciones candidatas (denominada biblioteca) que describen la dinámica del sistema. Mediante las técnicas de regresión dispersa selecciona las funciones más relevantes, promoviendo soluciones simples y parsimoniosas. El resultado final es un conjunto de ecuaciones diferenciales que describen el comportamiento del sistema. Su principal ventaja es que los modelos resultantes son intrínsecamente interpretables y generalizables. La desventaja es que la creación de esta biblioteca de funciones se realiza mediante un enfoque de "fuerza bruta". Es decir, se generan muchas funciones candidatas de manera exhaustiva, sin un conocimiento previo específico sobre cuáles son las más adecuadas para describir la dinámica del sistema. En este trabajo se propone aprovecha el conocimiento previo relativo a la naturaleza del sistema a analizar, un sistema mecánico. Esto permite generar una biblioteca de funciones en la que las funciones cumplen una serie de condiciones extraídas de la mecánica: análisis dimensional (unidades de las funciones ha de ser coherentes con el sistema), simetrías en la ecuaciones (matriz de masa) o recursividad (aprovechamiento de la estructura cinemática del sistema) entre otras. Al limitar la biblioteca a unas que sí tienen sentido físico, se reduce el espacio de búsqueda, lo que puede acelerar el proceso de identificación y hacer el algoritmo más eficiente. Este procedimiento se ha probado en varios sistemas mecánicos con diferentes características: lineal y no lineal, número de grados de libertad o espacio de trabajo (2D o 3D) verificando el resultado con las ecuaciones ya conocidas que describen estos sistemas. Esta metodología permite no solo obtener las ecuaciones dinámicas (ya conocidas en muchos casos), si no que además puede ser implementada para situaciones en las que la física exacta de un fenómeno es desconocida o para obtener sistemas de orden reducido, donde ciertas partes de la física a modelar no sean relevantes en el modelo.
Caracterización híbrida de un dispositivo cosechador de energía
En la actualidad, la obtención de modelos matemáticos para representar sistemas mecánicos es un área de gran interés en la ingeniería. La identificación de sistemas es el campo que se encarga de obtener estos modelos matemáticos aplicando métodos estadísticos a datos obtenidos de sistemas reales. Un sistema mecánico puede modelarse mediante ecuaciones diferenciales de segundo orden siguiendo las leyes de la física. Dichos modelos dependen de una serie de parámetros que pueden ser difíciles de medir o desconocidos. La obtención del valor óptimo de estos parámetros se denomina “estimación de parámetros” y ha sido ampliamente utilizada en distintas áreas de la ingeniería mecánica. Sin embargo, no siempre se tiene un modelo físico o no es suficientemente preciso. En dicho caso, no sólo deben estimarse los parámetros del sistema si no que se debe modelar el propio sistema, pasando a ser un problema de “identificación de sistemas”. Existen multitud de técnicas en este ámbito, siendo los modelos obtenidos de “caja negra”, es decir, los modelos son puramente matemáticos y no provienen de leyes físicas. En este ámbito, el auge de la inteligencia artificial ha supuesto una revolución, apareciendo multitud de nuevas técnicas. Entre ellas, se encuentran técnicas que combinan física con redes neuronales, buscando obtener modelos más precisos y que además sean interpretables. En este trabajo, se propone una nueva técnica híbrida que combina la física conocida del modelo con redes neuronales para caracterizar (identificar) un dispositivo cosechador de energía. Este dispositivo tiene como objetivo convertir la energía mecánica (vibraciones) en energía eléctrica. Concretamente, la idea es colocar el cosechador en una torre de aerogenerador y obtener la energía necesaria para alimentar los sensores para realizar la monitorización de la estructura. El cosechador de energía está compuesto por tres palas con sus respectivos imanes, que giran dentro de una carcasa que alberga un bobinado. De esta forma, las palas del cosechador se moverán al vibrar el aparato y harán variar el campo magnético generándose energía eléctrica en las bobinas. El modelado del dispositivo puede realizarse mediante la segunda ley de Newton, pero la fuerza de repulsión que aparece entre las palas debido al campo magnético es altamente no lineal y resulta muy complicada de modelar mediante leyes físicas. Por lo tanto, se propone una metodología híbrida para realizar el modelado del cosechador en la que se combinan las leyes de la física, para los términos inerciales y disipativos (mecánico y eléctrico) y una red neuronal para el término magnético. En primer lugar, se han ajustado los parámetros del modelo en base a una serie de datos de entrenamiento que consisten en señales reales de posición, velocidad, aceleración y excitación externa provenientes de ensayos en un banco de pruebas. Posteriormente, se ha validado el modelo con datos que no se habían utilizado para entrenar. Una vez ajustado el modelo, se ha utilizado para llevar a cabo simulaciones en el tiempo de forma que puede estimarse la potencia generada ante una excitación arbitraria. Además, se ha comprobado que pueden variarse los parámetros físicos del modelo permitiendo ajustarlos convenientemente para optimizar la extracción de energía del dispositivo. En definitiva, se obtiene un modelo preciso, físicamente interpretable, optimizable y con posibilidad de simularse que permite hacer frente a las desventajas del modelado basado en física y de caja negra.
Modelo multicuerpo para la simulación de ensayos en una Máquina de Choque de Peso Medio
La máquina de ensayos de choque de peso medio, más conocida como Medium Weight Shock Machine (MWSM), es una máquina de ensayos de choque diseñada para validar equipos de 250 a 6000 lb que se instalan en buques de guerra. La máquina consta de una bancada de hormigón de 90000 lb flotante dispuesta sobre unos resortes, y sobre ella se disponen un martillo a modo de péndulo y una mesa yunque. El equipo a probar se monta sobre la mesa de yunque mediante unas estructuras intermedias que añaden flexibilidad al conjunto. En una prueba de choque, el martillo se eleva a una altura específica definida según MIL-DTL-901E y, una vez liberado, realiza un movimiento de péndulo hasta que golpea la mesa de yunque desde abajo, impartiéndole una aceleración vertical. El recorrido de la mesa de yunque está limitado por topes superiores e inferiores, que también permiten pequeñas rotaciones. La simulación de un ensayo de choque en una MWSM se ha abordado tradicionalmente mediante modelos unidimensionales simplificados que no incluyen fuerzas de contacto y aproximan la flexibilidad de las estructuras intermedias mediante fuerzas de tipo muelle-amortiguador lineales. En este trabajo, la simulación de los ensayos de choque en una MWSM se logra utilizando un modelo multicuerpo flexible 3D sometido a fuerzas de contacto. El modelo multicuerpo propuesto considera la bancada, la mesa yunque y el martillo como cuerpos rígidos, mientras que las estructuras intermedias (canales o accesorios) y los equipos a ensayar se modelan como cuerpos rígidos o flexibles en función de la relevancia de su deformación elástica en un ensayo de choque. La elasticidad de los cuerpos flexibles se tiene en cuenta mediante un conjunto de modos de deformación calculados en un preproceso previo a la simulación dinámica. El contacto de la mesa yunque con el martillo y con los topes superiores e inferiores se modela mediante un modelo de contacto Hunt-Crossley con coeficientes de restitución estimados a partir de experimentos en una máquina real. Para la simulación dinámica, se ha extendido la formulación Augmented Lagrangian index-3 (ALI3-P) con proyecciones de velocidad y aceleración en coordenadas naturales para soportar cuerpos flexibles en el contexto del método de referencia flotante o Floating Frame of Reference (FFR). La simulación dinámica del modelo multicuerpo propuesto se ha comparado con datos experimentales de la máquina real, obteniéndose una buena convergencia en términos de Espectros de Respuesta a Choque o Shock Response Spectrums (SRS). Los datos experimentales también se han utilizado para ajustar el amortiguamiento estructural y otros parámetros dinámicos del modelo.
Desarrollo de filtros de Kalman para monitorización de holguras en maquinaria industrial
La aparición de holguras por desgaste en la maquinaria industrial tiene un impacto importante en su rendimiento y vida útil. Una holgura reduce la eficiencia de la máquina y provoca incrementos de temperatura, ruidos y vibraciones, lo que puede dañar ciertos componentes o causar el fallo prematuro del equipo. Para reducir estos efectos, es necesario efectuar tareas de mantenimiento de forma regular. El proceso de caracterización de las holguras y su simulación ha sido objeto de estudio de la comunidad de dinámica multicuerpo. Los métodos propuestos requieren una descripción precisa de la dinámica de los sólidos unidos por las juntas con holgura. La representación de este fenómeno en la simulación depende de la selección de varios parámetros que caracterizan la geometría de la holgura. En la práctica, estos parámetros son complejos de obtener y pueden variar durante el tiempo debido, por ejemplo, a cambios en las condiciones de operación de la máquina. Además, muchos de estos parámetros no se pueden medir directamente mediante sensores. Los observadores de estados, como los basados en el filtro de Kalman, se emplean para estimar variables o parámetros que no se conocen con certeza, lo que los convierte en una alternativa para detectar la presencia de holguras en un mecanismo. Los filtros de Kalman se han empleado con modelos multicuerpo para estimar fuerzas y parámetros de configuración de modelos, además del propio estado del sistema. Sin embargo, aún no se han aplicado al ámbito de las holguras de forma sistemática, especialmente en el contexto de montajes experimentales. Los primeros pasos hacia una solución siguiendo el enfoque de estimadores implica la selección de los métodos más adecuados para cuantificar el problema de la holgura de forma directa, incluyendo la selección de sensores, tipo de filtro y la identificación de las magnitudes más relevantes del problema. En este trabajo, la máquina objeto de estudio se basa en un mecanismo de biela-manivela. Se ha combinado un modelo ideal del mecanismo con un filtro de Kalman extendido consiguiendo estimar las fuerzas en la holgura. El siguiente paso es conseguir estimar el tamaño de la holgura, para lo que se están estudiando diferentes alternativas, como la estimación de parámetros mediante un filtro de Kalman “unscented”. De esta forma, será posible monitorizar la aparición y evolución de holguras con el fin de evitar daños críticos en la maquinaria.
Modelado, Análisis y Selección de Actuadores de un Dispositivo de Pliegue y Despliegue de Alas para Vehículo de Movilidad Aérea Urbana
En el contexto del desarrollo de la movilidad aérea urbana, los vehículos voladores personales representan una solución incipiente a los problemas de congestión en zonas urbanas densamente pobladas y un medio potencial de reducir los tiempos de viaje. Estos vehículos requieren la incorporación de sofisticados sistemas mecánicos que faciliten la transición fluida entre los modos terrestre y aéreo. Uno de los retos fundamentales es el mecanismo de plegado y despliegue de las alas. El presente estudio se inicia con el modelado multicuerpo de un sistema de plegado y desplegado de alas para un coche volador. Dicho modelado permitirá representar con precisión el comportamiento dinámico de sistemas mecánicos complejos, lo que resulta crucial para la evaluación y optimización de los componentes críticos del dispositivo mecánico. El objetivo primero de este estudio es determinar la fuerza necesaria generada por el pistón hidráulico para facilitar el plegado y desplegado de las alas, ya que éstas sirven de soporte a los motores y hélices responsables de la sustentación y el control durante el vuelo. Esta información permitirá seleccionar un actuador hidráulico capaz de realizar la acción de forma eficiente y segura. El análisis considerará las fuerzas de inercia y el peso de los componentes en el momento de plegarse o desplegarse. El segundo objetivo es calcular las reacciones que actuarán sobre el actuador hidráulico cuando el vehículo está en vuelo, en condiciones desfavorables. Estas condiciones representarán escenarios extremos en los que la estabilidad estructural del mecanismo es de suma importancia, ya que un cierre inadvertido de las alas durante el vuelo podría tener consecuencias catastróficas. Para abordar este aspecto, se analizarán las fuerzas y momentos que debe soportar el actuador para mantener el despliegue de las alas, y se comprobará si el mecanismo permanece estable bajo estas condiciones de carga. La modelización del dispositivo permitirá simular diversos escenarios operativos y evaluar los requisitos de rendimiento del actuador hidráulico, garantizando así el funcionamiento seguro y fiable del mecanismo de las alas. Los resultados de este análisis aportarán datos indispensables para la selección de componentes y el diseño final del sistema de plegado y desplegado, contribuyendo así al avance de soluciones para una movilidad aérea urbana más segura y eficaz. Es previsible que esta metodología pueda aplicarse a otros proyectos de vehículos voladores en los que la seguridad y la eficacia sean de vital importancia en el diseño de sistemas de transición entre los modos de vuelo y tierra.
Comparativa de Lenguajes de Programación para el Análisis Dinámico de Sistemas Multicuerpo: Julia vs. Matlab
Julia es un lenguaje de programación de alto rendimiento y código abierto que ha ganado una gran popularidad en los últimos años, tanto en el ámbito académico como en la industria, por su idoneidad para aplicaciones de análisis numérico, data science y machine learning. Julia combina la velocidad propia de lenguajes de bajo nivel como C con la facilidad de aprendizaje y uso de los códigos de alto nivel como Python, convirtiéndolo en una opción atractiva para ciertas aplicaciones computacionalmente pesadas. Se considera un lenguaje “compilado just-in-time”, lo que lo ubica a medio camino entre los códigos interpretados y aquellos estrictamente compilados. Actualmente, Julia está ampliando su comunidad mayoritariamente en ámbitos científicos e investigadores debido a que su sintaxis resulta familiar para los usuarios, lo que hace que su aprendizaje sea relativamente sencillo. En este contexto, se ha planteado su aplicación al análisis dinámico de sistemas multicuerpo complejos, en los que se consideran fenómenos de contacto/impacto entre sus diferentes elementos constitutivos. Para ello, se ha adaptado un código in-house existente, definido en lenguaje Matlab®, utilizado por diferentes grupos de investigación, tanto nacionales como internacionales, en una amplia variedad de temas de estudio. Uno de los principales cuellos de botella identificados en la resolución de este tipo de problemas radica en la capacidad de los integradores destinados a resolver las Ecuaciones Diferenciales Ordinarias (ODE, en inglés). La librería de Julia a este respecto destaca por su alto nivel de optimización y capacidad de modificación frente a los ODE solver de Matlab®, que resultan más amigables para los usuarios principiantes. En este trabajo, se han definido varios modelos en ambos lenguajes para su comparación. Estos modelos incluyen diferentes características presentes de forma general en los sistemas multicuerpo, como pueden ser los elementos muelle-amortiguador-actuador, las juntas cinemáticas o las fuerzas de contacto/impacto. Los resultados obtenidos muestran reducciones considerables del coste computacional en Julia con respecto a Matlab®, manteniendo altos niveles de precisión. En este punto, se plantea la simulación de un sistema mecánico complejo con múltiples interacciones simultáneas de contacto/impacto con disipación de energía.
Desarrollo de una librería para la integración de cuerpos flexibles 2D en Simscape Multibody mediante modelos de orden reducido
Este trabajo presenta el desarrollo de una librería específica para la simulación de cuerpos flexibles en entornos MATLAB®, Simulink® y Simscape Multibody®, enfocada en estructuras bidimensionales compuestas por vigas y cerchas. A diferencia del bloque estándar de cuerpos flexibles en Simscape, que depende de la aplicación Partial Differential Equation Toolbox® de MATLAB, la solución propuesta proporciona una alternativa más versátil al integrarse con flujos de trabajo externos a través de la librería "STABIL". Esta herramienta permite obtener modelos de estructuras discretizadas, las cuales se procesan mediante el método de Craig-Bampton para generar modelos de orden reducido. El procedimiento incluye la selección de nodos de interfaz definidos por el usuario, donde se aplican las condiciones de conexión con el resto del mecanismo modelado en Simscape Multibody. Esta aproximación evita la dependencia del mallado nativo de MATLAB y otorga mayor control sobre la fidelidad del modelo simulado. Para validar la herramienta desarrollada, se presentan dos casos de estudio: una estructura de cerchas y otra de vigas. Los resultados obtenidos muestran una alta fidelidad en la respuesta dinámica del modelo de orden reducido respecto al modelo completo.
Modeling Contact Problems Involving Toroidal Surfaces
Accurately modeling contact interactions in mechanical systems with complex geometries is a critical step towards predicting the dynamic response of the system. In particular, toroidal surfaces are especially challenging in contact mechanics due to their nontrivial geometry involving both convex and concave surfaces, which often results in complex contact interactions when dealing with planar surfaces or other curved bodies. Such shapes frequently appear in several engineering applications, including tires, seals, and various ring components. Hence, the present study focuses on developing a robust and computationally efficient methodology to simulate the contact dynamics between a toroidal surface and a plane by employing a penalty-based compliant force model. This work not only provides a framework for the standalone modeling of toroidal-plane interactions, but also demonstrates broader applicability to systems with more complex surfaces in which some parts can be approximated by toroidal geometry. The toroidal surface is represented parametrically, involving a set of two angular parameters: one defining the angle along the torus cross-section and another denoting the rotation around the axis of the torus. The proposed procedure facilitates the precise location of points on the torus geometry and enables the use of efficient contact detection methods. Unlike simpler geometries, such as spheres or ellipsoids, the torus requires specialized techniques to accurately identify the contact points and assess pseudo-penetration during contact scenarios. In order to address these challenges, the torus surface is discretized into multiple slices, each treated as a local cylindrical approximation. This slicing approach simplifies the contact region analysis while preserving the geometric fidelity. The interaction between the torus and the plane is evaluated for each slice, and suitable normal and tangential contact force models are adopted. The normal forces are computed using a Hunt and Crossley-based model, which takes into account the properties of the contacting materials, such as stiffness and damping, while the tangential forces are evaluated with a regularized static friction model. The methodology developed in the context of this work is applied to the dynamic simulation of a generic toroidal body contacting a fixed plane. The obtained results highlight the system's sensitivity to key parameters, including the stiffness and damping of the contact interface and the number of slices utilized to discretize the torus geometry. While increasing the number of slices improves the system’s accuracy, it also leads to an increase in the computational cost, imposing a trade-off between precision and efficiency. Additionally, the proposed approach has been able to capture the complex variations in contact regions as the torus orientation changes, showcasing its versatility in handling dynamic scenarios. Future work will focus on refining the model, exploring different contact models, and extending its application to more complex multibody systems. In addition, the extension of this work to supertoroidal shapes is intended.
Evolución de los estudios de Ingeniería Mecánica ante la incorporación de fablabs universitarios
La tasa de abandono escolar de los estudiantes de ingeniería es un problema preocupante en España en la actualidad. Numerosos estudios describen la motivación intrínseca (es decir, la voluntad de superación y autoconfianza) como un factor muy significativo en su abandono. Incluso en últimos cursos, se observa que los estudiantes en ingenierías pierden la motivación por aprender conceptos avanzados. Los expertos recomiendan que las universidades ofrezcan clases optativas a los alumnos que aporten más motivación y que les propongan de forma diferente ciertos temas que sean más próximos a su carrera profesional. El objetivo principal de esta comunicación es determinar el nivel de motivación en los estudiantes de ingeniería que participaron en una asignatura optativa orientada a motivar a los estudiantes. La asignatura de 4o curso se denominada Impresión 3D y Prototipado Rápido y se ha impartido dos años consecutivos en la E.T.S.I.I. de Béjar en la Universidad de Salamanca. Los grupos de trabajo de entre 4-5 estudiantes tienen la misión de llevar a cabo un proyecto multidisciplinar de diseño colaborativo de un robot de combate o battlebot. El prototipo construido participa en un torneo que se celebra al finalizar el cuatrimestre. La asignatura es multidisciplinar y abarca a las tres ramas industriales. La característica diferencial de la asignatura es que su metodología busca motivar al estudiante y potenciar la adquisición de competencias transversales tales como el trabajo en equipo, la negociación, el cumplimiento de las normas de organización y la gestión del tiempo. La experiencia docente se ha evaluado mediante tres mecanismos independientes: (a) encuestas de motivación y de aprendizaje, (b) evaluación del trabajo en grupo y la convivencia durante la asignatura y (c) las notas y puntuaciones obtenidas a lo largo de la asignatura. Aproximadamente el 85% de los estudiantes realizó la evaluación completa en ambos cursos. Los resultados indican que la motivación es un factor clave en el rendimiento de los estudiantes, con notas de los estudiantes superiores comparado con otras asignaturas. Sin embargo, las medias obtenidas en la evaluación en grupo y en la autoevaluación no fueron tan altas como era de esperar en dichos años. En las encuestas los estudiantes fueron especialmente críticos con su autoevaluación y aportaron comentarios negativos sobre la carga de trabajo. En conclusión, no fue posible destacar un factor de motivación como el más influyente en el rendimiento, lo que demuestra la naturaleza compleja y dinámica de la motivación. En un futuro se estudiarán las relaciones entre motivación, autoeficacia, compromiso y rendimiento académico en los estudiantes, para encontrar ideas y orientaciones sobre las prácticas docentes en el resto de las asignaturas del Departamento de Ingeniería Mecánica.
Evaluación de Competencias Transversales de Comunicación en Ingeniería Mecánica a través de un Aula Interactiva
El desarrollo de competencias transversales, como la comunicación efectiva, es fundamental en la formación de ingenieros/as mecánicos/as, quienes deben colaborar y transmitir ideas técnicas de manera clara. Este trabajo presenta una propuesta de evaluación de estas competencias mediante el uso de un aula interactiva especialmente equipada para estudiantes de grado en ingeniería mecánica. El aula interactiva diseñada para esta experiencia consta de cinco mesas-tablet y tres paredes táctiles, donde los estudiantes pueden interactuar y trabajar en equipo en tiempo real. Las mesas-tablet permiten a los alumnos desarrollar actividades colaborativas y acceder a contenidos digitales, mientras que las paredes táctiles facilitan la visualización y manipulación de gráficos técnicos, esquemas, planos, vídeos y presentaciones. Gracias a estas herramientas, se fomenta un aprendizaje activo y una dinámica de grupo en la que cada estudiante puede contribuir y recibir retroalimentación visual y auditiva instantánea. Además, el aula está integrada con un sistema de computación en la nube, lo que permite almacenar y gestionar toda la documentación de manera centralizada. Esto facilita el acceso a material de referencia, proyectos y resultados de evaluación en cualquier momento, tanto para los estudiantes como para los profesores. La computación en la nube permite, además, la colaboración remota, posibilitando que los estudiantes y docentes accedan y trabajen en los mismos documentos sin importar su ubicación. Para evaluar el desarrollo de las competencias de comunicación, se emplearon herramientas como rúbricas específicas, observación directa y autoevaluaciones, enfocadas en habilidades como la claridad de expresión, la organización del contenido técnico y la capacidad de argumentación. Los resultados revelaron una mejora significativa en la habilidad de los estudiantes para comunicar conceptos técnicos, tanto oralmente como en documentos escritos. Este enfoque demuestra ser efectivo y fácilmente replicable en otras instituciones y disciplinas. La implementación de un aula interactiva no solo mejora las competencias comunicativas, sino que también fomenta el trabajo en equipo, la adaptación a la tecnología, y la gestión eficiente de información, cualidades esenciales en el ámbito profesional de la ingeniería mecánica.
Aprendizaje de dinámica de mecanismos basado en cuadernos interactivos
En este trabajo se presenta una metodología para favorecer el aprendizaje de dinámica de mecanismos basado en el uso de cuadernos interactivos. Para ello, se propone la realización de un proyecto que utiliza un modelo virtual de una máquina, en este caso, una grúa, para abordar los conceptos relacionados con la cinemática y cinética de la partícula, de los sistemas de puntos y del sólido rígido tridimensional, así como los métodos de Newton-Euler y de Euler-Lagrange para la resolución de la dinámica de sistemas multicuerpo. Mediante el uso de los cuadernos interactivos, se irán resolviendo problemas de complejidad ascendente, siempre relacionados con la máquina elegida. Si bien esta máquina puede desempeñar un movimiento espacial que implica tres articulaciones de revolución y una prismática, en las fases iniciales se bloquearán algunas de estas articulaciones para adecuar la complejidad de los ejercicios a los contenidos abordados en cada momento. No obstante, el hecho de disponer del modelo virtual completo desde el inicio del proyecto permite disponer de una mejor perspectiva sobre las tareas a abordar además de fomentar el interés y la motivación. Gracias a la posibilidad de conectar los cuadernillos interactivos con un simulador multicuerpo, los estudiantes disponen de un sistema de visualización tridimensional de las simulaciones llevadas a cabo para la resolución de los cálculos relacionados con los problemas propuestos. Además, se utilizarán los resultados arrojados por el simulador como ground-truth, por lo que, gracias a un script encapsulado en los propios cuadernillos, los estudiantes pueden comprobar si las soluciones obtenidas son o no correctas de una manera completamente autónoma. La principal aportación de este trabajo consiste en la propuesta metodológica basada en cuadernillos interactivos combinada con el aprendizaje basado en proyectos. Además, se presentarán algunos datos relacionados con las experiencias de uso de la metodología propuesta. Como trabajos futuros se proponen la ampliación de las características de los proyectos propuestos, introduciendo nuevos grados de libertad, de manera que se combinen cadenas cinemáticas abiertas y cerradas, así como el uso de actuadores lineales y cilindros hidráulicos.
Sobre el uso de simuladores de bajo coste para docencia en asignaturas de dinámica de vehículos
En esta propuesta se desarrollan algunas ideas sobre el uso de simuladores de vehículos como herramienta para la docencia de asignaturas de dinámica de vehículos. El coste reducido de estas herramientas y la sorprendente cantidad de información que manejan a día de hoy permite aprovechar este tipo de software como recurso docente de gran interés. En la industria del videojuego, existen dos tipos de productos relacionados con los vehículos. Los videojuegos, en los que se prima el entretenimiento por sí mismo, y los simuladores, que, manteniendo un interés lúdico, dan una gran importancia a la fidelidad de la simulación de los fenómenos mecánicos. De hecho, gran cantidad de los desarrolladores de este tipo de programas son ingenieros que aplican sus conocimientos de ingeniería de vehículos para llevar a término los algoritmos que representan el núcleo de estos programas. Así, es relativamente fácil encontrar simuladores en los que se modelizan con gran lujo de detalle el contacto rueda-firme (incluyendo los efectos térmicos), la entrega de potencia del motor, la cinemática de las suspensiones, la aerodinámica, y un larguísimo etcétera. Adicionalmente, es posible encontrar simuladores que dan datos de telemetría (en tiempo real y diferido) en formatos legibles por software de uso común en competición, y no simples imitaciones. Además, en simuladores de cierto éxito y antigüedad, aparece el fenómeno “modding” en el que una comunidad de usuarios (muchas veces con conocimientos y titulaciones de ingeniería) estudian los formatos de datos empleados por el software, a veces sorprendentemente simples, para poder añadir prestaciones a estos softwares. Todos estos aspectos hacen de los simuladores comerciales una herramienta de gran interés para el estudio de la dinámica de vehículos. No sólo es posible aprovechar la simulación para que los alumnos, con un coste sorprendentemente reducido, puedan comprobar efectos tan avanzados como la diferencia de temperaturas en un neumático en función de la presión y los parámetros geométricos de la suspensión, ajustes en la caja de cambios,…, sino que además se puede emplear la telemetría para realizar cálculos como la obtención de coeficientes aerodinámicos y otros. En este trabajo se presentará un caso particular de aplicación, actualmente en fase de adaptación, en la Escuela de Ingeniería de Bilbao. Para ello se discutirá sobre la infraestructura necesaria, las características del software elegido y las razones de su selección, distintas demostraciones prácticas planteadas con los alumnos, información interesante que se puede extraer del software y otros aspectos.
Programa de prácticas orientado a la simulación computacional y validación experimental de un cuadrilátero articulado
En este trabajo se presenta un trabajo de prácticas para la asignatura de Teoría de Máquinas y Mecanismos en el Grado en Ingeniería Mecánica. El objetivo de dicho trabajo es adentrar a los alumnos de grado en una primera toma de contacto con la simulación computacional de mecanismos planos. Para ello se ha fabricado una maqueta de una bomba para la extracción de petróleo, la cual ha sido instrumentada con diversos sensores y un pequeño motor eléctrico. A través de un sistema de adquisición de datos desarrollado íntegramente con software libre, el alumno puede poner en funcionamiento la máquina y realizar una adquisición de señales mediante los sensores instalados en el sistema. Con los conocimientos teóricos estudiados en clase, el alumno llevará a cabo una simulación computacional de dicho mecanismo con la ayuda de MATLAB. Los resultados obtenidos de la simulación serán comparados con aquellos medidos experimentalmente. A la finalización de las prácticas los alumnos habrán adquirido los conocimientos fundamentales necesarios para realizar simulaciones computacionales más complejas, además de haberse familiarizado con la instrumentación de un sistema mecánico y la adquisición y tratamiento de señales reales en máquinas y mecanismos.
Posibilidades del software de modelado sólido y la fabricación aditiva en la docencia de trenes de engranajes
En las últimas dos décadas, hemos asistido a una revolución completa en la forma de hacer ingeniería, también ingeniería mecánica. Sin duda este cambio ha venido dado por el desarrollo de las nuevas tecnologías, que aplicadas al diseño de mecanismos y máquinas han permitido avanzar en modelos numéricos y simulaciones por ordenador, impensables hace un tiempo. También el software de modelado sólido del que hoy disponemos tiene enormes potencialidades, y facilita mucho las tareas de los ingenieros, de tal modo que, en todas nuestras Universidades, han pasado a formar parte de los programas docentes de grado o máster. Por otro lado, la última revolución en diseño la constituyen sin duda los equipos de fabricación aditiva, que han experimentado importantes avances y han permitido la expansión de estas tecnologías a los centros de investigación, a la industria, y también a nuestros departamentos universitarios. En nuestra área de Ingeniería Mecánica hace tiempo que utilizamos este tipo de software y la fabricación aditiva, en proyectos de investigación y también en Trabajos Fin de Estudios (grado, máster y doctorado) con nuestros alumnos. En esta comunicación presentamos una serie de prototipos realizados utilizando software de modelado sólido y piezas impresas por fabricación aditiva (tecnología FDM) centrados en sistemas de transmisión con fines docentes. Así, los prototipos aquí presentados permiten a nuestros alumnos una mejora en la comprensión de trenes de engranajes epicicloidales o mecanismos peculiares, a través del análisis y observación de estos prototipos funcionales en las prácticas de laboratorio diseñadas en torno a estos prototipos. Los prototipos presentados, abordan trenes de engranajes como el tren de Pecquer, la paradoja de Fergusón, o el acoplamiento Schmidt, mecanismos peculiares, complejos, al tiempo que muy interesantes para los graduados en ingeniería mecánica.
Teoría de Estructuras en Ingeniería Mecánica o cómo acercar la industria al mundo académico
Este trabajo presenta la idea del proyecto final de la asignatura Teoría de Estructuras desarrollado por estudiantes de Ingeniería en entornos industriales reales, como método en el que las clases teóricas se complementan con experiencias prácticas de aprendizaje. A través de la realización de estos proyectos industriales, los estudiantes profundizan y comprenden la materia de dicha asignatura, relacionando los conceptos teóricos con situaciones técnicas reales. Un puente-grúa real ubicado en una determinada instalación industrial (por ejemplo, una nave, una fábrica, un laboratorio, un almacén, un puerto) es el vínculo que conecta a los estudiantes de último curso de Ingeniería de la Universidad Pública de Navarra (en Pamplona) con las industrias locales. Este proyecto orientado a la industria es la piedra angular del curso de Teoría de Estructuras, que corresponde a 3 créditos ETCS (Sistema Europeo de Transferencia de Créditos), está centrado en el análisis de estructuras tanto estáticamente determinadas como estáticamente indeterminadas, principalmente vigas y pórticos. Un sistema estructural para el soporte de cargas en movimiento (es decir, un puente-grúa) ofrece a los estudiantes la oportunidad de poner en práctica varios conceptos aprendidos en el aula. El proyecto consta de las cuatro fases siguientes: (1) Descripción del sistema móvil de soporte de cargas (2) Acciones y combinaciones de carga consideradas (3) Análisis estructural de vigas y pórticos (4) Modelización numérica del sistema estructural Este trabajo en curso destaca el hecho de que los estudiantes pueden elegir entre dos opciones de evaluación: una evaluación tradicional basada en un único examen escrito tradicional (tal y como se ha desarrollado año tras año, antes de la actividad propuesta), o una combinación de tres actividades: una actividad individual de aprendizaje semanal (x 15), un proyecto final de trabajo en equipo cercano al mundo industrial y el mismo examen mencionado en el modo tradicional. En el proyecto final de diseño / análisis estructural han participado 14 industrias locales reales de Navarra, y 42 alumnos (de 66 matriculados) han elegido esta modalidad, lo que representa cerca del 64% de la matriculación de la asignatura. La idea ha sido animar a los estudiantes a trabajar con un enfoque diferente al de los cursos de ingeniería convencionales, en los que tienen evaluaciones tradicionales únicas donde los estudiantes aprenden el material solo para presentarse a los exámenes, basado en una evaluación continuada y conectada con el mundo real ingenieril. En este trabajo se dan más detalles sobre las razones de los estudiantes para elegir (o no) los proyectos finales en la industria real, haciendo énfasis en que la opción que implica el proyecto es a la vez más exigente en tiempo y más desafiante técnicamente. Este trabajo también quiere destacar que los proyectos propuestos proporcionan a los estudiantes una primera exposición a entornos industriales reales, y al conocimiento de prontuarios, reglamentos, códigos y normas, permitiendo visitar un sitio real, y promoviendo posibles relaciones que podrían facilitar la inserción laboral de los estudiantes participantes.
DMLab®: software para el cálculo y dimensionado de elementos de máquina
La ingeniería de elementos de máquina abarca el diseño y dimensionado de componentes críticos, como engranajes, acoplamientos, rodamientos, husillos y mecanismos de leva-seguidor, que son fundamentales en la mayoría de sistemas mecánicos modernos. La comprensión y el cálculo preciso de estos elementos resulta esencial no solo para la práctica profesional, sino también para la formación de futuros ingenieros en contextos académicos. Sin embargo, a medida que aumenta la complejidad de los sistemas de diseño y análisis, se hace necesario contar con herramientas accesibles que permitan a los estudiantes aplicar los conceptos teóricos en escenarios reales. DMLab® es el resultado de años de investigación del grupo de investigación en diseño mecánico, cuyo esfuerzo ha dado como fruto un software intuitivo y potente para el cálculo y dimensionado de elementos de máquina en entornos educativos y profesionales. Este software permite que los usuarios comprendan y apliquen los principios de diseño mecánico mediante un enfoque práctico y basado en casos de estudio. Entre los módulos destacados, DMLab® incluye el análisis de sistemas de leva-seguidor, engranajes, husillos a bolas y rodamientos. Cada módulo de DMLab® proporciona un entorno interactivo donde los usuarios pueden experimentar con configuraciones y parámetros, optimizando el diseño según los requerimientos de cada aplicación. Además, una de las funcionalidades clave de DMLab® es su capacidad para generar automáticamente programas de simulación por elementos finitos, facilitando el análisis más detallado de los elementos de máquina y permitiendo que los estudiantes e investigadores experimenten con herramientas de alta precisión, estándar en la industria, que van más allá de los cálculos analíticos tradicionales. Gracias a sus capacidades, DMLab® no solo facilita el aprendizaje de los fundamentos teóricos, sino que también apoya el desarrollo de competencias prácticas, permitiendo a los estudiantes una comprensión más profunda y aplicada de los elementos de máquina en escenarios de uso real.
Metodología para la aplicación de herramientas flexibles de cálculo para el análisis paramétrico enfocada a la docencia en ingeniería
Tradicionalmente, los métodos de enseñanza en asignaturas de ingeniería mecánica, ponen especial énfasis en el cálculo matemático de los modelos con los que se analizan los distintos sistemas mecánicos, cuya solución puede depender de varias variables de diseño. En muchas asignaturas, profesorado y estudiantado resuelven casos prácticos a mano, en los que la resolución matemática de los mismos supone un alto coste de tiempo, y el aprendizaje acaba centrándose más en la resolución matemática, que en interpretar los resultados sobre el efecto de cambios en las variables de diseño. Esto trae como consecuencia la dificultad por parte del estudiantado en adquirir competencias en el análisis crítico de la influencia de parámetros de diseño en cada sistema mecánico. Al no dedicar tiempo para hacer diversos casos variando dichos parámetros, debido al alto coste de tiempo en rehacer los cálculos para cada iteración, no pueden analizar resultados en función de dichos parámetros, y, por lo tanto, no pueden interiorizar cualitativamente el efecto de los mismos. Con el objetivo de mejorar la adquisición de esta competencia, se propone a continuación una metodología de trabajo con la que el estudiantado podrá resolver, de forma ágil, y a través de herramientas basadas en hojas de cálculo, problemas donde podrán monitorizar los parámetros mecánicos de diseño que consideren, e iterar obteniendo resultados inmediatamente para ver la influencia de éstos sobre el resultado final. De esta forma, se optimiza el esfuerzo necesario en la resolución matemática del problema y en las iteraciones de cálculo, permitiendo dedicar más tiempo al análisis crítico de la influencia de los parámetros de diseño sobre cada sistema mecánico, e interiorizar desde un punto de vista cualitativo, y cuantitativo, cómo afectan estos parámetros, mejorando, no solo la competencia anteriormente citada, sino también adquiriendo competencias digitales, con herramientas de bajo coste que aportan agilidad a la hora de analizar los problemas, no recurriendo únicamente a complejos y costosos softwares de simulación. La metodología está estructurada en los siguientes pasos: Elaboración de videos tutoriales en el manejo avanzado de hojas de cálculo, con foco en la resolución de los problemas planteados; Visualización en Moodle por parte del estudiantado de los videos tutoriales; Resolución y parametrización en la hoja de cálculo del problema propuesto; Monitorización de los resultados en función de la variación de los distintos parámetros de diseño; Análisis de resultados y extracción de conclusiones. Esta metodología se está aplicando en la asignatura de Criterios de Diseño de Máquinas, dentro del Grado de Ingeniería en Tecnologías Industriales, en la Universidad de Zaragoza. Al final del artículo, se muestra un ejemplo de aplicación real en el cálculo de un sistema de transmisión para la expulsión de piezas roscadas en moldes de inyección de plástico.
Análisis de las capacidades de la inteligencia artificial en el ámbito de Teoría de Máquinas y Mecanismos para diferentes niveles de la taxonomía de Bloom
En los últimos años se han desarrollado considerablemente diversas herramientas de inteligencia artificial (IA) basadas en modelos de procesamiento de lenguaje natural, que son capaces de contestar preguntas y resolver problemas diversos. En el ámbito educativo, falta todavía explorar en detalle las posibilidades que estas herramientas ofrecen como complementos a la labor docente realizada por los profesores y su fiabilidad. En este trabajo se analizan y comparan las capacidades de dos herramientas representativas de este tipo (ChatGPT y Gemini) para resolver cuestiones y problemas en el ámbito de la Teoría de Máquinas y Mecanismos (TMM). Para ello, se generó una batería de cuestiones relacionadas con TMM, clasificadas de acuerdo a la taxonomía de Bloom revisada. El conjunto estaba formado por un total de 48 cuestiones, ocho por cada una de las seis dimensiones de la taxonomía (D1-recordar, D2-comprender, D3-aplicar, D4-analizar, D5-evaluar y D6-crear). Las cuestiones fueron elaboradas por los autores, profesores del área de ingeniería mecánica de la Universitat Jaume I, todos con experiencia en la docencia en TMM, tratando de conseguir un conjunto representativo de los diferentes contenidos incluidos habitualmente en la asignatura. Cada cuestión fue planteada exactamente igual a cada una de las dos IAs por uno de los participantes. Las respuestas anonimizadas de cada una de las IAs fueron luego corregidas por otros dos participantes en este trabajo, según un reparto en el que cada profesor realizó el mismo número de interacciones con las IAs y correcciones en cada nivel de la taxonomía. La corrección se realizó utilizando una rúbrica que tenía en cuenta tres aspectos: A1) la calidad técnica de la respuesta, A2) la precisión y completitud de la misma y A3) su redacción y ortografía, siguiendo una escala de valoración de Likert de 1 a 5 (1-muy mal, 2-necesita mejorar, 3-satisfactoria, 4-buena, 5-excelente). Se analizó la valoración conseguida por cada IA en los diferentes aspectos valorados y en las diferentes dimensiones de la taxonomía de Bloom. Los resultados indican diferencias significativas entre las dos IAs en cuanto a valoración promedio en calidad técnica de la respuesta, situándose ambas entre buena y satisfactoria (ChatGPT 3.8, Gemini 3.3, p<0.05), y en cuanto a precisión y completitud (ChatGPT 4.0, Gemini 3.4, p<0.05). En el aspecto de calidad de la redacción y ortografía no se observaron diferencias significativas entre ambas IAs (ChatGPT 4.6, Gemini 4.5, p>0.05). Se observó que los resultados en los aspectos A1 y A2 dependen significativamente de la dimensión en la taxonomía de Bloom de la respuesta, siendo mejores los resultados en la dimensión D1 (recordar) que en la D6 (crear), con menores diferencias entre las categorías intermedias (para A1: D1: 4.1, D2: 3.5, D3: 3.4, D4: 3.7, D5: 3.7, D6: 2.8, para A2: D1: 4.0, D2: 3.7, D3: 3.8, D4: 3.8, D5: 4.0, D6: 2.9). Se observaron diferencias significativas entre correctores al evaluar los aspectos A2 y A3, pero no para el A1.
Metodología ‘Thinking Classroom’ en enseñanza superior: aplicación en asignaturas de Ingeniería Mecánica
La metodología "Thinking Classroom" es una estrategia de enseñanza diseñada para fomentar el pensamiento crítico, la participación y la resolución de problemas entre los estudiantes, en lugar de limitarse a la transmisión de conocimiento de manera pasiva. Esta metodología se basa en una serie de principios desarrollados por Peter Liljedahl, profesor de la Universidad Simon Fraser, que sugieren un enfoque más dinámico y constructivo, con éxito contrastado en matemáticas, pero aplicable a otras áreas. El objetivo de este trabajo es analizar cómo implementar esta metodología en una asignatura del Área de Ingeniería Mecánica de la Escuela de Ingenierías Industriales (EII) de la Universidad de Extremadura. La asignatura, denominada Diseño y Ensayo de Máquinas se encuentra dividida en bloques: síntesis de mecanismos, análisis cinemático y dinámico para simulación en ingeniería, y ensayo de máquinas. El objetivo de la asignatura es que los estudiantes desarrollen las competencias necesarias para aplicar técnicas de síntesis y simulación en entornos de ingeniería. Para ello se han reestructurado las prácticas de la asignatura. En primer lugar, se ha cambiado el entorno de trabajo, del laboratorio de ordenadores al hiperaula disponible en la EII donde la disposición de mesas y pizarras móviles permite a los estudiantes trabajar en grupos pequeños y colaborar visualizando sus ideas en tiempo real. Con respecto a los grupos, para evitar la formación de grupos homogéneos o jerarquías dentro del aula, los estudiantes se agrupan al azar en cada sesión. Esto fomenta la interacción entre personas con diferentes niveles de habilidad, replicando un entorno de trabajo interdisciplinario y preparando a los estudiantes para situaciones reales en ingeniería mecánica, donde se requiere colaboración con distintos perfiles. Por último, con respecto al proceso de resolución de problemas el profesor actúa como facilitador centrando la toma de decisiones a partir de la reflexión continua y el aprendizaje compartido. Para ello, cada grupo debe justificar sus decisiones, documentar su proceso y presentar sus resultados. Este proceso de "aprender a aprender" es fundamental en el campo técnico, donde el análisis y la revisión de decisiones son esenciales para evitar errores en aplicaciones reales. En lugar de solo evaluar el resultado final, se considera el proceso de pensamiento y la habilidad para justificar decisiones, lo cual es esencial en ingeniería, elaborándose rúbricas de corrección sobre el material generado por los alumnos durante dicho proceso. Esta evaluación continua contrasta con el Aprendizaje Basado en Problemas (ABP), donde puede evaluarse el producto final del proyecto, y con Aprendizaje-Servicio, que incorpora el impacto en la comunidad como parte de la evaluación. A diferencia de ABP y A-S, esta metodología fomenta la exploración creativa y el pensamiento crítico, que son esenciales en ingeniería.
Desarrollo de un gemelo digital para docencia en asignaturas de ingeniería mecánica
La representación virtual de sistemas industriales mediante gemelos digitales está siendo implementada en la actualidad a la mayoría de los sistemas industriales y productivos. Permite, mediante la sensorización adecuada, conocer el estado y evolución de un sistema digitalizado. A su vez, se manifiesta la necesidad de implantarlo en los entornos educativos, especialmente en el nivel universitario. Este trabajo presenta una forma novedosa de abordar contenidos de distintas asignaturas de ingeniería mecánica mediante el desarrollo de gemelos digitales, y en concreto, el de una estructura. Así, se describe un sistema mecánico al que se han incorporado distintos sensores que permiten una lectura de los niveles de carga aplicados. Mediante un modelo computacional que reproduce el mismo sistema mecánico, y alimentado por la lectura de los sensores, se puede realizar la simulación en tiempo real del sistema, conociendo así su estado tensional instantáneo durante la aplicación de carga. Asimismo, se puede predecir si la estructura está cerca de sus límites de carga. Los resultados han mostrado la validez del gemelo digital y su implantación en distintas asignaturas de ingeniería mecánica. Se ha facilitado así la comprensión de los conceptos desarrollados, y su potencial aplicación a otros sistemas mecánicos de mayor complejidad.
Aprendizaje colaborativo empleando la aplicación Discord
En la sociedad actual el contenido digital adquiere una gran importancia, con un incremento notable del grado de digitalización desde la pandemia vivida en el año 2020. Gran parte del estudiantado universitario ha experimentado la docencia online y/o semipresencial en mayor o menor medida desde el curso 2020/21. Con todo ello, las técnicas docentes han ido evolucionando, incluyendo herramientas tales como plataformas de comunicación, ya existentes y populares en otros ámbitos, para explotar su utilización en el entorno educativo. A su vez, los teléfonos inteligentes se presentan como una ventana de acceso a material didáctico durante el estudio y permiten el intercambio de ideas entre estudiantes en tiempo real. A lo largo de este trabajo se expone la experiencia docente del uso de una herramienta habitual en el mundo de los videojuegos, Discord, planteada en la asignatura de Teoría de Máquinas de varios grados de la Escuela Politécnica de la Universidad Miguel Hernández de Elche. En esta propuesta, los estudiantes se organizan en servidores de difusión privados, para que docentes implicados como participantes y moderadores apoyen el estudio fuera del aula, a modo de tutorías grupales online.
Modelado y simulación computacional en diseño de máquinas: combinación de “Flipped Classroom” y aprendizaje mejorado mediante la tecnología
En el presente trabajo se exponen las modificaciones en el enfoque pedagógico realizadas en la asignatura optativa “Modelado y Simulación en Diseño de Máquinas” perteneciente al cuarto curso del Grado de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Cantabria, con el fin de hacer frente al absentismo de los alumnos a las clases presenciales, el cual se vio acentuado tras la pandemia de la COVID-19. Se realizaron dos modificaciones sustanciales, las cuales han permanecido en los tres últimos cursos académicos, permitiendo así una comparativa entre diferentes promociones. En primer lugar, se aplicó un enfoque pedagógico mixto, en el que se utilizaron conjuntamente el enfoque de aula invertida y el enfoque tradicional, haciendo que el tiempo de clase presencial fuera más productivo para los estudiantes, consiguiendo una mayor implicación por su parte y ejercitando las competencias digitales (DigComp). En segundo lugar, se propuso un proyecto colaborativo para resolver un problema abierto en grupos de tres o cuatro estudiantes, en el que se ejercitaron las competencias del curso, las competencias emprendedoras (EntreComp) y, en el último grupo, las competencias sostenibles (GreenComp). El aprendizaje mejorado mediante la tecnología fue clave para facilitar el acceso de los alumnos a los conocimientos y contenidos. Para ello, se empleó la herramienta Kaltura por parte del profesorado, ayudando a su vez a la adquisición de las competencias digitales. A partir de la implementación de estas modificaciones, se pudo concluir que el tiempo de clase presencial fue utilizado de forma más eficiente, dado que, por un lado, se ejercitaron niveles cognitivos superiores a los de cursos previos durante las clases presenciales y, por otro lado, se impartieron los contenidos en 8 horas menos respecto a años anteriores, que fueron utilizadas por los alumnos para resolver el proyecto de grupo con la supervisión y guía de los profesores implicados. Por otro lado, se obtuvo retroalimentación del alumnado a partir de encuestas de satisfacción de cada una de las prácticas computacionales realizadas, relacionándolas con el enfoque de aula invertida y con el seguimiento asíncrono de la asignatura, así como una encuesta global realizada el último día de clase. A partir de los resultados se concluyó que los estudiantes se mostraron más comprometidos con las acciones de seguimiento asíncronas que con las actividades de “Aula invertida”.
Metodología híbrida para la enseñanza de ingeniería acústica: Aprendizaje presencial y ubicuo utilizando tecnología móvil
La realización de prácticas de laboratorio es un componente esencial en la enseñanza de asignaturas del área de la Ingeniería Acústica. La realización de prácticas presenciales complementa la formación teórica de los estudiantes requiriendo habitualmente el uso de instrumentación específica (sonómetros, analizadores y fuentes de ruido, entre otros) y de diferentes instalaciones (cámaras acústicas, y laboratorios). Existen otras modalidades, como pueden ser los laboratorios virtuales, que favorecen la formación no presencial, permitiendo simular escenarios virtuales en donde los estudiantes utilizan instrumentación virtual y generan datos para su posterior análisis. En este trabajo, se propone una opción híbrida entre ambos enfoques: el uso de aplicaciones instaladas en teléfonos móviles, utilizando estos dispositivos como instrumentos para mediciones acústicas de uso individual. Esta metodología proporciona a los estudiantes la oportunidad de realizar actividades experimentales en contextos reales, no solo durante las sesiones de prácticas presenciales, sino en cualquier momento y lugar. El presente estudio describe la experiencia aplicada en la formación relativa a la determinación de los niveles de potencia acústica de fuentes de ruido utilizando presión acústica en condiciones de campo libre sobre un plano reflectante, siguiendo la norma UNE-EN-ISO 3744:2011. Durante el desarrollo, los estudiantes llevaron a cabo diversas actividades, tales como: determinar experimentalmente el tiempo de reverberación de un recinto de su elección, evaluar la adecuación del recinto a las condiciones de campo libre, realizar mediciones de nivel de presión acústica de una fuente de ruido, calcular las correcciones por el entorno de ensayo y el ruido residual y finalmente, determinar el nivel de potencia acústica de la fuente de ruido. Esta experiencia surgió como una adaptación de contenidos y metodologías docentes ante la necesidad de implementar acciones de aprendizaje ubicuo durante el curso académico 2020-2021, coincidiendo con la pandemia de COVID-19. Para ello se diseñó una metodología de prácticas remotas que permitió a los estudiantes replicar experimentos similares a los realizados de forma presencial en sus propios hogares. La metodología ha continuado utilizándose en cursos posteriores, dado que ha demostrado ser una herramienta versátil para reforzar la enseñanza presencial, fomentando el aprendizaje autónomo y contextualizado, siendo útil para situaciones en las que sea necesario atender a necesidades específicas del estudiantado, como puede ser el caso de adaptaciones curriculares, o en situaciones que justifique la enseñanza no presencial.
Celosía de castillete minero para ABP: diseño, cálculo, RA y maqueta física
El aprendizaje basado en proyectos es una metodología educativa que busca involucrar a los estudiantes en su propio proceso de aprendizaje a través de proyectos eminentemente prácticos. En el caso específico de la ingeniería, la tendencia es introducir prácticas innovadoras donde la creatividad del ingeniero sea un factor determinante. Por ello, es importante implementar en el aula metodologías que fomenten la creatividad del alumnado. Con esta idea en mente, se ha propuesto un proyecto cuyo objetivo principal es incentivar la participación activa de los estudiantes mediante el trabajo colaborativo, permitiendo un aprendizaje personalizado en la asignatura Teoría y Cálculo de Estructuras, impartida en la Escuela Politécnica de Ingeniería de Minas y Energía de la Universidad de Cantabria. Esto se logrará mediante la integración de tareas de naturaleza variada, sujetas a evaluación continua durante el curso. Los principales objetivos de este proyecto son el diseño e implementación de actividades y recursos de aprendizaje innovadores que fomenten la participación activa del alumnado, así como estrategias de aprendizaje personalizado adaptadas a su perfil y características. El proyecto se desarrollará en las siguientes fases: 1. Análisis bibliográfico sobre estructuras de castilletes mineros. 2. Diseño de una estructura de castillete. 3. Modelado paramétrico, incluyendo formación específica en herramientas CAD. 4. Análisis estructural mediante análisis matricial. 5. Representación mediante Realidad Aumentada en dispositivos Android (móviles o tabletas). 6. Construcción de un modelo físico a escala reducida de la estructura del castillete. 7. Exposición pública del trabajo desarrollado y presentación de resultados. El trabajo se organizará en forma de un proyecto colaborativo, asegurando así que el aprendizaje sea personalizado, pero no individual, brindando a los estudiantes una percepción realista del ámbito profesional. Además, se plantearán una serie de desafíos personales como: Colaboración efectiva y resolución de conflictos, comunicación oral y escrita o liderazgo y gestión Entre las competencias que el estudiante adquirirá a lo largo del proyecto destacan la resolución de problemas, el pensamiento crítico y analítico, la responsabilidad personal y la ética profesional. Se fomentará obtener un trabajo bajo estándares mínimos de calidad, la mejora constante en la gestión del tiempo, una planificación y priorización adecuadas de las actividades a desarrollar, y la adaptabilidad y flexibilidad ante los cambios. Se promoverá un aprendizaje autónomo y continuo, incentivando la búsqueda de nuevos conocimientos, así como la creatividad e innovación. El objetivo de esta propuesta es mitigar las deficiencias detectadas en la asignatura: actualmente es fundamentalmente teórica, y los cálculos estructurales se realizan manualmente, sin el uso de herramientas informáticas. Por ello, se concibe esta metodología de aprendizaje basado en proyectos, con la que se persigue una concepción más práctica de la asignatura. Se busca que los estudiantes desarrollen un pensamiento más crítico, mejoren su capacidad de resolución de problemas, fomenten su capacidad de innovación y potencien su creatividad.
ODS en Ingenierías de la Rama Industrial. Tres Ejemplos de Integración.
La Ley Orgánica 2/2023 y el Real Decreto 822/2021 establecen el marco normativo para la organización de las enseñanzas universitarias y el aseguramiento de su calidad, subrayando la importancia de integrar competencias relacionadas con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) en los planes de estudio. La CRUE (Conferencia de Rectores de las Universidades Españolas), a través de su Comisión Sectorial Crue-Sostenibilidad, destaca la necesidad de identificar competencias explícitas de sostenibilidad en los planes de estudio y menciona que, en programas que no recojan adecuadamente estas competencias, es esencial incorporar los elementos necesarios para garantizar su cumplimiento. Entre las líneas de acción propuestas se encuentran definir contenidos, metodologías y evaluación en las guías docentes de las asignaturas relacionadas con las competencias de sostenibilidad y redactar los resultados de aprendizaje. También plantea asegurar que los TFG y TFM incluyan un análisis de su impacto y/o contribución al desarrollo sostenible o bien la oferta de una materia especializada. Este artículo propone tres ejemplos de acciones docentes aplicables que se han llevado a cabo en los Grados en Ingeniería Eléctrica y Mecánica, así como en el Máster en Ingeniería Industrial de la Universidad Miguel Hernández de Elche: una a través de un TFG titulado “Estación Solar de Carga para VMP”, otra mediante una acción de innovación docente basada en el Aprendizaje Basado en Proyectos (ABP) en la asignatura Tecnología Mecánica, donde se ha planteado un concurso de diseño de un artefacto mecánico y desarrollando un actividad que relaciona los contenidos del módulos de “Ensayo de Máquinas” con los ODS. Gracias a estas acciones, se han cubierto varias competencias relacionadas con los ODS. Esto ha permitido al estudiantado desarrollar habilidades y conocimientos que contribuyen al desarrollo sostenible, cumpliendo con las directrices establecidas por la normativa vigente.
Aplicación de algoritmos bioinspirados en la monitorización de vigas rotatorias
Actualmente, el uso de las diferentes herramientas de Inteligencia Artificial (IA) cada vez está más extendido en diferentes ámbitos de la Ingeniería Mecánica. Entre las aplicaciones más frecuentes se encuentra su utilización para monitorización de fallos de elementos mecánicos. Los algoritmos bioinspirados, encuadrados dentro de la IA, son métodos de optimización que, para su formulación, se inspiran en procesos biológicos o de la naturaleza. Entre ellos se encuentran, por ejemplo, los algoritmos genéticos, algoritmos de enjambre de hormigas o abejas, o aquellos basados en el comportamiento de otros animales, como conejos, cebras, ballenas, pelícanos, focas, etc. En este trabajo se presenta la aplicación de este tipo de algoritmos para la monitorización de vigas rotatorias. El estudio de estos elementos tiene especial interés ya que, a menudo, se utilizan para estudiar de forma simplificada componentes muy habituales en la industria, tales como palas de aerogeneradores, palas de helicópteros o álabes de turbinas. En definitiva, se han utilizado y comparado diferentes tipos de algoritmos bioinspirados para detectar e identificar defectos en palas rotatorias, estudiando cuáles son los que ofrecen mejores resultados y analizando su viabilidad en la monitorización de este tipo de elementos.
Estudio experimental sobre la identificación de defectos en rodamientos de bolas mediante el análisis de vibraciones de baja frecuencia
Este trabajo constituye la continuación de otro titulado “Análisis de la vibración de baja frecuencia en el proceso de degradación de rodamientos de bolas” presentado en el XXIV CNIM celebrado en Las Palmas de Gran Canarias en el año 2023. El objetivo de esta nueva investigación es contrastar algunas de las conclusiones obtenidas en el estudio previo y explorar la posibilidad de diferenciar, a través del análisis de vibraciones de baja frecuencia, la degradación generalizada de un rodamiento de bolas de otros defectos que puedan coexistir en el mismo equipo, tales como holgura, desalineación o deformación del eje. Para ello, se sometieron a ensayo varios rodamientos de bolas hasta su fallo, en condiciones ambientales controladas que aceleran su envejecimiento y degradación. Durante las pruebas, el equipo también experimentó otros defectos. Las mediciones sobre los rodamientos se realizaron utilizando técnicas de verificación ampliamente aceptadas, como ultrasonidos (US) y espectros de vibración de alta frecuencia (SPV-HF). Además, se llevó a cabo un seguimiento de las vibraciones de baja frecuencia (por debajo de 20 Hz) y se registraron videos de alta velocidad tanto del eje como de los rodamientos. Los resultados obtenidos de los ensayos se analizaron comparando los valores medidos con las imágenes de alta velocidad, procesadas mediante filtros de magnificación de movimiento en bandas de frecuencia, y con el estado de degradación de los elementos evaluados.
Utilización de clasificadores automáticos para la categorización y monitorización del estado operativo de material rodante ferroviario
La denominada Cuarta Revolución Industrial o Industria 4.0, momento en el que nos encontramos actualmente, consiste en la integración de sensores avanzados que recogen información, en tiempo real, para ser procesada y analizada por software integrado y optimizar la toma de decisiones. El área del mantenimiento es uno de los campos de la ingeniería que ha experimentado un sensible impulso pues la implementación de técnicas de aprendizaje automático ha conseguido una considerable mejoría en los resultados del diagnóstico de la condición de las máquinas y, en la práctica, ha significado un incremento en la seguridad y eficacia del mantenimiento predictivo. El aumento de la seguridad en el sector ferroviario mediante el uso de estas técnicas y una considerable reducción de los costos de operación son a la vez objetivo y logro del uso de las metodologías citadas. En el presente artículo se presenta un estudio de la aplicación de técnicas de aprendizaje automático a señales vibratorias obtenidas de un banco de ensayos de bogies ferroviarios. En trabajos anteriores se aplicaron técnicas de Machine Learning como, por ejemplo, los algoritmos de árboles de decisión, para clasificar las señales vibratorias con el objetivo de la obtención de un clasificador óptimo, mediante el procesamiento de las señales para la obtención de los parámetros propios y, a continuación, desarrollar estudios de selección de cualidades y de optimización de hiperparámetros, realizando finalmente la clasificación y por tanto la determinación las condiciones de operación del sistema mecánico. Con los estudios realizados se han obtenido clasificaciones próximas al 100% de eficacia mediante determinadas combinaciones de hiperparámetros en la realización de los ensayos comprobando, también, que un mayor número de hiperparámetros en el análisis no solo no supone una mejora en la eficacia global del clasificador si no que en determinadas condiciones ocasiona, incluso, una disminución de le eficacia. Sirviendo como base los estudios realizados y mediante la obtención de nuevos hiperparámetros, el presente trabajo pretende evaluar si las técnicas de Machine Learning son capaces, en su conjunto, de realizar, con un alto nivel de precisión, la detección de fallos, de forma que se permita el análisis del estado del sistema mecánico con unos niveles de eficacia superiores a los obtenidos anteriormente.
Evolución de las prótesis a través de la historia
La evolución de las prótesis a lo largo del tiempo es larga y está plagada de historias, desde las piezas rudimentarias de sus comienzos primitivos, hasta las sofisticadas y funcionales prótesis de la actualidad. Los historiadores no saben a ciencia cierta si las primeras prótesis fueron funcionales o meramente ornamentales, ya que el concepto de la integridad humana ha cambiado en las culturas a lo largo del tiempo. Una prótesis es un elemento mecánico desarrollado con el fin de mejorar o reemplazar una función, una parte o un miembro completo del cuerpo humano afectado. Por tanto, una prótesis para el paciente, y en particular para el amputado, refuerza su desarrollo psicológico, creando una percepción de totalidad al recobrar la movilidad y el aspecto. El avance en el diseño de las prótesis ha estado ligado directamente con el desarrollo de nuevos materiales, nuevas tecnologías y el mejor entendimiento de la biomecánica del cuerpo humano. Las prótesis más antiguas que se conocen provienen del Antiguo Egipto, entre 2700 y 3400 años A.C. Los primeros materiales utilizados fueron el lino, la madera y el cuero, y en épocas posteriores hasta el renacimiento, la madera y el cuero se reforzaba con hierro o cobre. La gran evolución de las prótesis en la cirugía la realizó el médico Ambroise Paré en el siglo XVI, quien desarrolló nuevas prótesis articuladas con control de bloqueo. En los siguientes siglos los nuevos sistemas de cirugía y el desarrollo de nuevos materiales ha hecho que las prótesis hayan evolucionado más rápidamente. En la actualidad, el uso de los microprocesadores, los chips informáticos y la robótica ha posibilitado que las nuevas prótesis conecten con los músculos y los nervios haciendo que los amputados recuperen su estilo de vida y puedan ejecutar cualquier acción de la vida diaria proporcionándoseles una funcionalidad impensable. En este trabajo se presenta una recopilación de dispositivos que pretende mostrar la evolución que han sufrido las prótesis a lo largo de la Historia, tanto en su diseño como en los materiales empleados para su fabricación.
Estudio y reproducción física de la bomba alternativa de Al-Jazari
Entre el siglo XII y XIII, vivió el considerado uno de los autores más importantes del Islam y el ingeniero mecánico más destacado del medioevo y del Oriente musulmán, Abū al-'Iz Ibn Ismā'īl ibn al-Razāz al-Jazarī, que fue un científico e ingeniero de origen árabe que está considerado como el precursor de la ingeniería hidráulica. En su obra más relevante “El Libro del Conocimiento de Dispositivos Mecánicos Ingeniosos”, escrita en 1206, describe cincuenta dispositivos e ingenios de diversa índole, muchos de los cuales aparecen por primera vez en el tratado de Al-Jazari y entran tiempo después en la ingeniería mecánica europea, entre los que destacan varios sistemas de abastecimiento de agua. Su dominio sobre el movimiento del agua le llevó a ganarse el sobrenombre de “El maestro del agua”. En este trabajo se realiza un acercamiento a la figura de Al-Jazari y se describe el estudio, análisis, modelado digital y cómo se ha llevado a cabo la reproducción física a escala de uno de sus mecanismos más icónicos, la bomba alternativa de succión. Se trata de una bomba de succión de doble acción con válvulas y movimiento de pistón alternativo. La bomba aprovecha el movimiento de una corriente de agua para transmitir movimiento a un mecanismo de biela que acciona dos pistones con movimiento alternativo. El movimiento de los pistones permite succionar y elevar el agua de la corriente. Es un mecanismo muy novedoso para la época, ya que es la primera vez que se documenta el uso de una bomba de succión, el uso de una biela y el principio de doble acción. La reproducción física se ha realizado usando la descripción y los esquemas de la bomba que aparecen en el libro de Al-Jazari, a partir de los cuales se ha realizado la interpretación y un modelado digital del ingenio, con software CAD. Los diferentes elementos del mecanismo se han fabricado utilizando la tecnología de fabricación aditiva FFF (Fabricación por Filamento Fundido), popularmente conocida como impresión 3D, que es una tecnología de fabricación rápida muy utilizada para la fabricación de prototipos, y que permite de forma rápida y económica la reproducción tridimensional precisa de piezas a partir de sus modelos digitales.
Evolución histórica y repercusión como patrimonio industrial de las herrerías. Explicación con la Herrería de Compludo
Con el inicio de la escritura y de la metalurgia comienza la protohistoria. Así, podemos afirmar que la forja de los metales fue uno de los hechos determinantes que significó el cambio desde las comunidades prehistóricas a las primeras sociedades de la historia antigua. La necesidad del tratamiento térmico y mecánico de los metales para la elaboración de los utensilios mecánicos repercutió en que el trabajo de herrero fuera una de las profesiones más antiguas que se conocen y, consecuentemente, que las herrerías representen uno de los casos de instalación industrial más antiguos. En la actualidad, cada vez es más frecuente ver antiguas instalaciones utilizadas para actividades industriales convertidas en centros de divulgación de la industria o la ciencia. Transmitir el conocimiento inherente a este “Patrimonio Industrial” es muy importante para reflejar cómo han ido evolucionando estas industrias. La Herrería de Compludo es un ejemplo de herrería antigua, de la era pre-industrial. La instalación es Monumento Nacional desde 1968 y, en ella, se conservan en funcionamiento un martillo pilón activado por una rueda hidráulica, un horno de fragua que emplea una trompa de agua proveerse de aire a presión y un sistema de canales hidráulicos que derivan el agua de un río cercano a la rueda hidráulica y a la trompa de agua. Hoy se puede disfrutar de una visita guiada por la Herrería de Compludo donde el herrero de la misma hace de guía y transmite al visitante las particularidades de la historia y funcionamiento de la herrería y efectúa una demostración práctica. En este artículo se realizará un estudio de la evolución histórica de las herrerías y su repercusión como patrimonio industrial. También se describirá detalladamente la historia, la composición y el funcionamiento de la Herrería de Compludo y, tras un análisis minucioso de la misma, se propondrán una serie de nuevos materiales que aporten una mejor visión de la herrería, como la fabricación con impresión 3D de una maqueta del sistema rueda hidráulica-mazo-yunque y la generación de materiales multimedia para su utilización en sistemas de realidad virtual y realidad aumentada.
El Trebuquete. Análisis y construcción de prototipo a escala
Las catapultas son instrumentos de guerra utilizados desde hace siglos y aunque no se sabe con certeza quién fue el autor de la primera catapulta, muchos estudiosos coinciden en que su primera aparición pudo tener lugar en China. Al principio funcionaban con fuerza humana, con una docena de hombres que tiraban de una cuerda para hacer funcionar el mecanismo. Más tarde llegó el trebuchet o trebuquete, un invento atribuido a Mardi Ibn Ali al-Tarsusi, un tipo de catapulta que utiliza la energía potencial de un contrapeso para lanzar el proyectil más lejos y con más potencia que con las antiguas catapultas. En este trabajo se lleva a cabo un breve estudio histórico y posteriormente el modelado geométrico, el análisis mecánico, su funcionamiento y la reproducción a escala real del dispositivo. De la necesidad de ataque y defensa que se produce en épocas de guerra, han surgido grandes avances tecnológicos que tras su perfeccionamiento pasan a formar parte de la vida cotidiana, como es el caso del invento del trebuchet de contrapeso, el cual surge a raíz de las guerras de asedio durante las Cruzadas del siglo XII, y que supuso un importante avance respecto a las máquinas existentes por su mayor precisión y capacidad de alcance. No se conoce de manera exacta su origen o su desarrollo a partir de mecanismos de tensión o a partir de la evolución de mecanismos de torsión. Lo que sí parece claro en atribuir este artefacto a Mardi Ibn Ali al-Tarsusi. La influencia del mecanismo de contrapeso que utilizaba el trebuchet ha sido tan importante, que podemos encontrarlo en multitud de sistemas modernos. Como resultado de este trabajo se ha obtenido el modelado digital y la reconstrucción física de un arma medieval de gran importancia como fue el trebuchet. La capacidad de los softwares actuales de ingeniería asistida nos permite analizar detalladamente los mecanismos e ingenios mecánicos de la antigüedad, para poder conocer el nivel de las técnicas empleadas en las diferentes épocas de la historia, de forma que podamos acercarnos a las tecnologías y a los “ingenieros” del momento. Se realiza inicialmente un estudio de los antecedentes históricos de este tipo de máquinas de guerra, para posteriormente centrar el trabajo en el análisis del mecanismo. A continuación, se lleva a cabo el modelado geométrico, con el podemos analizar no solo su funcionamiento, sino también analizar desde todos los puntos de vista, cinemática, estática, dinámica, el artilugio estudiado. A partir del modelado realizado se obtienen los planos de los diferentes elementos que lo componen y así poder llevar a cabo la fabricación de un modelo a escala del trebuquete, utilizando diferentes tecnologías. Esta metodología se puede utilizar como se ha hecho en este trabajo, para la recuperación virtual, así como para la ejecución de modelos a escala de ingenios y mecanismos antiguos, que nos ayudan a conocer la ingenie-ría de tiempos pasados. Asimismo, para la ejecución de las distintas fases del trabajo, se hace necesaria la aplicación de los conocimientos de diferentes áreas de la ingeniería mecánica y de la fabricación, por lo que tienen también una importante faceta didáctica.
Jerónimo de Ayanz y la Máquina de Vapor: Contribución Española al Desarrollo Tecnológico en el Renacimiento
Este trabajo reivindica una parte olvidada de la historia de la ingeniería: el papel pionero de España en el desarrollo de la máquina de vapor durante los siglos XVI y XVII. A finales del siglo XV e inicio del XVI tuvieron lugar dos acontecimientos que cambiaron la historia del mundo conocido: el descubrimiento de América y la primera vuelta al mundo. España fue su impulsor y la nación que lideraba el desarrollo de los acontecimientos en torno a esos eventos. Durante aquel periodo se daba el caldo de cultivo, que solo se da en sociedades avanzadas y solventes, necesario para alcanzar las más altas cotas de desarrollo intelectual y artístico. En pleno Siglo de Oro, España se consolidaba como la mayor potencia mundial, y no solo lideraba la expansión geográfica y el comercio global, sino también los avances tecnológicos. El periodo del Renacimiento español fue cuna de genios en las artes y las ciencias, y proporcionó un entorno ideal para el florecimiento de innovaciones mecánicas y científicas. Una figura clave en este desarrollo fue Jerónimo de Ayanz, un ingeniero visionario que patentó una de las primeras aplicaciones industriales de la máquina de vapor para la extracción de agua en minas. Es necesario resaltar la importancia que la máquina de vapor tuvo como motor de la Revolución Industrial dos siglos más tarde (s. XVIII). Este artículo reivindica el legado español en la evolución de las tecnologías que dieron forma al mundo moderno, con especial énfasis en las contribuciones tempranas de España al desarrollo de la máquina de vapor. Aunque la historia ha otorgado el reconocimiento de la máquina de vapor como precursora de la Revolución Industrial a otros países y personajes, este trabajo reivindica reconsiderar y poner en valor el impacto que tuvo España en el progreso tecnológico de la época, abriendo un espacio para reconocer su influencia en la ingeniería mecánica. A través de una revisión histórica rigurosa y el análisis de fuentes documentales, este artículo ilumina el papel de la España renacentista como precursora en la evolución de las máquinas de vapor, contribuyendo de manera significativa al avance de la ingeniería, mucho antes de que nacieran los personajes hoy acreditados con este logro. De forma específica queremos reconocer el trabajo realizado por Jerónimo de Ayanz, enfatizando su contribución al nacimiento de la máquina de vapor para usos industriales.
In this paper a historical survey is presented on distinguished figures and activities evolution in the fields of TMM (today MMS) within the academic frames of the school of engineering in Rome. As in many other Italian University, the modern academic tradition of the University of Rome started since the Renaissance time and the specific activity on Mechanical Engineering was officially established and well developed in 19th century. The background from an early University in Rome is remembered as a base for the well-focused interests in TMM during the 19th century with significant results by distinguished figures. The early modern historical developments are outlined as starting in the second half of 19 the century referring to Carlo Saviotti, Lorenzo Allievi, Anastasio Anastasi, and later to Manlio Oberziner, Arnaldo Castagna, and Giovanni Scotto Lavina. Many others also contributed significantly and their achievements are reported in the historical account, like for example Adalberto Vinciguerra who, with his international views and activities, was the first to be well involved in the International Federation IFToMM: In more recent times the Rome school proliferated following the establishment of the second University of Rome in Tor Vergata in early 1980s and later the third University of Rome near Viale Marcon in the early 2000s. Short account is discussed to give a panorama of the different groups in the three universities that very soon developed their own community with a differentiated identity and activities. It is possible to recognize a two generations of figures who do not developed their activity in the origin La Sapienza University of Rome.The paper gives an account of a cultural heritage in TMM and MMS Rome school frames in TMM/MMS by reporting information on main distinguished figures of teachers-investigators and their achievements with contribution to the development of mechanical engineering and specifically TMM or MMS with values of national and international interests. A goal of the paper is also to refresh consideration of the past looking at technical contents for more technical-historical investigations that can be useful to keep memory of past mentors, but to track local evolutions like the one of the Rome school of TMM-MMS as awareness source of future trends
Acabado de agujeros en piezas impresas de Inconel 718 fabricadas por PBF-LB mediante fresado helicoidal
La fabricación aditiva mediante fusión láser por lecho de polvo (PBF-LB) se ha consolidado como un proceso clave en la industria manufacturera, a pesar de que el mecanizado sigue siendo esencial para mejorar la calidad de las piezas. En particular, los agujeros impresos en piezas de fabricación aditiva suelen presentar baja precisión, y el fresado helicoidal aparece como alternativa a los procesos convencionales como el escariado o taladrado convencional para mejorar estos acabados en componentes metálicos. El Inconel 718, ampliamente utilizado en piezas de motores aeroespaciales debido a sus excelentes propiedades, exige una alta fiabilidad. Sin embargo, su tendencia al endurecimiento durante el mecanizado lo clasifica como un material difícil de trabajar. Este estudio se centra en la mejora de la calidad de los agujeros en piezas de Inconel 718 producidas por PBF-LB mediante el fresado helicoidal. Se fabricaron piezas con agujeros previos a través de PBF-LB, los cuales se acabaron mediante fresado helicoidal. Los agujeros impresos en las piezas de PBF-LB mostraban un error geométrico significativo. Los resultados indicaron que el fresado helicoidal es efectivo para mejorar la calidad de los agujeros. Las piezas producidas con un ángulo de escaneo láser de 67° y sometidas a tratamiento térmico presentaron un mayor refinamiento de granos y formación de precipitados, lo que resultó en mayores fuerzas de corte y rugosidad. Se observó una correlación significativa entre los patrones de fuerza de corte y la variación del error geométrico. El modelado del proceso permitió identificar los parámetros de PBF-LB y fresado helicoidal más influyentes en las fuerzas de corte y en la rugosidad. Los avances axial y tangencial mostraron efectos proporcionales e inversamente proporcionales, respectivamente, sobre las fuerzas de corte, de acuerdo con la cinemática y el volumen de viruta no deformada. Por último, se llevó a cabo una optimización bi-objetivo para determinar las mejores condiciones que permitan mejorar la rugosidad y reducir las fuerzas de corte.
Maialen Martinez de Aguirre Ochoa de Retana
Simulación numérica por elementos finitos de un proceso de microfabricación mediante láser de pulsos ultracortos
En el ámbito de la investigación en biomedicina, las técnicas de microfabricación son utilizadas mayoritariamente para crear dispositivos miniaturizados denominados “Organ-on-a-Chip” (OoC). Un OoC es un dispositivo microfluídico que contiene canales, cámaras o membranas de pequeñas dimensiones, que, junto con células vivas, permite simular el entorno de ciertos tejidos humanos e incluso su comportamiento o funcionalidad. Tradicionalmente, la fabricación de las distintas piezas que los componen se realiza en materiales poliméricos transparentes de buenas propiedades ópticas, mediante tecnologías consolidadas como el moldeo por réplica y el grabado en seco. Sin embargo, estos métodos presentan limitaciones significativas, presentándose el micromecanizado mediante láser de pulsos ultracortos como una alternativa potencial, basada en la extracción de material mediante la ablación provocada por la exposición a la radiación láser. En este trabajo se desarrolla un modelo matemático basado en el método de los elementos finitos (MEF) para simular el proceso de ablación láser en materiales transparentes. La simulación ha sido implementada en el software COMSOL Multiphysics, a través de un modelo en dos dimensiones. La distribución de la intensidad del láser ha sido caracterizada mediante una función gaussiana en el espacio y como un tren de pulsos en el dominio del tiempo. La reducción de energía del láser debido a su paso por un material absorbente se modela según la Ley de Lambert-Beer. Del mismo modo, el efecto del láser en el material se aborda desde un enfoque puramente fototérmico, utilizando las ecuaciones clásicas de transferencia de calor como el principal aspecto a resolver. Los resultados muestran que la simulación presenta similitudes con el proceso real. El modelo MEF permite obtener un mapa de temperaturas del material durante el procesamiento, lo cual facilita la predicción de las geometrías microfabricadas, considerando la temperatura de degradación del material como criterio crucial para la existencia de ablación. El comportamiento de las geometrías recreadas en la simulación, generalmente cráteres o agujeros pasantes, bajo variaciones de parámetros del láser, como la energía por pulso o el tiempo de procesamiento, se aproxima a la realidad, siguiendo la tendencia de crecimiento en dimensiones a medida que se incrementan estas variables. Las geometrías simuladas se han comparado con resultados experimentales, mostrando una correspondencia aceptable en términos de forma y dimensiones. En conclusión, el micromecanizado con láser de pulsos ultracortos supera notablemente al realizado con láseres constantes o de pulsos de larga duración, debido a la evaporación instantánea del material, reduciendo significativamente las zonas afectadas térmicamente. Además, el método ofrece importantes ventajas sobre las técnicas tradicionales, como una mayor flexibilidad, la reducción de la intervención del operario y la simplicidad de uso.
Efecto de la degradación acelerada sobre las dimensiones y la resistencia mecánica en piezas de PLA impresas en 3D aplicando diferentes técnicas de fabricación del filamento
La fabricación aditiva mediante impresión 3D de polímeros, ha ganado popularidad en los últimos años debido a su accesibilidad y bajo desperdicio de material. Esta tecnología se aplica en diversas áreas, como prototipado rápido, creación de maquetas, herramientas, utillajes, automoción, ortopedia y odontología. Sin embargo, su potencial para fabricar moldes o encofrados destinados a geometrías complejas en hormigón, como la reproducción de elementos patrimoniales (estatuas, frisos, capiteles), o para estructuras funcionales con formas curvadas y/o con orificios como arrecifes artificiales, ha sido menos explorado. En estas últimas aplicaciones, donde se requiere durabilidad y reutilización, las piezas deben resistir condiciones climáticas adversas (exposición al sol y la lluvia) y el contacto con hormigón de alta alcalinidad (pH ~13), que podría afectar las propiedades del material. Este estudio analiza el rendimiento de probetas de PLA impresas en 3D, evaluando la estabilidad dimensional y la resistencia mecánica bajo condiciones de degradación acelerada. Se emplean cuatro tipos de filamentos de PLA con distintas composiciones y métodos de fabricación: (1) filamento extruido en laboratorio a partir de pellets de PLA virgen; (2) filamento de PLA comercial producido mediante extrusión industrial, enfriado en agua y probablemente con plastificantes añadidos; (3) filamento de PLA con polvo de metal, extruido en laboratorio mediante mezcla directa de pellets y un 50% en peso de polvo metálico con aceite; y (4) filamento de PLA con un 50% en peso de polvo metálico encapsulado en píldoras de PLA. Las probetas rectangulares se fabricaron según la norma ISO-167, utilizando una impresora Artillery Sidewinder X1. La mitad de las probetas fueron sometidas a degradación por exposición a rayos UVA y simulación de lluvia, mientras que la otra mitad fue sumergida en una solución de sosa (pH 13). Se realizarán cinco extracciones en intervalos regulares para evaluar la evolución de la degradación, midiendo las dimensiones y la resistencia a flexión tras cada extracción. Este análisis permitirá determinar la viabilidad de estos filamentos en aplicaciones de moldes reutilizables y seleccionará la composición de filamento más adecuada según su resistencia a condiciones de uso exigentes.
Comparativa de parámetros dimensionales de engranajes cilíndricos helicoidales impresos con PLA y Nylon
En el presente trabajo se presenta la comparativa de parámetros dimensionales de engranajes cilíndricos de dientes helicoidales fabricados mediante la tecnología de fabricación por filamento fundido (FFF) con dos materiales poliméricos diferentes: el ácido poliláctico (PLA) y la poliamida (PA), comúnmente llamada Nylon. Se exponen el diseño y la modelación, mediante la biblioteca ToolBox de SolidWorks, de engranajes helicoidales con ángulos de hélice de 15, 25 y 35 grados respectivamente y, con un módulo y número de dientes considerados comunes (m= 4; z= 17) con ángulo de presión de 20 grados, que permite generar un perfil de diente evolvente correcto. Los engranajes modelados se materializan mediante una impresora de sobremesa BCN3D Sigma R19, utilizando los materiales antes indicados. Se presentan los métodos de medición de parámetros geométricos utilizados en la verificación de dichos engranajes, las metodologías a utilizar, así como los cálculos necesarios para realizar las mediciones y obtener los valores teóricos de referencia. La verificación de los engranajes impresos se hace mediante instrumentos como un pie de rey de módulo, un micrómetro de platillos, cilindros calibrados y pie de rey tipo Mauser. Se utilizaron tres métodos de verificación, que son: el método basado en el círculo de cabeza, el método de la distancia cordal y el método de medición basado en varillas calibradas respectivamente. El análisis de las medidas realizadas con los instrumentos de medida manuales indica que no existe un material que presente resultados significativamente mejores que otro respecto a los parámetros dimensionales considerados. Los resultados que se presentan en este trabajo surgen como parte del trabajo final de grado de uno de los autores del trabajo desarrollado en la Escola Tècnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona (ETSEIB) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC).
Estudio de la influencia de los parámetros de diamantado en el súper-acabado de aceros de alta dureza usando muelas elásticas
El rectificado es un proceso de acabado que desempeña un papel crucial en una amplia gama de industrias, como la mecánica, la automoción, la aeroespacial, la construcción y la médica. Dado que los sectores más avanzados demandan cada vez productos de más alto valor añadido, es necesario redefinir los procesos de rectificado convencionales para satisfacer estas exigentes expectativas. Entre otros nuevos enfoques, esto ha llevado a centrarse cada vez más en las técnicas de súper-acabado. En la industria aeroespacial, el súper-acabado es clave para producir piezas de alta precisión y alto rendimiento. Si la muela experimenta un desgaste excesivo o falla, puede comprometer la calidad superficial y sub-superficial de las aleaciones aeroespaciales. Las superficies rugosas o las tensiones residuales de tracción afectan negativamente a la resistencia a la fatiga y la corrosión de estas piezas. En la industria del automóvil, el cambio hacia la producción de vehículos eléctricos ha modificado significativamente el mercado. Los fabricantes de motores eléctricos imponen requisitos más estrictos en cuanto a precisión y calidad superficial, lo que convierte el súper-acabado en un proceso esencial. Para piezas críticas como los ejes de engranajes, el súper-acabado es necesario para crear superficies lisas e inducir tensiones residuales de compresión. Elegir el proceso y las condiciones adecuadas es esencial para mejorar la resistencia a la fatiga de estos componentes mecánicos. Este artículo examina las capacidades de súper-acabado de las muelas elásticas con aglomerante de corcho y caucho en el rectificado de acero pulvimetalúrgico M2. Dado que la topografía superficial de la muela es un aspecto crítico en cualquier operación de alta precisión, este trabajo de investigación se centra en la influencia del proceso de diamantado en los resultados finales del súper-acabado. En el trabajo se muestran pruebas experimentales en condiciones industriales utilizando diferentes estrategias de diamantado. Los resultados muestran que tanto la relación de solapamiento como la profundidad de pasada del diamantado son críticas para alcanzar los extremadamente bajos niveles de rugosidad superficial esperados.
En busca de la precisión en la tecnología MEAM-HP: Afectación de parámetros de fabricación en las contracciones dimensionales tras el sinterizado de piezas de bronce
La fabricación aditiva ha experimentado una notable evolución desde sus inicios en la década de 1980. Lo que comenzó como una herramienta de prototipado para diseñadores e ingenieros, hoy en día se ha convertido en una tecnología clave en la producción de piezas personalizadas, componentes industriales y hasta tejidos biológicos. El progreso en materiales, velocidad de impresión y precisión ha permitido que la impresión 3D se expanda a sectores como la medicina, el aeroespacial y la automoción, abriendo nuevas fronteras en la fabricación de objetos complejos a bajo costo y con mayor eficiencia. Una nueva técnica de fabricación en el ámbito de la impresión 3D es MEAM-HP (Material Extrusion Additive Manufacturing High-filled Polymer), a través de la cual es posible realizar piezas de metal con impresoras FDM. Los filamentos están compuestos por un 80-90% de polvo de metal, siendo el resto un aglutinante polimérico. Una vez finalizada la impresión se logra eliminar la parte polimérica, obteniendo la pieza de metal con características similares a piezas de metal fabricadas por procesos tradicionales, utilizando dos tratamientos térmicos. La principal limitación de esta técnica constructiva es la contracción que experimentan las piezas al llevar a cabo los dos procesos térmicos necesarios para obtener la pieza 100% metálica. Este estudio analiza cómo diferentes parámetros, como el porcentaje de relleno, la orientación de impresión de las piezas o la orientación de las piezas durante los tratamientos térmicos, pueden afectar al resultado final obtenido en términos de contracciones. Se utilizará un filamento de bronce, cuyo contenido metálico es del 88-90%. Se realizarán diferentes probetas con formas octaédricas, porcentajes de relleno entre el 40 y 90%, siendo impresas en horizontal (apoyada la cara de mayor tamaño sobre la cama de impresión) y en vertical. Además, se realizarán los tratamientos térmicos de las probetas también en posición horizontal y vertical. Se realizará un diseño de experimentos para evaluar los parámetros comentados y se creará una función matemática que describa la influencia del porcentaje de relleno y orientación de las piezas durante la impresión y la realización de los tratamientos en las contracciones sufridas por la pieza y en su reducción de peso.
Identificación digital de piezas de alto valor añadido
La compra-venta de falsificaciones de piezas de alto valor añadido es un problema creciente en la actualidad. Esta situación es especialmente crítica con la irrupción de las tecnologías de fabricación aditiva (AM), que posibilitan la fabricación directa de cualquier componente digitalizado. En este contexto, la identificación de piezas se ha convertido en una prioridad para los fabricantes legítimos, ya que el empleo de piezas no reguladas puede acarrear graves consecuencias en aplicaciones de alta exigencia como la aeronáutica o la energía entre otros. En el presente trabajo se analizan diferentes vías para integrar la identificación digital de componentes de alto valor añadido. Tras un análisis de la literatura, se ha concluido que la dificultad de falsificación, la permanencia, la facilidad de identificación y el mínimo impacto en la pieza base son las principales características a tener en cuenta al diseñar una marca de identificación válida. En base a estos requisitos, la inclusión de un identificador invisible e interno en la pieza se ha seleccionado como el método más eficaz. Con el objetivo de localizar los identificadores dentro de las piezas, se estudian los principales métodos de análisis no destructivos, y su compatibilidad con los diferentes métodos de identificación. Tras realizar el análisis de compatibilidad se determina que el aporte directo de energía mediante laser (también conocido como DED-LB) es una tecnología adecuada para formación de características identificables, debido a la posibilidad de generar estructuras de densidad o composición variable, y que los rayos X son la tecnología de análisis más compatible con ella. Finalmente, se presenta la metodología propuesta detallando los pasos a seguir en cada una de las fases de fabricación, y sus posibles aplicaciones en industrias de alto valor añadido, tomando el sector aeroespacial como ejemplo para un caso de uso.
Análisis del comportamiento de la dilatación térmica de muestras Invar 36 PBF-LB con estructura lattice reticular
Este estudio proporciona un análisis experimental del comportamiento del coeficiente de dilatación térmica de la aleación Invar 36 producida mediante fabricación aditiva, en concreto Powder Bed Fusion-Laser Beam (PBF-LB). La aleación Invar 36, conocida por su alta resistencia a la expansión térmica, se utiliza en aplicaciones que experimentan importantes fluctuaciones de temperatura, como es el caso del sector aeronáutico. Además, otro factor crítico en la industria aeroespacial, es el aligeramiento de los componentes. El proceso PBF-LB permite fabricar piezas más ligeras incorporando canales internos o estructuras reticulares, también conocidas como estructuras lattice. Estas técnicas reducen tanto el volumen, como el peso, preservando al mismo tiempo la integridad estructural del material. Esta investigación no sólo examina la variación del coeficiente de expansión térmica con diferentes geometrías y microestructuras internas, sino que también evalúa el impacto del postmecanizado en las propiedades térmicas y estructurales de la aleación.
Desarrollo y fabricación de nuevos paneles de aislamiento empleando materiales ecológicos
La creciente demanda de materiales sostenibles y seguros en el sector de la construcción ha impulsado el desarrollo de soluciones basadas en principios de economía circular. En este contexto, el proyecto Ignis busca innovar en la fabricación de paneles de revestimiento ignífugos a partir de materiales regenerados, con un énfasis particular en el uso de fibra de saúco y otros recursos como lana, celulosa, papel kraft y residuos de biomasa. El objetivo es reducir la dependencia de recursos convencionales y minimizar la huella de carbono mediante la integración de materiales regenerativos que además contribuyan a valorizar los residuos. Para evaluar la viabilidad de estos paneles, se estudiaron los requisitos que deben de cumplir tanto desde el punto de vista normativo (CTE - eficiencia energética y reacción al fuego) como desde el punto de vista de la toma de decisión del cliente final (resistencia a la compresión, precio, reciclabilidad, etc.), y los procesos de fabricación necesarios para obtener los paneles en configuración de uso final. Una vez analizados todos los factores, se fabricaron diferentes prototipos de muestras para realizar la caracterización de las propiedades ignífugas, y poder predecir su clasificación dentro del sistema Europeo armonizado de clasificación de la reacción al fuego de materiales (Euroclases). Para ello, se realizaron ensayos de cono calorimétrico, técnica de calorimetría a pequeña escala que permite evaluar el comportamiento térmico y la reacción al fuego de distintas combinaciones de materiales, sobre prototipos realizados con base de lana de oveja, sauco y vaina de alubia. Estos ensayos aportaron datos cruciales sobre la estabilidad térmica y comportamiento de los prototipos de paneles, permitiendo ajustar sus formulaciones en función de los resultados obtenidos. Adicionalmente, se realizó un análisis comparativo con los resultados con los obtenidos ensayando muestras de dos clases de paneles comerciales que disponían de las correspondientes certificaciones. Los resultados indican que los paneles basados en materiales regenerados ofrecen un rendimiento prometedor en cuanto a resistencia térmica, sobre todo en el caso del sauco y la vaina de alubia, cumpliendo con los requisitos normativos de clasificación de materiales de construcción (CPR) con clasificación estimada de B. Además, el análisis con diferentes formulaciones de aditivo permitió identificar las combinaciones con mejor desempeño, optimizando así la eficiencia de los paneles en condiciones de uso crítico.
Optimización de procesos de superacabado para recubrimientos de alta dureza
En el sector de la automoción, es habitual la aplicación de recubrimientos de cromo hexavalente sobre piezas para mejorar su dureza superficial o protegerlas frente al rozamiento que puedan sufrir durante su vida útil. Sin embargo, el uso de este tipo de recubrimiento presenta graves problemas desde el punto de vista medioambiental. Debido a esto, están siendo sustituidos por recubrimientos como el cromo trivalente, mucho más respetuoso con el medio ambiente y con unas propiedades mecánicas similares. El principal problema que se presenta cuando se sustituyen este tipo de recubrimientos es su baja maquinabilidad. Es por ello que es necesario el desarrollo e implementación de procesos de fabricación que consigan cumplir con los requerimientos de acabado superficial exigidos en este tipo de aplicaciones. En estos casos, y debido a la extrema dureza de este tipo de materiales se plantea un proceso en dos fases: desbaste/semidesbaste y acabado/superacabado. La fase de desbaste/semidesbaste consiste en un proceso de rectificado y la fase de acabado/superacabado se suele llevar a cabo mediante procesos de mecanizado abrasivo con cinta. Desde un punto de vista del diseño del proceso, el objetivo es conseguir realizar tanto el proceso de desbaste/semidesbaste como el de acabado/superacabado mediante rectificado en una misma máquna de una sola atada de pieza. Para ello, es necesario conseguir desarrollar un proceso de desbaste/semidesbaste que consiga una rugosidad superficial de la pieza con valores de Ra menores de 0,4µm y una miniización de los picos frente a los valles, es decir, se debe cumplir la condición de que Rvk>Rpk. En este trabajo se presenta una aproximación a la fase de desbaste+semidesbaste utilizando muelas de SiC y aglomerante vítreo para el rectificado de piezas de acero recubierta de cromo trivalente mediante el procedimiento de HVOF. El trabajo incluye pruebas experimentales en condiciones próximas a la práctica industrial en las que se analzan la influencia tanto de las condicones de diamantado como de los parámetros del proceso tanto en los parámetros de rugosidad como en el aspecto visual de la pieza. Los resultados obtenidos muestran que a pesar de que las muelas propuestas tienen una capacidad de arranque de material adecuada, sufren de un desgaste excesivo, especialmente en las fases de desbaste iniciales. Así mismo, en la fase de semidesbaste se consiguen valores de Ra inferiores a 0,2µm, y la superficie presenta altos valor de Rvk frente a Rpk. Se trata en cualquier caso de unos resultados prometedores que proporcionan una base sólida para futuras investigaciones en la optimización del proceso de rectificado y superacabado de materiales ultraduros.
Diseño y Desarrollo de una Estación de Validación para el Análisis de un Cabezal Extrusor Monohusillo para Fabricación Aditiva
Los cabezales de extrusión monohusillo y de doble husillo de pequeño volumen enfrentan desafíos técnicos significativos, particularmente en la medición de propiedades críticas como la presión y la velocidad, así como en la optimización de sus variables operativas de trabajo. Para abordar estas limitaciones, resulta esencial la implementación de sistemas de monitorización avanzados que permitan un análisis exhaustivo del comportamiento de los subsistemas que poseen los cabezales extrusores.
Comportamiento durante el mecanizado de componentes ligeros fabricados por PBF-LB
La fabricación aditiva, y en concreto, la fabricación mediante fusión de cama de polvo con láser, permite el diseño y fabricación de componentes aligerados, a través de la incorporación de canales o estructuras reticulares internas que resultan en una geometría de pieza de menor volumen y peso. Estos cambios de geometría pueden producir cambios en el comportamiento durante el proceso de mecanizado de acabado de la pieza. Esto es, dependiendo del diseño, de la estructura interna de la pieza, pueden obtenerse variaciones en los esfuerzos de corte durante el proceso de mecanizado, obteniéndose valores menores de los mismos y en consecuencia mejor acabado superficial de la pieza. En este trabajo, se ha estudiado el comportamiento de una geometría de pared delgada sólida en comparación con tres geometrías de pared delgada aligerada con canales internos que presentan diferentes inclinaciones. Así, se ha analizado el comportamiento de las piezas durante el proceso de mecanizado bajo diferentes condiciones de corte, variando la velocidad de corte, el avance, profundidad de pasada radial, profundidad de pasada axial, etc.
Endurecimiento superficial de la aleación Ti6Al4V mediante láser
En la presente investigación se ha llevado a cabo un estudio de la influencia de los parámetros de tratamiento láser en la profundidad de incidencia y endurecimiento superficial de la aleación de titanio Ti6Al4V. Los resultados obtenidos, confirman que los tratamientos realizados empleando mayores valores de energía suministrada producen un incremento significativo de la dureza del material, debido principalmente a variaciones de la micro estructura del mismo, y a la aparición de óxidos en la composición inicial del material. En este sentido, se han registrado incrementos superiores al 250% respecto de la dureza inicial del material mediante procesos de irradiación láser de superficie.
Efecto de sección de vigas en la auxeticidad de estructuras fabricadas por mSLA
En los últimos años las estructuras auxéticas, caracterizadas por su coeficiente de Poisson negativo, se han convertido en un gran atractivo por sus buenas respuestas a esfuerzos a compresión y de impacto. Su habilidad de para absorber estas energías ha dado lugar a múltiples investigaciones tanto para desarrollar nuevas geometrías como para optimizar las ya existentes. No obstante, el comportamiento mecánico de estas estructuras está ligado al material con el que fueron fabricadas, destacando hasta el momento los polímeros flexibles que permitan la recuperación de la forma inicial. En este trabajo, proponemos una nueva estructura 3D fabricada con una resina rígida usando la técnica de mSLA y que, debido a sus elementos geométricos, permite la recuperación tras los esfuerzos mecánicos. La llamada estructura “S-shaped” se sometió a ensayos de compresión para evaluar el cambio de respuesta mecánica (rigidez), de simetrías y de auxeticidad (coeficiente de Poisson negativo) en función de la anchura de los pilares (1, 2 y 3 mm). Adicionalmente, los ensayos estuvieron instrumentados con correlación de imágenes digitales (DIC). Los resultados de los experimentos demostraron que estas nuevas estructuras son capaces de soportar fuerzas de entre 460 y 1250 veces su peso para fracciones volumétricas de 1.2 a 9.7 %. Además, las contribuciones del material rígido se suprimen para los casos con menor anchura de viga, que se explica con los mecanismos de deformación asociados a movimientos de sólido rígido. Por último, el comportamiento auxético de las estructuras “S-shaped” no se ve apenas afectado en función de la sección de la vida, con valores de coeficiente de Poisson en torno a -0.2. Este trabajo demuestra que las nuevas estructuras presentadas son una opción excelente para aplicaciones donde la ligereza sea una necesidad sin comprometer buen comportamiento mecánico, así como para abrir nuevos caminos a investigaciones con distintos materiales u optimizaciones.
Rompiendo la barrera bioinerte en resinas: desarrollo de un nuevo polímero para reemplazo óseo
La medicina personalizada se ha expandido en todos sus posibles vectores durante los últimos años. Uno de estos campos es el desarrollo de implantes a medida, facilitado tanto por los avances en segmentación de imágenes médicas como por los últimos progresos en tecnologías de fabricación aditiva. Sin embargo, el desarrollo de nuevos materiales biocompatibles sigue encontrándose con el problema de superar las propiedades bioinertes de los mismos. Esto produce que los materiales carezcan de las capacidades para promover el crecimiento de tejido circundante o acelerar procesos de curado. En este trabajo exponemos todos los pasos para la obtención final de piezas impresas mediante mSLA con agentes antibacterianos y promotores de generación de hueso. Esta resina polimérica se caracterizó química- y termo-mecánicamente para asegurar un correcto comportamiento una vez colocado en el lugar de implantación. Adicionalmente, ensayos de nanoindentación se realizaron para esclarecer el comportamiento a escala celular y confirmar la correcta integración. Los resultados demostraron que la resina expuesta tiene comportamiento mecánico muy similar a diversas regiones del hueso además de poder obtenerse geometrías complejas en miniatura con la misma. Así, nuestro polímero se manifiesta como un material funcional, fabricable con cualquier impresora de resina y de vanguardia que se eleva entre las opciones del mercado actual.
Optimización del diseño de herramientas y validación mediante FEM para la mejora de su vida útil
En los procesos sustractivos existen muchos factores que pueden provocar un descenso de su rendimiento, como puede ser la generación de residuos, los utillajes, la complejidad de la programación o la vida de las herramientas. Se está trabajando intensamente en la mejora de estos factores, minimizando el impacto medioambiental de los procesos para mejorar la gestión de los residuos, desarrollando sistemas de anclaje rápido e inteligente que permite la minimización de vibraciones en máquina o desarrollando sistemas inteligentes que mejoran la eficiencia de los sistemas CNC, entre otros. Por otro lado, el caso de las herramientas de corte es más complejo debido a la amplitud de soluciones comerciales existentes. En la actualidad se tiende a utilizar materiales de herramienta o recubrimientos avanzados, como el diamante policristalino o el nitruro de boro cúbico, o a modificar superficialmente la herramienta para mejorar su rendimiento. Sin embargo, ambas soluciones son costosas y complejas, poniendo en muchos casos en peligro el rendimiento económico de la operación de mecanizado. Por otro lado, existen técnicas que han probado su eficacia para la mejora del rendimiento de las herramientas de corte, como las técnicas de simulación numérica basadas en el Método de los Elementos Finitos. Esta técnica de simulación está ampliamente extendida y ha sido validada en distintas ocasiones, demostrando que ofrece resultados muy aproximados con los que testar condiciones de corte. Esta solución permite analizar la influencia de las distintas configuraciones de herramienta sin abordar costosos procesos de experimentación física, permitiendo optimizar el proceso de mecanizado. Por ello, en este artículo se presenta un estudio en el que se han utilizado técnicas FEM (Finite Element Method) para el re-diseño de herramientas de corte. En este caso, se parte de una herramienta utilizada industrialmente que presenta un comportamiento anómalo que hace disminuir el rendimiento del proceso de mecanizado. Esta herramienta presenta fractura por vibraciones en pieza y tanto el utillaje utilizado, la programación, ni los sistemas de lubricación se pueden modificar debido a la configuración del proceso. Es decir, la única vía de mejora del proceso es la que pueda proporcionar la mejora de la propia herramienta de corte. Para ello, se ha utilizado un software FEM de mecanizado comercial para analizar el comportamiento de la herramienta, modificando los aspectos geométricos más influyentes en el proceso, como son el ángulo de desprendimiento y el ángulo de incidencia de la herramienta. Estos ángulos han sido seleccionados a partir de una simulación global 3D del proceso. Sin embargo, para minimizar el coste computacional se han realizado simulaciones 2D. La solución desarrollada se ha implementado en una nueva herramienta de corte, la cual se ha validado en procesos de mecanizado de contornos de una pieza aeronáutica real fabricada en la aleación de titanio Ti6Al4V.
Optimización topológica orientada a fabricación aditiva usando una estrategia de convergencia robusta. Aplicación al diseño de una pieza de motocicleta.
Tras la irrupción del entorno digital y las tecnologías habilitantes en la Industria 4.0, métodos como la optimización topológica comenzaron a cobrar protagonismo. Esto es debido a que las formas orgánicas resultantes de este tipo de métodos debían ser interpretados a una forma fabricable. Con la fabricación aditiva, que permite la manufactura de formas intrincadas, y el aumento del poder computacional accesible para el usuario, la optimización topológica y el diseño guiado por la simulación se han convertido en uno de los métodos de diseño y cálculo más eficientes.No obstante, actualmente este campo de investigación se encuentra en un punto en el cual la tecnología ha avanzado más rápido que el conocimiento; es decir: la adaptación de los métodos de optimización topológica tiene aún mucho desarrollo para aprovechar todo el potencial de los nuevos métodos de manufactura. En este punto es donde se enmarca el presente estudio. A través de un filtro para obtener un ángulo crítico de inclinación de los elementos sólidos formados en el proceso de optimización topológica [1], se realizarán diferentes modificaciones y adiciones para conseguir un proceso sencillo y de gran adaptabilidad para obtener piezas que se puedan fabricar mediante Fused Deposition Modeling (FDM) sin la necesidad de utilizar material de soporte. Las modificaciones se enfocan en mejorar el comportamiento del filtro, eliminar los efectos negativos del filtro de densidad utilizado [2], utilizar dominios de filtro variable para aumentar la contribución de los miembros de soporte y garantizar una convergencia robusta. Se utilizará una versión modificada del algoritmo de convergencia Adaptive Variable Design (AVD) [3] para incluir los parámetros de impresión 3D, garantizar un control de la restricción de volumen en el método de asíntotas móviles (MMA)[4] a través de una doble restricción, y se garantizará una convergencia en cualquier caso con opciones de bypass y de violación de la restricción inicial.Todo ello estará verificado a través del caso de estudio del diseño de una pieza de motocicleta, además de otros ejemplos simples para demostrar las diferentes hipótesis formuladas en el estudio.
Detección mediante visión computacional del grado de orientación de fibra en material compuesto
En la actualidad, el conocimiento preciso de las propiedades mecánicas de los materiales permite que estos sean utilizados de manera más eficiente, con la consecuente reducción de recursos durante su fabricación y del peso final de los componentes. En materiales compuestos reforzados con fibra larga, la capacidad para predecir y corregir desviaciones en la alineación de la fibra durante las etapas de fabricación del material resulta especialmente conveniente en el contexto de la industria 4.0. En este trabajo se muestran los avances en la monitorización y detección de la orientación de la fibra en compuestos termoplásticos y termoestables reforzados con fibra larga. Se describe una metodología que permite analizar la distribución de la orientación de la fibra en una región extensa del material. El empleo de visión artificial y algoritmos de procesado de imágenes permiten monitorizar el grado de orientación de la fibra de un determinado tejido, en las distintas etapas del proceso de fabricación. De forma previa a la fabricación, pueden detectarse regiones con orientaciones inadecuadas, con el objetivo de corregirlas. Tras la fabricación, la metodología permite estimar las propiedades mecánicas finales que tendrá un laminado con una determinada distribución de orientaciones. Los resultados han mostrado una elevada capacidad de detección en los materiales analizados. Ha permitido señalar aquellas hebras o fibras con desalineaciones superiores a un cierto umbral y evaluar los resultados de forma estadística, permitiendo comparar el grado de orientación de distintos materiales. Su potencial aplicación en la industria permitirá reducir la subjetividad de las operaciones manuales con el consecuente aumento del rendimiento de los materiales fabricados.
Rellenos de densidad pseudo-constante para Fabricación Aditiva No Plana
La Fabricación Aditiva No Plana (NPAM por sus siglas en inglés) es una técnica de Diseño orientado a la Fabricación Aditiva que permite variar localmente la dirección de apilamiento de las capas con el objetivo de mejorar las características geométricas o mecánicas de una pieza. En este ámbito, existe una necesidad de establecer estrategias y algoritmos de laminado no plano sistemáticos basados en conceptos topológicos para viabilizar la generación de trayectorias. En este trabajo se introduce la generación de trayectorias para realizar rellenos no planos de densidad pseudo-constante dentro de una lámina definida. Este algoritmo permite generar piezas mediante NPAM con relleno no sólido, lo que permite ahorrar material y reducir los tiempos de ciclo. Si se define la geometría de una plataforma de impresión a través de la revolución de una curva paramétrica, se conforma una variedad riemanniana. A partir del tensor métrico de la variedad evaluado en cada punto y la resolución de la ecuación geodésica, es posible generar una función de optimización consistente en la suma de la distancia geodésica entre puntos. Esta función de optimización permite generar un mallado cuasi-equidistante de puntos, que es posible unir mediante criterios como las direcciones preferentes del relleno o curvas fractales que llenan espacios, como las curvas de Hilbert. En este trabajo se detalla el algoritmo concebido, así como un caso de aplicación en una plataforma de impresión asimilable a una variedad de Riemann, con curvatura suavizada pero variable. Esto demuestra las capacidades del algoritmo y sirve de introducción a la viabilización de los procesos NPAM dentro del marco de los procesos productivos.
Análisis experimental del mecanizado de PEEK mediante herramienta impresa
La industria de la fabricación se encuentra en constante evolución. Hasta la fecha, casi cualquier elemento fabricado en metal se ha obtenido a través de mecanizado mediante el empleo de plaquitas de corte. Es por ello, que estas herramientas deben soportar elevadas temperaturas y fuerzas extremas, siendo necesario que para su fabricación se empleen materiales de elevada dureza y tenacidad. Así pues, uno de los principales desafíos científicos y tecnológicos dentro del sector de la fabricación es el desarrollo de herramientas que sean capaces de soportar las elevadas temperaturas que se crean en la superficie de contacto entre la herramienta y la pieza a mecanizar, las cuales, suponen una reducción drástica de la vida útil de la misma. En la actualidad, la fabricación de plaquitas de corte mediante procesos mecánicos más tradicionales (prensado, torneado, fresado y pulvimetalurgía entre otros…) suponen unos costes elevados. En la fabricación de motores, los costes de mecanizado se estiman en un 35% del coste total de fabricación del componente. Es por ello que, en la actualidad, surgen nuevos procesos de fabricación que tratan de reducir estos costes significativamente. Sobre todos estos nuevos procesos destaca la fabricación aditiva o de impresión 3D. Dentro de la fabricación aditiva, la técnica de “laser melting powder bed fusion (LM-PBF)”, es una de las técnicas más versátiles, encontrándose limitada únicamente por el tamaño de pieza que se puede producir dentro de un espacio de construcción que generalmente llega hasta 400x400x400 mm3. El LM-PBF puede reducir los flujos de residuos asociados con los procesos de fabricación convencionales, ya que requiere menos accesorios, herramientas de corte, menos virutas y fluido para trabajar metales, lo que se traduce en una reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. El presente trabajo se centra en el análisis experimental de una herramienta de torneado con canales de refrigeración interna en circuito cerrado e impresa mediante tecnología LM-PBF que permita reducir las temperaturas generadas durante el mecanizado, posibilitando por un lado aumentar la vida útil de la herramienta y por otro, reducir el consumo de líquido refrigerante. Ambos beneficios en conjunto suponen una reducción drástica de los costes de fabricación y un objetivo de interés para la industria. Durante el desarrollo de los ensayos experimentales, se han analizado la influencia de distintos parámetros de corte en las temperaturas y fuerzas de corte alcanzadas durante el mecanizado de PEEK extruido.
Efecto del redondeo de la arista de corte en procesos de mecanizado de la aleación Ti6Al4V
La microgeometría del filo de las herramientas de corte tiene un efecto determinante tanto en su duración como en la calidad del acabado de la pieza. Actualmente se están logrando avances significativos en la implementación de técnicas que permiten obtener con elevada precisión redondeos de arista de corte tanto simétricos como asimétricos. Para aprovechar el potencial de estas tecnologías es necesario determinar el efecto de los distintos tipos de redondeo de filo sobre el rendimiento de la herramienta en función de los parámetros de corte y material mecanizado. En este trabajo se han desarrollado modelos numéricos bidimensionales de procesos de mecanizado de la aleación Ti6Al4V considerando distintas preparaciones de filo y parámetros de corte. Estos modelos han sido validados a partir de resultados experimentales obtenidos de referencias científicas internacionales. Los resultados obtenidos confirman la necesidad de emplear elevadas densidades de mallado para poder reproducir el efecto de las distintas preparaciones de filo y la relevancia de establecer redondeos de filo adecuados a cada proceso de mecanizado. El incremento del radio de la arista de corte incrementa la robustez de la herramienta frente a determinados tipos de desgaste como el astillado, pero provoca mayores esfuerzos de corte y temperaturas que aceleran otros mecanismos de desgaste como la abrasión o la difusión. Este efecto es especialmente relevante en los procesos de mecanizado de titanio debido a que este material se vuelve extremadamente reactivo por encima de aproximadamente 600ºC.
Análisis de estabilidad de Floquet en modelos simplificados de vía flexible
A pesar de la existencia de una gran variedad de modelos numéricos que modelan con gran detalle la dinámica de vías ferroviarias discretamente apoyadas, estos suelen presentar ciertas limitaciones, tales como una reducida eficiencia computacional o problemas derivados de considerar la vía como una estructura flexible de longitud finita. Una alternativa para superar dichos inconvenientes consiste en modelar la flexibilidad de la vía insertando debajo de cada rueda del vehículo un sistema de masas concentradas y sólidos rígidos interconectados a través de conjuntos resorte-amortiguador. Dada la periodicidad que los apoyos discretos introducen en la estructura ferroviaria, las ecuaciones de movimiento de estos modelos poseen, entre otros, términos de rigidez periódicos en el tiempo, lo cual constituye un sistema excitado paramétricamente. La implementación de dichos modelos requiere un análisis detallado, pues el fenómeno de excitación paramétrica tiene efectos significativos en la estabilidad de las soluciones obtenidas y en el análisis energético de dichos sistemas. En este contexto, la teoría de Floquet es una herramienta matemática idónea para el análisis de sistemas sometidos a excitación paramétrica, pues resuelve sistemas de ecuaciones diferenciales lineales homogéneas con coeficientes periódicos. La aplicación de la teoría de Floquet permite evaluar la estabilidad de tales sistemas para diferentes combinaciones de parámetros, construyendo así diagramas de estabilidad, que permiten, por ejemplo, detectar bifurcaciones, soluciones periódicas y regiones de inestabilidad. Los modelos simplificados de vía flexible son, en realidad, sistemas sometidos simultáneamente a excitación paramétrica, debido al efecto de los apoyos discretos, y forzada, debido a la fuerza de contacto que resulta de la interacción vehículo-vía. En este sentido, aunque la teoría de Floquet no resuelva ecuaciones diferenciales lineales no homogéneas con coeficientes periódicos, la estabilidad de estos modelos puede analizarse a partir de los resultados obtenidos por la teoría de Floquet. En el presente trabajo se obtendrá, implementando numéricamente la teoría Floquet, el diagrama de estabilidad de un modelo simplificado de vía flexible de un único grado de libertad formulado con la ecuación de Mathieu amortiguada.
Control del desgaste ondulatorio en carriles con apoyo continuo
En este trabajo se estudia el efecto de diferentes factores en el desarrollo y crecimiento del desgaste ondulatorio de los carriles de una vía real de tranvía, mediante un modelo desarrollado, adaptado y validado por los autores. Para ello, en primer lugar, ha sido necesario obtener experimentalmente las propiedades de la vía y del eje montado de los tranvías, para lo cual se han medido sus receptancias. Por otro lado, se ha caracterizado la dureza de los materiales de las superficies en contacto y se han realizado mediciones de coeficiente de fricción en el contacto entre la rueda y el carril. Estas mediciones experimentales han sido esenciales para demostrar la variabilidad de las propiedades dinámicas de la vía del tranvía y para predecir el desgaste de los carriles. Los factores que se han considerado en este estudio son: los posibles defectos de soldadura, la geometría y las propiedades dinámicas de la vía. Los resultados de desgaste demuestran que la reparación de soldaduras desgastadas tiene un efecto positivo porque reduce el crecimiento de la corrugación y que, cuando la vía no presenta propiedades dinámicas constantes, la tasa de crecimiento de la corrugación se reduce considerablemente.
Estudio de la fabricación aditiva para su aplicación en el reperfilado de ruedas de ferrocarril desgastadas por su uso
La operación de reperfilado de ruedas ferroviarias consiste en un proceso de torneado que devuelve a la rueda desgastada su perfil original. Esto implica que, cuando el desgaste se produce principalmente en la pestaña de la rueda o provoca daños locales en la banda de rodadura, es necesario eliminar una cantidad considerable de material, reduciendo por tanto la vida útil y aumentando los costes de mantenimiento. Para hacer frente a este problema, recientemente se ha propuesto la fabricación aditiva como una solución ideal. Concretamente, la tecnología de Deposición de Energía Dirigida o DED (Direct Energy Deposition) es conocida por su viabilidad a la hora de reparar daños locales con gran precisión, y ya ha sido utilizada para soldar y reparar carriles ferroviarios. Sin embargo, su aplicación a las ruedas de ferrocarril aún está siendo objeto de estudio, debido a los exigentes requisitos mecánicos y al adecuado comportamiento frente a desgaste que el material de la rueda debe alcanzar. El objetivo de este estudio es investigar materiales de polvo metálico adecuados para el reperfilado de las ruedas de ferrocarril y comprobar que el resultado obtenido es adecuado para la rodadura ferroviaria atendiendo a las propiedades mecánicas alcanzadas. Los materiales comerciales empleados han sido AISI 4140, Stellite 6, 100Cr6, y AISI H13, los cuales han sido depositados sobre probetas extraídas de la banda de rodadura de una rueda utilizada hasta su servicio final. Por tanto, el material utilizado como sustrato es material endurecido, tratando de reproducir de esta manera las condiciones reales lo más fielmente posible. La calidad de los recubrimientos se ha comprobado examinando la geometría de las uniones mediante un Microscopio Óptico, y la microestructura y tensiones residuales mediante técnicas de Fluorescencia de Rayos X y Difracción de Rayos X, respectivamente La consistencia de la unión también ha sido estudiada analizando la dureza del recubrimiento y su variación a lo largo de la profundidad. Se han realizado ensayos tribológicos para caracterizar el comportamiento de fricción y evaluar la resistencia al desgaste de las probetas con revestimiento frente al material de rueda no revestido. Los resultados indican que el uso de la fabricación aditiva en ruedas ferroviarias resulta de especial interés para su uso en aplicaciones de reperfilado. Es posible conseguir una resistencia al desgaste adecuada y excelentes propiedades mecánicas en términos de dureza y tensiones residuales compresivas, y por consiguiente, apropiadas para una mayor resistencia a fatiga.
Efecto del coeficiente de fricción en la inestabilidad como mecanismo de generación de la corrugación ferroviaria
La corrugación ferroviaria sigue siendo hoy en día un problema recurrente en todos los sistemas ferroviarios y a pesar de los avances de los últimos años, continúa siendo un tema de interés en la investigación. En este trabajo se presenta el acoplamiento modal debido a la fricción como mecanismo de fijación de longitud de onda de la corrugación. Para ello, se propone un modelo de elementos finitos con el que analizar el efecto del coeficiente de rozamiento en la estabilidad del sistema de eje montado en contacto con la vía. El modelo consta, por un lado, del eje montado con la suspensión primaria y por el otro, de la vía. El modelo de vía, formado por un carril sujeto por resorte-amortiguador lateral y vertical en cada traviesa, ha sido ajustado contra mediciones experimentales de receptancias. Los resultados del análisis modal muestran la importancia del coeficiente de rozamiento en la estabilidad modal del sistema. Cuanto mayor sea este coeficiente de fricción, mayor es la inestabilidad que sufre el sistema en unas condiciones concretas de circulación. Mantener el coeficiente de fricción limitado a un valor por debajo del límite podría prevenir la inestabilidad y en consecuencia la corrugación provocada por acoplamiento modal.
Modelo de elementos finitos 3D de una vía ferroviaria sobre balasto para el análisis de la función periódica ante una carga móvil
Este artículo estudia la función periódica que aparece en la deformación de una vía ferroviaria sobre balasto con soportes discretos debido a una carga móvil. La metodología de modelado de la vía se basa en el método de elementos finitos. Se realiza un análisis de convergencia para determinar el número de elementos por tramo necesario para obtener resultados precisos y fiables sin incrementar innecesariamente el coste computacional. También se efectúa un análisis de sensibilidad de los principales parámetros de la vía para estudiar su influencia en la función periódica. Adicionalmente, se analiza la influencia de la rigidez de los railpads y del balasto, respectivamente, en la deflexión máxima de la función. Se observa que la forma de la función periódica depende poco de las velocidades consideradas, pero la deflexión aumenta con la velocidad de avance de la carga. Como es lógico, la deflexión en la función incrementa a medida que aumenta la carga para una velocidad constante.
Caracterización experimental de las cargas térmicas en los bajos de trenes metropolitanos
Los sistemas de transporte ferroviario subterráneo son esenciales en las grandes urbes por su capacidad para transportar un elevado volumen de pasajeros de forma rápida y continua. Sin embargo, las condiciones intensivas de explotación, el tipo de materiales en los bajos de los trenes y la acumulación de partículas durante el funcionamiento plantean desafíos significativos en cuanto a seguridad y eficiencia. En este contexto, surge la necesidad de estudiar los factores que pueden mejorar la confiabilidad y durabilidad de los componentes situados bajo el bastidor de los trenes, especialmente en los sistemas de frenado y otros equipos críticos. El estudio se centró en evaluar los escenarios y factores de riesgo específicos de los trenes metropolitanos, tomando como caso de estudio un sistema de Metro. La investigación incluyó una revisión detallada del equipamiento presente en los bajos de los trenes, con el fin de identificar y analizar los puntos críticos donde las condiciones de operación, altas temperaturas y acumulación de grasas y partículas pueden influir negativamente en el rendimiento de los componentes. Entre los elementos más destacados se identificaron las pastillas del sistema de frenado por disco, sometidas a un elevado desgaste y fricción, y que presentan características térmicas que requieren una atención particular. Mediante ensayos en laboratorio y mediciones in situ bajo condiciones operativas, se caracterizó su comportamiento térmico y su capacidad de resistencia a temperaturas elevadas. Esta evaluación permitió obtener datos precisos sobre la interacción de las pastillas con el entorno operativo, así como posibles puntos de fatiga bajo condiciones de demanda elevada. Los resultados sugieren la importancia de incorporar medidas que optimicen el diseño de los componentes en los bajos de los trenes y que respondan adecuadamente a las condiciones de operación real. La implementación de materiales y estructuras que reduzcan el impacto del calor y minimicen la acumulación de partículas podría aumentar la durabilidad y rendimiento de los sistemas críticos. Asimismo, este enfoque se plantea como una metodología para futuras investigaciones, con el fin de mejorar la confiabilidad en el sector ferroviario subterráneo. En conclusión, la investigación y evaluación de componentes de alto riesgo proporciona un marco para desarrollar soluciones de ingeniería que eleven la seguridad y confiabilidad de los sistemas ferroviarios subterráneos. La caracterización detallada de los puntos críticos en los bajos de los trenes permite avanzar en la creación de diseños robustos y eficientes que respondan a las necesidades operativas de estos sistemas de transporte, contribuyendo a su optimización en términos de eficiencia y seguridad.
Diseño de banco de ensayos de desgaste entre patín e hilo conductor utilizado en el sector ferroviario
Se presenta el diseño y desarrollo de un banco de ensayos para evaluar el desgaste de hilos conductores y patines de pantógrafo, componentes fundamentales en la transmisión de energía en sistemas ferroviarios. El proyecto busca analizar la durabilidad de estos elementos bajo condiciones operativas simuladas, incluyendo variaciones de velocidad, perfil de catenaria, carga y corriente, lo cual proporciona una base sólida para optimizar su rendimiento y prolongar su vida útil. El diseño del banco de ensayos incluye estructuras que permiten simular tanto el movimiento del hilo conductor como el del pantógrafo, con componentes diseñados para resistir cargas dinámicas y mantener un contacto eficiente entre el hilo de prueba y el pantógrafo simulado. En el desarrollo se emplearon tecnologías avanzadas de CAD para modelado y análisis de resistencia, así como una selección optimizada de materiales y componentes, lo que garantiza una fabricación eficiente y segura del equipo. La máquina está configurada como una gran noria de aproximadamente 2,5 metros de diámetro, que puede alcanzar velocidades angulares de hasta 600rpm (equivalente a 300 km/h). Este diseño requiere una fabricación precisa, un montaje adecuado y un equilibrado optimo para su correcto funcionamiento. Entre los desafíos técnicos más relevantes destacan la refrigeración del hilo conductor y el suministro constante de corriente de alta intensidad al sistema rotativo. Inicialmente, se prevé realizar ensayos pasivos con una fuerza de interacción constante; sin embargo, el diseño está preparado para ensayos con interacciones activas que simulen los cambios de fuerza y rigidez que ocurren en condiciones reales de operación. Actualmente, la máquina se encuentra en proceso de construcción. Una vez en funcionamiento, proporcionará datos experimentales para el ajuste de los parámetros de los modelos de desgaste que reproducen el contacto entre el hilo conductor y los patines del pantógrafo.
Dispositivo embarcado para la detección de zonas de desgaste de hilo conductor para las infraestructuras de Metro de Málaga
La motivación de este trabajo surge de la necesidad de obtener información acerca de las instalaciones de Metro de Málaga y contribuir a la búsqueda de anomalías y puntos de desgaste críticos del hilo de contacto. Además, se pretende realizar un estudio en profundidad acerca de cómo afectan los distintos parámetros claves de la instalación al desgaste. Uno de los parámetros clave se corresponde con la localización de los soportes que sustenta el hilo de contacto, ya que con su modificación se puede homogeneizar el desgaste y reducir las irregularidades que puedan aparecer. Otro de los parámetros que afectan al desgaste es la aparición de arcos eléctricos en el contacto entre la catenaria y el pantógrafo. Por tanto, si se consigue localizar aquellos puntos donde la frecuencia e intensidad de arcos eléctricos es mayor, se puede focalizar los recursos en intentar reducir la aparición de estos en dichas zonas. Con este objetivo, se ha fabricado un dispositivo sensorizado que se ha ubicado en la parte superior de las unidades ferroviarias del Metro de Málaga. Se ha diseñado para recolectar información detallada sobre el estado de las instalaciones, con especial enfoque en la interacción pantógrafo catenaria. El dispositivo incorpora varios sensores avanzados: un sensor de arco para detectar la presencia de arcos eléctricos, una unidad IMU que permite el registro de aceleraciones de la unidad, un módulo GPS para geolocalización precisa y una cámara de alta definición que captura video de forma continua del estado actual de la catenaria. Gracias a una conexión remota, el dispositivo facilita la recolección y transmisión de datos de forma rápida y eficiente. El dispositivo cuenta con un mini PC, que actúa como el núcleo principal del sistema, controlando tanto el dispositivo en general como el funcionamiento del software que permite la captura de videos y datos. Este ordenador recibe y graba la información obtenida por los sensores, permitiendo un control centralizado las funciones de captura. Para la recolección de datos, el dispositivo utiliza dos microcontroladores especializados. Uno de ellos está dedicado exclusivamente a la detección de arcos eléctricos. Dado que los arcos eléctricos tienen una duración muy breve, en el rango de milisegundos, es fundamental que el muestreo de este microcontrolador sea de alta frecuencia para captar estos eventos con precisión. Con el fin de asegurar la calidad de los datos y evitar posibles interferencias, este microcontrolador está dedicado exclusivamente a la tarea de monitorear los arcos eléctricos. La implementación de este sistema sensorizado busca optimizar las tareas de mantenimiento en infraestructuras ferroviarias mediante la identificación proactiva de zonas críticas en la catenaria, agilizando el análisis del desgaste y las anomalías en el cable conductor. Con esta solución tecnológica, se mejora la efectividad durante el mantenimiento y se contribuye a la fiabilidad y seguridad del servicio ferroviario.
Cálculo y diseño de un mecanismo flexible de fuerza constante como actuador en una máquina de ensayos de desgaste entre pantógrafo y catenaria
Se presenta el diseño de un mecanismo flexible que genera una fuerza de contacto constante entre pantógrafo y catenaria que se integrará en una máquina de ensayos para estudiar el desgaste del pantógrafo, minimizando las fluctuaciones de fuerza causadas por perturbaciones y eliminando la necesidad de sistemas de control de fuerza complejos. Se ha realizado un estudio previo sobre los distintos métodos de síntesis de mecanismos flexibles de fuerza constante y se han comparado diseños existentes a fin de concretar un punto de partida. Para el diseño se ha empleado el método de combinación de rigideces, asociando en paralelo un elemento de rigidez negativa y otro de rigidez positiva, ambas con el mismo valor absoluto para que la rigidez equivalente del sistema sea nula. El elemento de rigidez negativa se ha resuelto utilizando flejes biestables de acero aprovechando el cambio de rigidez al producirse el pandeo, mientras que para el elemento de rigidez positiva se ha usado un mecanismo flexible en forma de diamante, también hecho con flejes de acero asociados en serie. La síntesis y el dimensionamiento de los componentes se han realizado a través de simulaciones de elementos finitos en ANSYS, obteniéndose primero las dimensiones del elemento de rigidez negativa, a partir de las que se han afinado las dimensiones del elemento de rigidez positiva para alcanzar la fuerza constante. Con ello, se obtiene un diseño que únicamente permite grandes desplazamientos en su dirección vertical, absorbiendo las cargas que se apliquen en otras direcciones. Este desarrollo abre nuevas posibilidades para la aplicación de mecanismos flexibles de fuerza constante en la industria ferroviaria y otros sistemas que requieren un control de fuerzas.
Ensayos Hardware-in-the-Loop de pantógrafos con modelos de catenaria realistas
En los últimos años los ensayos Hardware-in-the-Loop (HiL) de pantógrafos han centrado el foco de diversos trabajos de investigación debido al elevado potencial que presenta esta técnica para poder sustituir determinados ensayos en vía. Esta metodología se basa en la interacción del pantógrafo real con un modelo numérico de la catenaria. Así pues, en un banco de ensayos HiL, se mide la fuerza aplicada sobre los frotadores del pantógrafo, la cual se aplica al modelo numérico de catenaria. A continuación, se obtiene la respuesta dinámica de la catenaria ante esta fuerza y, finalmente, el lazo se cierra imponiendo el desplazamiento vertical del hilo de contacto calculado a los frotadores del pantógrafo por medio de un actuador lineal. Este proceso se repite cada 2 milisegundos. Dicha restricción de tiempo real supone tener que recurrir a un modelo de catenaria que por un lado sea lo suficientemente realista para describir el comportamiento dinámico de dicho sistema y, por otro, se pueda resolver lo suficientemente rápido como para aplicarse en ensayos HiL. Debido a esta limitación, en la bibliografía se encuentran modelos de catenaria simplificados para este tipo de ensayos. Habitualmente se trata de tramos cortos, de unos pocos vanos, con alguna condición de contorno especial, como por ejemplo de periodicidad. En este trabajo se propone la aplicación de ensayos HiL de pantógrafos en tiempo real con un modelo de catenaria de elementos finitos, realista, que incluye dos cantones completos con seccionamiento. Además, para representar más fidedignamente el estado de una catenaria instalada, en el modelo de catenaria se incluyen errores de montaje de longitud de péndolas y altura de los soportes. Los resultados obtenidos de fuerza de contacto y elevación del punto de contacto se comparan con medidas experimentales en vía, obteniendo un grado de similitud muy elevado, lo cual da validez a los ensayos HiL realizados.
Análisis y optimización del desgaste en la rodadura ferroviaria de ruedas libres guiadas
Los trenes Talgo incorporan un sistema de rodadura propio basado en el empleo de ruedas libres guiadas sobre la vía, que presenta importantes diferencias con la rodadura tradicional. El sistema permite variar parámetros como los ángulos de ataque y rigideces de apoyo de cada rueda, lo que hace posible pensar en estrategias de control de su posición y de las características del contacto rueda-carril, que no serían planteables en la rodadura tradicional con ejes rígidos montados, y que pueden ser útiles para la optimización del desgaste y el ruido de rodadura. El análisis del contacto rueda-carril ha sido ampliamente estudiado desde los años 20 del siglo pasado. Y en las últimas décadas, también se han publicado trabajos que proponen algoritmos para la estimación del desgaste asociado a la rodadura, basados en el análisis numérico de esfuerzos y deslizamientos, y en resultados experimentales de medida de desgaste en laboratorio. No obstante, la práctica totalidad de los trabajos publicados se aplican a la resolución del problema en la rodadura tradicional de ejes rígidos montados, utilizada por la gran mayoría de los trenes en circulación. Los estudios no contemplan la posibilidad mencionada de variación de parámetros que permite un sistema de rodadura libre. En el trabajo planteado se desarrolla en primer lugar una metodología para el análisis detallado de las distribuciones de esfuerzos y deslizamientos en el contacto. Se ha usado un programa de elementos finitos comercial para desarrollar modelos paramétricos del contacto rueda-carril, que han sido validados por comparación con ciertos resultados obtenidos con las formulaciones clásicas. Los modelos permiten la libre variación de parámetros tales como el ángulo de caída y el ángulo de convergencia de cada rueda, la consideración de diferentes perfiles de rueda y carril (con geometrías nominales o ya desgastadas), y diversas condiciones dinámicas de circulación. Los resultados obtenidos del cálculo MEF para cada caso, se extraen y procesan de forma estandarizada, y se utilizan como datos de entrada para aplicar diferentes algoritmos de estimación del desgaste. Un análisis estadístico de los resultados permite, finalmente, obtener conclusiones útiles sobre la sensibilidad de los resultados a la variación de cada parámetro. El objetivo del trabajo es determinar los valores óptimos para cada uno de los parámetros considerados, que conduzcan a una reducción global del desgaste, A partir de los resultados obtenidos, se podrá abordar en una etapa posterior el diseño de detalle de sistemas de suspensión primaria y rodadura, que permitan asegurar que estos parámetros se mantienen dentro de rangos óptimos en diferentes condiciones de circulación. Se presentan aquí los primeros resultados de la línea de investigación abierta en este campo, fruto de la colaboración de la Universidad Miguel Hernández con la empresa Patentes Talgo, y que está siendo objeto de una Tesis Doctoral.
Corrección en la medida del área de contacto de una rueda de ferrocarril
El trabajo pionero de H. I. Andrews de 1959 sobre el contacto entre una rueda de ferrocarril y el carril de las vías férreas es de una relevancia significativa en el ámbito de desarrollo y optimización de máquinas ferroviarias. Andrews desarrolló una técnica experimental basada en el uso de carbono en forma de grafito y papel de oficina para visualizar el área de contacto generada por la aplicación de un rango incremental de cargas en diversas referencias de ruedas ferroviarias con vías nuevas y desgastadas, las cuales presentan distintos radios de curvatura. En su trabajo, Andrews llegó a la conclusión de que, aunque su técnica era capaz de captar la curva de tendencia del aumento del área de contacto al incrementar la carga normal aplicada a las ruedas, las medidas experimentales diferían de los cálculos analíticos realizados aplicando una forma simplificada de la teoría de Hertz. Las medidas experimentales resultaban en un área de contacto significativamente mayor a los cálculos teóricos tanto en vías nuevas como desgastadas, lo que Andrews atribuyó a la influencia de la rugosidad superficial no contemplada en la formulación analítica. En un trabajo reciente, donde se analiza la medida del área de contacto en elementos rodantes con superficies pintadas, se demuestra que el aumento del área de contacto experimental respecto al teórico se debe al grosor de la capa de pintura aplicada. Los resultados obtenidos en el desarrollo de esta metodología sugieren que el aumento en el área de contacto percibido por Andrews puede ser debido al efecto del grosor del papel utilizado y su deformación a compresión al aplicarse la fuerza normal en la rueda. La metodología de cálculo del área de contacto en superficies pintadas se ha aplicado a las medidas realizadas por Andrews para compensar el efecto del papel introducido en el contacto, calculando para ello la compresión de la lámina al aplicar la carga normal. Los resultados obtenidos concuerdan satisfactoriamente con los resultados experimentales medidos por Andrews, demostrando así que el efecto del espesor del papel introducido es mayor que el de la rugosidad superficial mencionada en la publicación original.
Influencia de los pasajeros en la mejora del confort en trenes de alta velocidad con Actuadores Apilados Piezoeléctricos
En la actualidad, la tendencia hacia trenes cada vez más rápidos y ligeros hace que mantener los niveles de confort y seguridad sea un reto para los ingenieros. El diseño de las cajas actuales, más ligeras y sofisticadas, tiene como consecuencia acercar las frecuencias fundamentales de la estructura a la zona más sensible para el confort de las personas. La reducción de las vibraciones que perciben los pasajeros se puede abordar desde distintas partes del tren, por ejemplo, las suspensiones primaria y secundaria o actuando directamente sobre la propia estructura. La ventaja de esta última solución reside en la actuación directa sobre el sistema y su influencia residual sobre la dinámica del tren. La incorporación a la caja de actuadores apilados piezoeléctricos (PSA) conectados a circuitos derivativos, se ha mostrado en trabajos anteriores como una opción factible para disminuir las vibraciones debidas a los modos flexibles de la caja. Los PSA junto a los circuitos derivativos, permiten aumentar el amortiguamiento estructural de manera pasiva, transformando la deformación mecánica inducida en desplazamiento de carga eléctrica y finalmente en fuerza. Cuando el circuito derivativo se sintoniza a la frecuencia del modo de vibración que se pretende amortiguar, se consigue maximizar la actuación de los PSA. Por otro lado, la reducción de peso de la estructura ha propiciado que los propios pasajeros sean importantes e influyentes en el comportamiento vibratorio de la caja. En la literatura, se ha demostrado que actúan como absorsores dinámicos, aumentando el amortiguamiento modal de los primeros modos flexibles. Esto significa menores niveles de vibración a estas frecuencias y por tanto un mejor confort de los pasajeros, aunque la reducción depende del número de pasajeros y su posición. En este trabajo, se evalúa la capacidad de los PSA junto a circuitos derivativos bajo distintos estados de carga en el coche. Se han realizado simulaciones de un sistema mecánico equivalente de un tren y se han añadido pasajeros simplificados como sistemas mecánicos de un grado de libertad, además se han modelado el comportamiento electromecánico de los PSA y se ha incluido en el modelo. Los resultados muestran que el aumento de amortiguamiento del primer modo flexible de la estructura debido a los pasajeros tiene como consecuencia un deterioro de la capacidad de los PSA para mitigar vibraciones. Por tanto, según sean las condiciones de trabajo, el empleo de PSA junto a circuitos derivativos puede no estar justificado.
Clasificación de la condición de funcionamiento de un bogie ferroviario mediante redes neuronales
La digitalización del mantenimiento ferroviario como consecuencia de la adopción de la Industria 4.0 puede detectar prematuramente la presencia de defectos en el material rodante y notificárselo a los operadores ferroviarios antes con tiempo suficiente para actuar antes de que se produzca un incidente. Esta digitalización implica la instalación de sistemas de medida en sistemas críticos como son los elementos de rodadura de los vehículos ferroviarios y, más concretamente, los bogies. Aunque la inversión necesaria para la digitalización del material rodante puede ser elevada, a la larga debería reducir los costes del extensivo mantenimiento que realizan los operadores ferroviarios, así como los posibles efectos sobre las personas y el medio ambiente. En este trabajo se pretende determinar la condición de funcionamiento de los elementos de un bogie ferroviario mediante la combinación de técnicas clásicas de tratamiento de la señal vibratoria con sistemas de clasificación automáticos propios de la Industria 4.0. Para ello se han instalado acelerómetros en las cajas de grasa de uno de los ejes del bogie, registrándose las medidas de vibración en diferentes condiciones operativas y en las tres direcciones del espacio. Las señales de vibración se procesan en los dominios del tiempo y de la frecuencia, extrayendo una serie de hiperparámetros que posteriormente se introducirán en un clasificador basado en redes neuronales. Previamente a la introducción de los hiperparámetros en el sistema de inteligencia artificial, se utilizan técnicas estadísticas para seleccionar el conjunto de hiperparámetros que, a priori, deben garantizar la mayor tasa de acierto del sistema experto. Así mismo, se optimizan los parámetros del sistema clasificador para determinar la configuración que permite obtener la mayor tasa de acierto en la identificación de la condición del eje ensayado. Los resultados muestran un elevado nivel de acierto del clasificador basado en redes neuronales.
Modelado sencillo del comportamiento dinámico del material rodante ferroviario para el mantenimiento conectado
En la actualidad, la integración de los diferentes pilares en los que se basa el paradigma de la industria 4.0 o 5.0 permite digitalizar todas las tareas relacionadas con el ciclo de vida de un producto o servicio. Sin embargo, la mayoría de los esfuerzos se han realizado en el ámbito organizativo y de toma de decisiones. En este sentido, las tareas de mantenimiento, y en particular las actividades relacionadas con el análisis del estado de funcionamiento de los elementos de un sistema mecánico deben reformularse y orientarse hacia la digitalización. Para lograr este objetivo con éxito, una de las posibilidades es el desarrollo de gemelos digitales para la monitorización del estado. En particular, la implantación de este tipo de sistemas en la industria ferroviaria tiene el potencial de reducir significativamente los costes de mantenimiento tanto del ferrocarril como del material rodante y predecir su vida útil. En este trabajo se presenta un método para estimar fallos en los componentes del material rodante ferroviario. Este método implica el uso de técnicas que conducen al desarrollo de un gemelo digital de este complejo sistema mecánico. El modelo propuesto comprende un modelo dinámico de masa distribuida y un filtro de Kalman para predecir el comportamiento dinámico del sistema a partir de la información obtenida con datos reales de un banco de pruebas que han sido utilizadas para su validación. Se ha realizado un análisis de los parámetros de configuración del filtro para optimizar la estimación. Los resultados demuestran la solidez de la investigación ya que el modelo sigue el comportamiento real en el tiempo.
Estimación de magnitud de fuerza lateral de contacto rueda/rail mediante extensometría en un prototipo de ferrocarril a escala
La interacción rueda-rail es el principal factor que determina el comportamiento dinámico de un vehículo. En la industria ferroviaria, el conocimiento de las fuerzas de contacto rueda-rail durante el funcionamiento del vehículo se considera una información valiosa para cualquier fabricante y también es necesario para la homologación del vehículo. La norma EN-14363 define los ensayos para la aceptación del comportamiento dinámico de los vehículos ferroviarios, y en todos ellos se requiere de la medición de las fuerzas de contacto rueda-rail aunque no especifican el método a utilizar. Este artículo presenta una metodología para la estimación experimental de la fuerza lateral de contacto rueda-rail basado en medidas extensiométricas. Para ello se ha empleado un ferrocarril a escala 1:10 donde uno de sus ejes cuenta con una rueda que ha sido instrumentada con parejas de galgas formando 6 medios puentes de Wheatstone. Las galgas se han distribuido radialmente en el velo de la rueda, e instalado en la cara interior y exterior de la misma, de manera que a partir de la configuración de medio puente se puede determinar la deformación a causa de la fuerza lateral. Una vez instrumentada la rueda, se ha realizado una cuidadosa calibración de los 6 medios puentes. Para ello, a partir de un banco de calibración a escala se han aplicado distintas fuerzas laterales a la rueda, obteniéndose así la relación lineal entre la fuerza lateral y la tensión eléctrica medida a la salida de los puentes. Tras calibrar las galgas, se han realizado varios experimentos de campo con el ferrocarril instrumentado en la vía a escala de 5 pulgadas de anchura situada en la azotea de la ETSI de la Universidad de Sevilla. Ya que es imprescindible conocer con precisión la orientación de las galgas en todo momento, uno de los ejes del ferrocarril cuenta con un encoder para medir la posición angular. A partir de las señales medidas por la deformación de las galgas, se han postprocesado todos los datos para estimar la fuerza lateral de contacto. El posprocesado se realiza mediante un método de extracción de armónicos utilizado para el análisis modal operacional de aerogeneradores. Los aerogeneradores son estructuras que vibran según sus modos naturales de vibración y además están sometidos a excitaciones armónicas cuya frecuencia y amplitud varían ligeramente en los tiempos de medición característicos. Así, las señales de vibración se pueden caracterizar mediante senoidales de amplitud y frecuencia variantes. Y ésta es, exactamente, la naturaleza de todas las señales de deformación que se miden en las galgas colocadas en el velo de las ruedas del modelo de tren, siendo la amplitud proporcional a las fuerzas laterales y la frecuencia igual a la velocidad angular de las ruedas. Identificando los parámetros de este modelo de señal se estima la fuerza lateral instantánea. Tras la aplicación de la metodología a las señales de deformación, se observa que la fuerza lateral estimada es coherente con la geometría de la vía, ya que la magnitud de la fuerza lateral en los tramos curvos es coherente con aquella calculada por un modelo multicuerpo a escala.
Uso de herramientas de visión artificial para la estimación de la fuerza de contacto entre pantógrafo y catenaria ferroviaria
La interacción entre el pantógrafo y la catenaria en sistemas ferroviarios es clave para garantizar una captación de corriente eficiente. Los problemas asociados son, por un lado, desgaste excesivo cuando las fuerzas de contacto son demasiado elevadas y, en el lado opuesto, la aparición de despegues cuando el valor de la dicha fuerza es reducido. Estos despegues, además de interrumpir el suministro de corriente, pueden generar arcos eléctricos que aceleran el desgaste de los elementos en contacto. Por esta razón, la normativa ferroviaria emplea la desviación típica de la fuerza de contacto como el principal indicador de calidad del sistema de captación de corriente. La medida de la fuerza de contacto en vía se realiza mediante trenes auscultadores dotados de pantógrafos instrumentados. Sin embargo, esta técnica presenta limitaciones como la influencia en el comportamiento dinámico del pantógrafo de los dispositivos empleados en la medida (acelerómetros o células de carga) o su coste económico, entre otros. Ante esta problemática, surge la necesidad de desarrollar métodos no invasivos, fiables y de bajo coste para un monitoreo continuo y eficiente. En este trabajo propone una metodología no invasiva basada en técnicas de visión artificial para estimar la fuerza de contacto a través del análisis del movimiento del pantógrafo capturado por cámaras de alta resolución. Usando un modelo dinámico lineal del pantógrafo y algoritmos como filtros de Kalman, se busca inferir la fuerza de contacto a partir del desplazamiento, velocidad o aceleración obtenida mediante el procesado de las imágenes. La validación de la metodología se realizará en un banco de ensayos instrumentado, el cual está equipado con cámaras, acelerómetros y células de carga. Los ensayos se gobiernan desde un sistema dotado con un controlador en tiempo real que garantiza la sincronización. La técnica podría ser adaptable a cualquier vehículo ferroviario, permitiría planes de mantenimiento personalizados y la reducción de costes, marcando un avance significativo en la sostenibilidad y eficiencia de los sistemas ferroviarios.
Sistema de control activo aplicado a la interacción pantógrafo-catenaria
El suministro de corriente eléctrica en vehículos ferroviarios se realiza a través del contacto entre el pantógrafo y la catenaria. La flexibilidad del conjunto de cables que forma la catenaria permite que los cables se adapten a las variaciones térmicas y mecánicas, pero también los hace susceptibles a vibraciones inducidas por el movimiento del pantógrafo: cuando el pantógrafo ejerce fuerza sobre el hilo de contacto, este responde vibrando de manera transversal y longitudinal, transmitiendo estas oscilaciones al pantógrafo. Es necesario limitar la variación de la fuerza de contacto para evitar interrupciones en el suministro provocadas por el despegue entre el pantógrafo y la catenaria, lo que genera arcos eléctricos que deterioran los elementos en contacto. Evitar tales despegues aumentando la fuerza media de contacto tiene como inconveniente el mayor desgaste del material del frotador y del hilo de contacto. En este trabajo se analiza la viabilidad de implementar un sistema de control activo en el cabezal del pantógrafo para estabilizar la fuerza de contacto y mejorar la calidad de la captación de corriente. Para lograr este objetivo, se implementa virtualmente un sistema de control PID en un banco de pruebas Hardware-in-the-Loop. La implementación virtual tiene en cuenta el modelo dinámico del motor, así como el tiempo de establecimiento de este. El sistema desarrollado podría llegar a implementarse en un banco de pruebas de pantógrafos para su validación experimental futura. La principal contribución de este trabajo radica en la validación experimental de una propuesta de diseño de control aplicable a pantógrafos para optimizar la captación de corriente.
Estudio teórico-experimental del comportamiento de perfiles rectangulares de pared delgada
Los perfiles rectangulares de pared delgada son ampliamente utilizados en la fabricación de estructuras de vehículos como elementos de absorción de energía, debido al buen compromiso entre peso y propiedades mecánicas. Durante décadas, los investigadores han estudiado el desempeño de este tipo de perfiles en escenarios de colisión, tales como el vuelco en estructuras de autobuses y autocares. En estos casos, el modo de colapso del perfil es la flexión con grandes deformaciones plásticas en zonas localizadas, denominadas rótulas plásticas. La formación de la rótula plástica fue estudiada por primera vez por Kecman en la década de los 70, mediante el ensayo de tubos a flexión variando las dimensiones de la sección, en un rango correspondiente al utilizado en las superestructuras de autobuses. De este estudio, Kecman propuso un modelo matemático basado en la geometría de la rótula plástica, y que permite obtener la curva característica de deformación del perfil a flexión con bastante efectividad. En la actualidad, este modelo sigue siendo el referente para la obtención de la curva Momento-Ángulo. Durante ensayos de perfiles a flexión realizados por los autores, se observó que el espesor del perfil tiene un impacto directo en la geometría de la rótula plástica, y, por tanto, en la curva característica Momento-Ángulo, provocando una desviación entre la curva obtenida por ensayo y la obtenida mediante el modelo de Kecman: los perfiles de pequeño espesor tienen un mecanismo de deformación que coincide con el modelo de Kecman, mientras que tubos con espesores superiores producen mecanismos de deformación con una forma menos pronunciada que la predicha por el modelo de Kecman. De hecho, variaciones del espesor de 2 mm a 4 mm conlleva a dos geometrías de la rótula plástica completamente diferentes. Sin embargo, el espesor es un parámetro que no está incluido en el cálculo de la geometría en dicho modelo. Basado en la evidencia en ensayos y posteriores simulaciones mediante software de elementos finitos, existe la necesidad de un estudio en profundidad de esta problemática y de conocer el error cometido con los modelos teóricos actuales. Este trabajo lleva a cabo un estudio minucioso del efecto de todos los parámetros dimensionales de la sección en la geometría de la rótula plástica y en la curva Momento-Ángulo, utilizando para ello ensayos físicos y modelos de elementos finitos. El objetivo final es proponer un modelo matemático que mejore la precisión de las curvas Momento-Ángulo en perfiles de gran espesor, así como predecir el tipo de rótula plástica que se va a producir en un perfil basado únicamente en las dimensiones de la sección: alto, ancho y espesor, combinados en un único parámetro adimensional, denominado por los autores como índice Q.
Variabilidad de la deceleración de un paracaídas de acción progresiva en un ascensor inclinado
Los ascensores inclinados son un tipo de ascensor que se mueven siguiendo la inclinación del terreno. El uso de este tipo de ascensores es muy diverso, puede ser utilizado en centros comerciales, metros, estaciones y aeropuertos, así como en zonas residenciales o en lugares o zonas turísticas con cierto desnivel. Esta opción se ha convertido en una excelente alternativa a las escaleras mecánicas tradicionales al poder ser utilizado para el transporte de persona con discapacidad o personas con movilidad reducida. También presentan una ventaja competitiva frente a las escaleras mecánicas al poder adaptarse a trayectos largos con mayor facilidad. Este tipo de ascensores cuenta con una cabina, habitualmente acristalada, que permite que los pasajeros estén siempre en posición vertical, aunque la trayectoria del terrero sea inclinada En el caso de los ascensores con trayectoria inclinada, la norma de referencia UNE EN 81:22-2022 establece dos límites de aceleración en caso de actuación del sistema de parada de emergencia: un límite de aceleración horizontal máximo, establecido para evitar que los pasajeros colisionen con las paredes del carro; y un límite de aceleración vertical mínimo que garantiza que el paracaídas tiene una capacidad de frenado suficiente para decelerar el carro en condiciones seguras para los ocupantes en caso de plena carga. En este artículo se presenta el análisis realizado para determinar la viabilidad de uso de un paracaídas de acción progresiva, que forma parte del sistema de seguridad pasiva junto con el limitador de velocidad en los ascensores verticales, como sistema de frenado en caso de emergencia para los ascensores con trayectoria inclinada. Este tipo de paracaídas se homologa según los requisitos definidos en la norma UNE-EN 81-50:2020, en la que se establecen únicamente requisitos de aceleración vertical, ya se únicamente se impone una deceleración mínima de aproximadamente 0,6g. Para la caracterización del comportamiento de paracaídas progresivos en ascensores inclinados y poder verificar que se puede atenuar la componente horizontal de la deceleración en caso de parada de emergencia, se ha se ha generado un plan de ensayos considerando las variables más influyentes para diseñar un ascensor inclinado, como son el tipo de paracaídas, la instalación o no de un elemento amortiguador adicional al paracaidas, el ángulo de inclinación de la plataforma y el peso de la cabina más los pasajeros. El plan de ensayos desarrollado ha permitido, además de la validación de un modelo de simulación dinámica, la realización un análisis estadístico y de tipo Wavelet para determinar la variabilidad y formas de onda de la respuesta del sistema antes diferente grados de inclinación del ascensor y diferentes cargas, así como teniendo en cuenta la utilizado de un tope elástico para mejorar los niveles de deceleración horizontal y vertical alcanzados en este tipo de ascensores.
Diseño de una unión mecánica entre carcasa y banda de rodadura para eco-neumáticos
Aunque es bien conocido el problema medioambiental y para la salud que generan la fabricación, el uso y los residuos procedentes de los neumáticos, es un problema de gran envergadura y difícil de resolver. En este contexto, y habida cuenta de la enorme importancia del neumático para la dinámica, comportamiento y seguridad de los vehículos automóviles, surge la necesidad de crear una nueva estructura de neumático que permita separar la parte sometida a desgaste y la parte estructural, manteniendo sus capacidades. Este reto podría ser enfrentado por la industria del recauchutado, que sustituye la banda de rodadura cuando está desgastada, aprovechando la carcasa si esta se encuentra en buen estado. Sin embargo, esto mitiga sólo parcialmente el problema, reduciendo la cantidad de residuos generados, pero no evita los microplásticos altamente nocivos que se generan por el desgaste de la banda de rodadura. Con el fin de introducir materiales de menor impacto medioambiental en la banda de rodadura, resulta necesario ir más allá de las soluciones actuales, posibilitando el uso materiales completamente diferenciados en la carcasa y en la banda de rodadura, y evitando la necesidad de unirlos mediante procesos termoquímicos. Es en este punto en el que surge el proyecto ECOTIRE/iECOTIRE, con un planteamiento novedoso, basado en la unión mecánica entre ambas partes del neumático. En este estudio se avanza en el diseño de la unión mecánica entre carcasa y banda de rodadura mediante el estudio de geometrías de unión y materiales candidatos a ampliar la vida útil de la carcasa o a sustituir al caucho en la banda de rodadura. Para ello se ha diseñado y fabricado un dispositivo para ensayar “huellas de contacto virtuales”, obteniendo resultados con diferentes configuraciones de unión mecánica. Además, este estudio experimental sirve de base para la definición de un modelo de simulación que permitirá ampliar las configuraciones estudiadas, así como las pruebas a las que serán sometidas. Por último, con los resultados alcanzados en este documento, se definirán geometrías y materiales-candidatos que puedan ser aplicados en un primer prototipo completo de neumático sostenible, ECOTIRE.
Validación de resultados de ensayo con dispositivo de caracterización de superficie
La adherencia y la rugosidad son dos parámetros fundamentales en la ingeniería de vehículos y la seguridad vial, ya que influyen directamente en el comportamiento de los neumáticos sobre las superficies de rodadura, afectando a la maniobrabilidad y estabilidad de los vehículos. Con el fin de avanzar en la investigación y desarrollo de tecnologías más eficaces para la mejora de la dinámica vehicular, se ha diseñado y fabricado un sistema para la medición de la adherencia y rugosidad de superficies, el cual está orientado a emplearse como herramienta de referencia para la caracterización de superficie y optimización de los sistemas de control del automóvil. El sistema diseñado combina métodos de medición para evaluar tanto la capacidad de adherencia como la rugosidad superficial de manera simultánea. Este enfoque permite obtener resultados más precisos y rápidos en comparación con los métodos tradicionales, proporcionando una visión integral del estado de la superficie. La aplicación futura de este sistema no solo se prevé en el ámbito de la caracterización de superficies, sino también en el desarrollo de sistemas de control de vehículos, optimizando los sistemas de frenos, tracción y estabilidad, especialmente en condiciones de baja adherencia. En este trabajo se muestran los resultados de ensayo realizados para validar la precisión y fiabilidad del sistema en comparación con los métodos tradicionales de referencia, como son péndulo británico o el método volumétrico. Para ello, se han realizado una serie de pruebas en diferentes tipos de superficies, evaluando su rendimiento bajo condiciones controladas. Los resultados obtenidos indican que el nuevo sistema ofrece una mayor consistencia y repetibilidad en las mediciones de adherencia, así como una mejor correlación con la rugosidad superficial. Gracias a todo esto, se espera lograr una caracterización de superficie más precisa y fiable. La validación comparativa con el péndulo británico muestra que el sistema desarrollado no solo mejora la consistencia y repetibilidad de los resultados obtenidos, sino que los supera en términos de rapidez y capacidad de adaptación a diferentes condiciones de superficie. Este hecho sugiere que el sistema propuesto podría convertirse en una herramienta clave para futuras investigaciones. En conclusión, el sistema desarrollado constituye un avance en la medición de adherencia y rugosidad de superficies, proporcionando una herramienta más precisa y eficiente para la caracterización de las superficies de rodadura. Esta mejora no solo permitirá optimizar el comportamiento dinámico de los vehículos, sino que también facilitará el desarrollo de normativas más rigurosas para la evaluación del estado y la seguridad de las carreteras.
Diseño de un Controlador Tolerante a Fallos en la Dirección mediante Vectorización de Torque para Vehículos Eléctricos
La seguridad en vehículos automóviles es un tema de creciente importancia especialmente ante el creciente desarrollo de sistemas electrónicos y de control avanzados, impulsados por el aumento del uso de los vehículos eléctricos y automatizados. Sin embargo, a medida que estos sistemas se vuelven más complejos por el incremento en la cantidad de componentes, la probabilidad de fallos también aumenta. Los potenciales fallos de funcionamiento en los actuadores, como el de dirección, pueden degradar el desempeño del vehículo, llegando incluso a comprometer la estabilidad y seguridad del mismo y por tanto de los pasajeros que lo ocupan. En este contexto, el presente trabajo propone el diseño de un controlador tolerante a fallos basado en la dinámica lateral de un vehículo, capaz de corregir la trayectoria del vehículo cuando este se desvíe debido a un mal funcionamiento en el sistema de dirección. El controlador diseñado en condiciones normales se encarga del control de la dirección del vehículo mediante el actuador de dirección convencional. En el momento en el que se detecte un fallo en dicho actuador, el sistema activa una estrategia de control basada en la vectorización de par. El controlador proporciona el momento total que se debe aplicar sobre el eje vertical del vehículo y a través de acciones coordinadas de frenado y/o aceleración, aprovechando las características de un vehículo eléctrico, en el cual es posible distribuir el par de manera independiente a cada una de las ruedas del vehículo. De esta manera, el controlador actúa de forma adaptable, manteniendo el control del vehículo y corrigiendo su trayectoria al redistribuir el par entre las ruedas, incluso cuando el sistema de dirección no funciona en condiciones óptimas. El controlador es diseñado robusto frente a las perturbaciones y mediante teoría de Lyapunov y utilizando una estrategia de politopos para tener en cuenta las no-linealidades del sistema como son la velocidad y las rigideces a deriva de los neumáticos. Estas últimas, aunque no se pueden medir, se tienen en cuenta para el diseño del controlador. La estabilidad del sistema en bucle cerrado es estudiada tanto para las situaciones en los que se producen fallos, como en los que el sistema funciona correctamente. Además, el controlador requiere únicamente información fácilmente obtenible mediante los sensores que se encuentran en vehículo comerciales, facilitando de esta manera su implementación en vehículos reales. Con el fin de validar la metodología propuesta, se realizan simulaciones utilizando el software de simulación de dinámica vehicular CarSim. Este programa permite modelar con precisión el comportamiento del vehículo en diversas condiciones de conducción. A través de estas simulaciones, realizadas en escenarios de conducción extrema donde una falla en el actuador podría afectar gravemente la estabilidad del vehículo, se exploran a fondo los límites operativos de la metodología propuesta
MODULe, una propuesta de vehículo eléctrico modular para el transporte urbano
Se resumen aquí los resultados del proyecto MODULe, destinado a demostrar la viabilidad técnica de un nuevo concepto de vehículo eléctrico aplicable al transporte urbano, con diseño modular que permite adaptar su configuración a cada aplicación, para optimizar su eficiencia y usabilidad. El proyecto parte de un prediseño previo, protegido como modelo de utilidad en 2019, para diseñar y construir prototipos funcionales a escala real en los que se reflejan los puntos clave de la tecnología, que han permitido validarla y optimizar las soluciones adoptadas. El concepto propuesto es totalmente novedoso, no existe actualmente en el mercado ninguna propuesta similar, que permita la fabricación modular de vehículos eléctricos, con configuración y zonas de carga adaptables a los requerimientos particulares de cada aplicación, aprovechando al máximo las posibilidades que ofrece la tracción eléctrica y la eliminación de parte de la cadena de transmisión mecánica. La propuesta permite además una fabricación multifásica, donde el vehículo ﬁnal se obtiene mediante la combinación de unos módulos principales estandarizados provenientes de una primera fase de fabricación, con otros personalizados añadidos por diferentes fabricantes en fases posteriores. Así, los módulos provenientes de la primera fase integran todos los sistemas principales del vehículo, incluyendo la tracción eléctrica y almacenamiento de energía. De esta forma, puede asegurarse el cumplimiento de los principales requisitos de seguridad exigibles, sin que se vean afectados por la adición de diferentes configuraciones de espacios de carga en fases posteriores. Como evolución del concepto, se ha propuesto y fabricado también un módulo compacto de tracción y almacenamiento de energía adaptable a la configuración tradicional de camión con largueros y plataforma de carga elevada, que puede ser de utilidad para la electrificación de vehículos usados con motor térmico. El proyecto MODULe ha sido financiado por la Agencia Valenciana de Innovación, dentro del programa de Valorización de Resultados de Investigación 2022 (INNVA1/2022/33)
Mejora de la Seguridad y el Confort en Vehículos Autónomos mediante Control Combinado de Seguimiento de Trayectoria y Balanceo
Gracias a los recientes avances en tecnologías de computación y comunicación, los sistemas de conducción automatizada han pasado de ser un concepto futurista a una realidad concreta. Entre las ventajas de los vehículos inteligentes destacan mejoras significativas en la seguridad y comodidad de los pasajeros, así como una mayor eficiencia energética. Por estas razones, la tecnología de vehículos sin conductor ha captado el interés de la comunidad académica y la industria, quienes ven en ella un área de gran potencial. Uno de los aspectos críticos en los sistemas de automatización de la conducción es el control de seguimiento de trayectoria, un tema central en la investigación actual. El control de seguimiento de trayectoria, o “trajectory tracking”, se enfoca en desarrollar leyes de control de dirección y velocidad que permitan guiar al vehículo a lo largo de una trayectoria de referencia, asegurando que se alcancen puntos específicos en tiempos determinados. Este enfoque difiere del control de seguimiento de trazado, o “path tracking”, que se centra únicamente en el control de la dirección del vehículo para mantenerlo en una ruta, sin considerar el tiempo de llegada a cada destino. Dado que los accidentes por vuelco tienen una tasa de mortalidad aproximadamente diez veces mayor que otros tipos de colisiones, es importante considerar la estabilidad de balanceo al diseñar controladores que afecten la dinámica lateral del vehículo. Para lograrlo, se pueden incorporar suspensiones activas o semiactivas, así como barras estabilizadoras activas, que generan un momento antivuelco para reducir el balanceo del vehículo y mejorar su estabilidad. Aunque existen estudios que abordan por separado el control de seguimiento de trayectoria y la estabilidad de balanceo, es común que ambos sistemas se diseñen sin considerar su acoplamiento mecánico, lo cual puede comprometer la seguridad general del vehículo. Además, la naturaleza no lineal de la dinámica del vehículo presenta desafíos adicionales para el diseño de una ley de control que garantice un comportamiento robusto del sistema, lo que hace necesaria la implementación de técnicas avanzadas, como el control con ganancias de parámetros variables lineales. En este trabajo, se propone un sistema de control de múltiples entradas y múltiples salidas (MIMO, multiple-input multiple-output) y variante en el tiempo, diseñado “offline” y que integra el control de seguimiento de trayectoria y la estabilidad de balanceo en un marco unificado. Este enfoque permite abordar ambos aspectos de manera conjunta para mejorar tanto el rendimiento como la seguridad del vehículo autónomo en condiciones de operación complejas.
Control de seguimiento de trayectoria durante maniobras evasivas de un vehículo usando MPC-offline y vectorización de par
El desarrollo de sistemas de automatización de la conducción ha aumentado considerablemente en los últimos años, buscando soluciones enfocadas principalmente en reducir el número y la gravedad de los accidentes de tráfico y disminuir el impacto medioambiental en el sector del transporte. Uno de los aspectos que más afectan al comportamiento del vehículo es cómo se realiza el control longitudinal y lateral del mismo para realizar el seguimiento de una trayectoria preplanificada. La mayoría de trabajos en este ámbito se enfocan en el diseño de controladores que trabajan en condiciones normales de conducción. Sin embargo, en el caso de situaciones de emergencia como maniobras evasivas, es necesario tener en cuenta la alta no-linealidad y el acoplamiento de las dinámicas longitudinal y lateral del vehículo, lo que transforma el problema de control en un reto complejo. El control predictivo basado en modelo, o “Model Predictive Control” (MPC), es una de las estrategias de control más usadas para el seguimiento de trayectoria de vehículos. Sin embargo, a medida que se requiere mayor fiabilidad en situaciones de conducción críticas, la complejidad de los modelos de vehículo aumenta junto con el tiempo de procesamiento “online”. Esto último puede comprometer la seguridad del vehículo en situaciones donde se requiere una respuesta muy rápida del controlador. Además, en maniobras evasivas de emergencia el vehículo se mueve cerca del límite de la estabilidad. Las acciones de control que se aplican en cada momento (giro de volante y par total aplicado en las ruedas) deben asegurar el mínimo error de seguimiento a la vez que se mantiene el vehículo dentro del límite de adherencia. En vista de las anteriores razones, se propone el diseño de un controlador MPC “offline” de seguimiento de trayectoria basado en un modelo combinado de vehículo con vectorización de par para su aplicación en maniobras evasivas de emergencia. La estabilidad del sistema en bucle cerrado se ha asegurado mediante un análisis de estabilidad usando funciones de Lyapunov y basado en la teoría de las elipses robustamente invariantes, obteniendo ganancias de control para un amplio rango de estados del vehículo. En tiempo real, el control se realiza en dos etapas. En primer lugar, se lleva a cabo una programación de ganancias en función de las mediciones y estimaciones de los estados del vehículo para generar el giro de las ruedas delanteras y el par necesarios para seguir la trayectoria y la velocidad de referencia. En la segunda etapa, se calcula el momento de guiñada necesario para reducir el error con la trayectoria de referencia sin que el vehículo sobrepase el límite de manejo mediante un control combinado de la velocidad de guiñada y el ángulo de deriva del vehículo. Por último, el par total calculado en la primera etapa se distribuye entre las cuatro ruedas para generar el momento de guiñada deseado. Se han realizado simulaciones en el software de simulación de dinámica vehicular Carsim donde se ha podido comprobar la superioridad del sistema de control propuesto en maniobras evasivas (doble cambio de carril) con asfalto húmedo frente a un control de seguimiento de trayectoria sin vectorización de par.
Estrategia Avanzada de Modelo Subrogado para la Cuantificación de la Incertidumbre en Pelotones de Vehículos Heterogéneos
El uso de pelotones de vehículos autónomos es una solución efectiva para reducir la congestión y el riesgo de colisiones, ya que permite que los vehículos circulen en formaciones estrechamente coordinadas, con velocidades sincronizadas y un espaciamiento optimizado. El objetivo de esta estrategia de transporte es ofrecer sistemas de movilidad por carretera que sean seguros, eficientes y sostenibles. Por tanto, es fundamental comprobar el grado de fiabilidad de los modelos de pelotón de vehículos para garantizar su correcto funcionamiento en escenarios reales. La variabilidad en la respuesta de uno de los vehículos puede alterar la eficacia prevista del pelotón, provocando ciclos de conducción de parada y arranque que pueden afectar a la estabilidad de la cadena de vehículos. Por tanto, es esencial comprobar el rendimiento del modelo de pelotón de vehículos autónomos en diferentes escenarios inciertos que incluyan incertidumbres internas y externas, como diferentes tipos de carreteras, condiciones meteorológicas y pesos de los vehículos. En entornos reales, puede ser difícil determinar cómo cambian los parámetros que afectan al modelo de pelotón, por lo que las simulaciones computacionales son una alternativa viable. Un método eficaz para ello es el método de Montecarlo, que permite generar muestras aleatorias a partir de parámetros inciertos para evaluar el comportamiento del pelotón de vehículos. Sin embargo, dependiendo de la complejidad del modelo, puede resultar costoso desde el punto de vista computacional ejecutar un gran número de reiteraciones. En este contexto, los modelos subrogados o metamodelos son la opción más adecuada, ya que permiten realizar un mayor número de simulaciones y garantizar que los resultados sean significativos y fiables. Este trabajo destaca la necesidad de realizar verificaciones rigurosas de los modelos heterogéneos de pelotones de vehículos para garantizar su solidez y eficacia en entornos inciertos. Para ello, se propone una estrategia basada en modelos subrogados que combina los modelos MISO (Multiple Input Single Output), NARX (Nonlinear Autoregressive Exogenous) e interpolación espacial Kriging. El modelo MISO-NARX permite relacionar la posición, velocidad y aceleración del vehículo líder con los errores de espaciado entre vehículos. Por otro lado, el interpolador de Kriging captura la variabilidad de los coeficientes MISO-NARX debido a la incertidumbre de los parámetros del modelo del pelotón de vehículos. La estrategia propuesta permite representar de manera eficiente y precisa las posibles respuestas dinámicas del sistema de pelotón de vehículos, lo que facilita un análisis exhaustivo y fiable de su incertidumbre.
Dimensionamiento de un vehículo híbrido con baterías de tracción y pila de combustible para aplicación aeroportuaria
El presente trabajo aborda la extensión de autonomía, mediante H2 comprimido y pila de combustible, de un vehículo sígame, probablemente más conocido por su nombre en inglés “follow me”. La estrategia de reducción de emisiones en un 55% para 2030 afecta a todos los sectores económicos y, en este caso, a la gestión aeroportuaria. La estrategia asume para el sector aéreo un 55% de aumento del uso de los combustibles verdes, como el Hidrogeno, en toda la actividad, incluida la aeroportuaria. Los vehículos sígame son un caso muy particular de la flota de vehículos de los aeropuertos. La función principal, casi única de estos vehículos, es la de dirigir las aeronaves en sus movimientos dentro de las instalaciones del aeropuerto. Se trata de un uso que presenta características muy particulares debidas a su función y precisando de una disponibilidad garantizada. Para asegurar la operatividad de los vehículos se necesita que la energía embarcada permita todos los servicios demandados durante las jornadas. La explotación de los aeropuertos implica que los vehículos sígame experimentan franjas horarias con ciclos de uso con gran potencia media combinados con ciclos mucho menos exigentes energéticamente. Esta variabilidad hace de las baterías, como única fuente de energía, un sistema ineficiente volumétrica y másicamente. Para resolver las particularidades de estos vehículos descritas se ha realizado un estudio de dimensionamiento y gestión energética que ha consistido en: primero la medición de los ciclos de trabajo V=f(t) de vehículos sígueme en el aeropuerto de Barajas, segundo dimensionamiento y optimización mediante modelos de simulación de dinámica longitudinal de los sistemas de almacenamiento (baterías y H2), tercero el diseño del sistema de alta tensión del vehículo con la selección de componentes, cuarto la disposición física en el vehículo mediante software 3D, quinto el prototipado del vehículo sobre una plataforma IVECO Masif para finalizar con la realización de pruebas de validación. La metodología seguida por el equipo investigador permite la extrapolación a otras tipologías de vehículos cuyas características particulares de funcionalidad hagan que las configuraciones habituales se alejen del óptimo. El trabajo presentado es resultado de las actividades del proyecto Strategic Positioning of the Community of Madrid in Green Hydrogen and Fuel Cell R&D+i (GREEN-H2). Proyecto coordinado desde la Comunidad de Madrid en el Plan Complementario de Energía e Hidrógeno Renovable en el marco del Plan de Recuperación, Transformación y Resiliencia.
Mejora de modelo simplificado para la simulación de motocicletas de competición eléctricas
En un trabajo anterior, los autores presentaron la herramienta SIMBIKE ELECTRIC, la cual permitía estimar las prestaciones globales, el consumo energético y los flujos de calor generados por los componentes eléctricos de una moto de competición eléctrica rodando en un circuito de velocidad. Esta herramienta utilizaba modelos muy simplificados tanto de la parte eléctrica y térmica como de la dinámica vehicular y estaba destinada a analizar de manera aproximada distintas configuraciones de geometría y puesta a punto básica de la motocicleta con el objetivo de optimizar su diseño y su uso. Durante la validación experimental de la herramienta se apreciaron una serie de aspectos susceptibles de mejora como son el modelo de piloto utilizado, la trazada realizada, la existencia de peralte lateral en algunas curvas o la bajada de ciertas prestaciones conforme desciende el voltaje de la batería. En base a lo anterior, se ha desarrollado una nueva versión de la herramienta SIMBIKE ELECTRIC que incorpora cambios en la discretización de la trazada en sectores, incorporando distintos tipos de curvas, en la dinámica vehicular y el modelo de piloto a utilizar en los sectores tipo curva y en el modelo eléctrico para conseguir un ajuste mejor a los resultados experimentales. Esta nueva versión se ha validado comparando los resultados de la simulación con los obtenidos por la motocicleta eléctrica del equipo de la Universidad de Oviedo en las pruebas dinámicas de la competición Motostudent Electric en el circuito de Motorland Aragón.
Diseño y Validación de un Controlador Predictivo No lineal Basado en Modelo aplicado al Seguimiento de Trayectorias de Vehículos Autónomos
El campo de los vehículos y la conducción autónoma se encuentra inmerso en un rápido crecimiento y expansión. Es por ello, que en el presente artículo se pretende diseñar un controlador predictivo que sea capaz de calcular el ángulo de dirección óptimo para poder seguir una trayectoria genérica, además de realizar trayectorias como el cambio de carril o el doble cambio de carril. Este tipo de controladores necesitan de un modelo interno que represente la dinámica longitudinal, lateral y la guiñada con precisión, el cual se describe mediante un conjunto de ecuaciones diferenciales de segundo orden que describen dicho comportamiento dinámico. A diferencia de otros tipos de controladores, el controlador predictivo requiere de la resolución de un problema de optimización para obtener la acción de control. La función de coste característica de la optimización se compone de un conjunto de matrices que, en su totalidad, describen el comportamiento del controlador predictivo. Se destaca la importancia de recoger el comportamiento dinámico del modelo en su forma matricial. Para ello, se debe someter al conjunto de ecuaciones diferenciales a un proceso matemático de linealización, obteniendo la representación en espacio de estados del modelo. Una vez representado en su forma matricial, se construyen el resto de matrices de la optimización a partir de estas. En la resolución del problema de seguimiento de trayectorias, es habitual el uso de modelos de vehículo simplificados que asumen un comportamiento del neumático lineal. Donde las fuerzas laterales y longitudinales de estos son proporcionales al ángulo de deriva. La aplicación de los modelos simplificados y lineales tienen ciertas limitaciones para ángulos de deslizamientos muy elevados, donde el neumático pierde la linealidad en la que se fundamenta el modelo. Por tanto, estos modelos simplificados no reproducen adecuadamente el comportamiento del vehículo en situaciones de emergencia o maniobras evasivas. En el presente artículo, se propone el uso de un modelo no lineal basado en el modelo de neumático de Dugoff, el cual asume que la rigidez del neumático no es constante, y que es función de los ángulos de deslizamiento longitudinal y lateral de las ruedas. Finalmente, se realiza una comparativa con un controlador lineal, demostrando el potencial de aplicar un modelo más complejo al control de seguimiento de trayectorias. También se comparará el coste computacional de ambos y la capacidad de realizar simulaciones en tiempo real.
Detección y seguimiento de entidades de alta reflectividad en tiempo real mediante clustering adaptativo de nubes de puntos de LiDAR 3D
Los algoritmos modernos de SLAM integran información semántica para mejorar la comprensión del entorno. La detección y segmentación de entidades características clave permiten una localización y un mapeo más precisos en entornos complejos como los que se enfrenta un vehículo parcial o totalmente automatizado. Los algoritmos de SLAM semántico actuales no aprovechan completamente las características de los sensores LiDAR 3D como la reflectividad. En este trabajo se presenta un sistema integral para la detección y seguimiento en tiempo real de entidades de alta reflectividad como letreros, matrículas y señales de tráfico, utilizando datos de nubes de puntos provenientes de sensores LiDAR 3D. El uso de esta información para filtrar y rastrear objetos con alta reflectividad ha sido poco explorado en la literatura. Integrar la reflectividad mejora la precisión en la detección de objetos en entornos complejos a un coste computacional relativamente bajo. El enfoque se fundamenta en procesar los datos de LiDAR para identificar y rastrear clústeres a lo largo del tiempo. Inicialmente, se aplica un filtrado a los datos de la nube de puntos basado en un umbral de reflectividad. Este proceso elimina los puntos que no tienen interés disminuyendo notablemente la densidad de la muestra original para el análisis a objetos de alta reflectividad, mejorando la eficiencia y precisión del procesamiento. Además, se emplea el algoritmo DBSCAN adaptado para funcionar en una segmentación regional para optimizar la identificación de clústeres en diversas zonas del espacio el cual se divide en regiones mediante umbrales de distancia, permitiendo ajustar dinámicamente los parámetros de clustering para mejorar la detección tanto de objetos cercanos como lejanos en los cuales la distancia y cantidad de puntos varían en función de la distancia al sensor. Para el seguimiento de objetos, el sistema asocia clústeres detectados en secuencias temporales basándose en la proximidad espacial. Se utiliza la marca de tiempo de la nube de puntos para determinar de manera precisa la diferencia de tiempo entre mediciones permitiendo estimar la velocidad instantánea de los objetos que han sido rastreados durante un número suficiente de escaneos LiDAR; esto permite determinar la persistencia de cada objeto, asegurando que solo los objetos relevantes sean considerados, eliminando falsos clústeres. Los resultados demuestran la efectividad del sistema en entornos dinámicos reales de carretera, siendo capaz de detectar y seguir múltiples objetos de alta reflectividad en tiempo real, demostrando ser eficiente y robusto al manejar correctamente los casos sin detecciones, evitando conflictos en la gestión de identificadores de clústeres. A su vez, tras esta identificación, se pueden plantear clasificaciones más finas para incrementar la precisión en las estimaciones de posicionamiento y mejorar la calidad de la reconstrucción del entorno.
Comparación de coeficiente de rodadura de neumático mediante metodología convencional y banco de ensayos de tracción-compresión.
La resistencia a la rodadura es uno de los factores más influyentes en el consumo energético de un automóvil. Los fabricantes de neumáticos invierten numerosos recursos en minimizar esta pérdida energética, así cómo en su cuantificación y etiquetado. Para los consumidores, y para los investigadores de vehículos, poder determinar en qué categoría energética se encuentra un neumático es un dato clave a la hora de elegir uno u otro. La resistencia a la rodadura se suele caracterizar mediante un coeficiente de resistencia a la rodadura, que es la relación entre la carga del neumático y la resistencia que ofrece a rodar. Para determinar este coeficiente existe un método normalizado que permite conocer su valor aproximado, sobre todo de cara a compararlo con otros neumáticos. Este valor permite etiquetar el neumático según su categoría energética de una escala normalizada. El principal inconveniente es que este método requiere de una gran cantidad de recursos y tiempo para la realización de los ensayos necesarios. En trabajos anteriores, el grupo de investigación se propuso la idea de calcular el coeficiente de resistencia a la rodadura de un neumático mediante un método más rápido, barato y no tan sensible a condiciones ambientales como el método convencional. Este método hace uso de un banco de tracción-compresión vertical. Para llevarlo a cabo, se somete el neumático de estudio a una fuerza vertical aplicada a una determinada frecuencia y con una presión de inflado concreta, equivalentes a las del método normalizado, y se mide la energía de deformación que ofrece el neumático. Conociendo está energía, se calcula el coeficiente de resistencia a la rodadura mediante un modelo matemático. Para validar los resultados del ensayo es necesario que se realicen ensayos a un mismo neumático mediante las diferentes metodologías y se comparen los coeficientes de resistencia a la rodadura resultantes con objeto de poder etiquetar dicho neumático en la categoría correspondiente. La realización de los ensayos requiere, por una parte, del diseño, construcción y puesta a punto de todo el utillaje necesario para adaptar, al banco de tracción-compresión, una llanta de coche de medidas iguales a las del ensayo normalizado. Posteriormente, es necesario programar y realizar dicho ensayo; y por otra parte, de la realización de un ensayo normalizado en el banco tradicional. En este trabajo se desarrollará todo el proceso necesario para la realización de ambos ensayos, así como las conclusiones de los resultados obtenidos.
Análisis y mitigación de fallos potenciales en el funcionamiento de un vehículo altamente automatizado
Los vehículos tienen cada vez mayores sistemas de asistencia cuya integración coordinada conducen a niveles de automatización crecientes con lo que pueden abordar tareas de mayor dificultad. Sin embargo, cuando se plantean sistemas de nivel SAE 4 en escenarios complejos, todavía aparecen numerosas incertidumbres en cómo pueden abordar ciertas tareas de conducción asumiendo que el trasvase inmediato del control al conductor no es una alternativa viable. Por ello, en este trabajo se plantea un estudio sistemático de riesgos de las diferentes capas de la arquitectura de un vehículo automatizado. En este análisis se incluyen tanto causas de fallo internas del propio sistema como externas del escenario, y se valora qué medidas debe adoptar el vehículo para detectar de forma automática esos comportamientos anómalos y cómo reaccionar en consecuencia. Este análisis de riesgos tiene implicaciones claras en la certificación de estos vehículos para su circulación en vías abiertas al tráfico según lo requerido en la Instrucción VEH 2022/07 para la autorización de pruebas o ensayos de investigación realizados con vehículos de conducción automatizada en vías abiertas al tráfico en general publicada por la Dirección General de Tráfico. Así, ante un trasvase de la responsabilidad del conductor al sistema, resulta clave la definición concreta de la respuesta de fallback y la maniobra de riesgo mínimo en cada situación, concepto genérico que debe materializarse en decisiones concretas por parte del sistema. De esta forma, se pretende dar un paso adicional sobre el planteamiento de pruebas básicas estandarizadas para certificación que se especifican en la normativa vigente que mantienen todavía una fuerte dependencia de la responsabilidad última que recae en el operador. Estos análisis conceptuales de riesgos se han aplicado sobre diferentes tipologías de vehículos como vehículos de transporte colectivo en entornos restringidos y urbanos, o vehículos destinados a servicios urbanos (por ejemplo, limpieza). Así, se han implementado las medidas de detección de fallos y maniobras de riesgo mínimo en la arquitectura de decisión del vehículo, y se han definido y ejecutado las pruebas con el fin de verificar su correcto (seguro) funcionamiento en condiciones adversas y así certificar que pueden circular interactuando con tráfico real. De igual forma, se analiza un caso particular no explicitado hasta la fecha en la normativa actual como es la función de teleguiado, complementando la de monitorización remota, sí contemplada, pero de forma genérica. Como conclusión, se ha comprobado cómo, sobre los análisis de riesgos, se pueden plantear e implementar soluciones de decisión y actuación seguras, cuyo funcionamiento es demostrado de forma práctica.
Impacto del reparto de par en la eficiencia mecánica de vehículos eléctricos
La energía mecánica necesaria para mover un vehículo se emplea en obtener un trabajo útil (aceleración y ascenso de pendientes en el trayecto) y en vencer resistencias al avance de diferente naturaleza. Estas incluyen resistencias aerodinámicas, resistencias asociadas a la rodadura en los neumáticos, resistencias asociadas la deriva y deslizamiento lateral y longitudinal en el neumático y pérdidas asociadas a toda la cadena cinemática del vehículo, desde el motor a las ruedas. Mejorar la eficiencia energética mecánica de un vehículo implica actuar sobre alguno de los factores que suponen resistencias al avance. Entre las estrategias que favorecen esta mejora se encuentran el diseño de vehículos con bajos coeficientes de arrastre aerodinámico, áreas frontales reducidas, el uso de lubricantes de altas prestaciones y neumáticos con baja resistencia a la rodadura. Parte de las pérdidas energéticas en el neumático están relacionadas con el deslizamiento longitudinal y la deriva lateral de este. En este contexto, un aspecto menos estudiado que impacta sobre el rendimiento del vehículo está relacionado con el control del par entregado a los neumáticos, especialmente durante el paso por curva. Este factor es particularmente relevante en vehículos que permiten gestionar de forma independiente el par aplicado a cada rueda de un eje motriz. En este trabajo se presenta un modelo que permite determinar las pérdidas mecánicas en el vehículo en función de la velocidad, el radio de curvatura y el reparto de par entre ruedas motrices. Para ello se ha empleado el software de simulación Adams Car. Además de evaluar las pérdidas energéticas, se ha analizado la estabilidad del vehículo con el objetivo de garantizar que no se comprometa su comportamiento dinámico. Los resultados obtenidos muestran como un adecuado reparto del par entre las ruedas puede conseguir reducir las pérdidas energéticas asociadas al neumático, incrementando así la eficiencia energética del vehículo en comparación con los sistemas convencionales de tracción, que entregan el mismo par a ambas ruedas de un mismo eje motriz.
Nueva metodología de ensayo de limitación de velocidad para vehículos (L1/L1e) de dos ruedas en ITV
En este trabajo se desarrolla una metodología para mejorar el procedimiento de ensayo estático en las Estaciones ITV del territorio nacional que se realiza para determinar el valor de la velocidad máxima de un vehículo ciclomotor de dos ruedas (categoría L1 / L1e). El procedimiento actual se describe en el apartado-capítulo 10.05 de la Sección II del Manual de Procedimiento de Estaciones ITV del Ministerio de Industria, puesto en vigor en junio del 2006. Se plantean dos líneas de investigación: la mejora del equipo de inspección velocidad máxima y la mejora del procedimiento de ensayo de velocidad máxima. Se comenzó estudiando la influencia de las principales variables que afectan al resultado del ensayo. En el vehículo ciclomotor, presión de inflado de rueda tractora y estado de carga del ciclomotor. En el equipo velocímetro de rodillos libres, distancia entre rodillos. Y las condiciones de ejecución, variación de la inclinación del plano entre ruedas. El número total de ensayos efectuados ha sido de n= 144 ensayos estáticos, que repitiéndose en dos días con diferentes condiciones de presión, temperatura y humedad relativa eleva los ensayos a n=288. Los datos resultantes demuestran que el actual procedimiento de inspección no es adecuado, hay una alta variabilidad de resultados, en función de las variables de influencia estudiadas, hasta un orden de 12 km/h, para un mismo ciclomotor. Tras el diseño, cálculo y construcción del prototipo de velocímetro de banda de rodadura con rodillos libres, registro ES1308651 como Modelo de Utilidad en la OEPM del Ministerio de Industria, se ha conseguido disminuir la variabilidad de la velocidad máxima resultante hasta en un 75%, eliminando la influencia de variables asociadas al equipo velocímetro y de condiciones de ejecución de ensayo.
Metodología para la vinculación de datos de tráfico vehicular con datos meteorológicos utilizando la fórmula de Haversine
Este trabajo describe la metodología desarrollada para vincular los datos de velocidad registrados en puntos de aforo ubicados en diversas carreteras, con los datos meteorológicos captados por estaciones meteorológicas cercanas. La metodología de obtención del indicador de velocidad de flujo libre sigue los lineamientos del proyecto europeo Trendline (2022-2025) en el que participa España entre otros países europeos, requiere para su determinación la selección de las mediciones de velocidad en condiciones meteorológicas favorables. Este trabajo se inscribe en el proyecto de obtención del indicador de velocidad de flujo libre y otros estadísticos de la velocidad para la Dirección General de Tráfico, que se ha denominado KPI-VFL 2024.
Determinación de la profundidad de rebaje óptima para reductoras planetarias
En engranajes de transmisión de potencia, las deformaciones de los dientes inducidas por la carga provocan un adelanto del inicio del contacto y un retardo en la finalización del mismo. Ello revela la existencia de un impacto de inicio de engrane y de un empuje de finalización. Ambos contactos se producen fuera de la línea de presión y, por tanto, entre puntos no conjugados de los perfiles, lo que influye negativamente en la suavidad y continuidad del engrane. Sin embargo, no son ambos igualmente nocivos, pues el impacto de inicio supone la presencia de un choque entre la base del diente conductor y la cabeza del diente conducido, que es origen de sobrecarga dinámica, ruido y vibraciones. Para evitar el impacto de inicio se puede introducir un rebaje de punta en la rueda conducida, lo que retrasa el inicio del contacto, tanto más cuanto más profundo sea el rebaje. La profundidad ideal es la que desplaza el punto de inicio de contacto efectivo al punto teórico, pues profundidades menores reducen pero no eliminan del todo el impacto de inicio, y profundidades mayores, aunque lo eliminan por completo, reducen el intervalo de contacto y, por tanto, el grado de recubrimiento. Lo anterior plantea un problema en el caso de engranajes planetarios debido a que la profundidad de rebaje ideal –también llamada profundidad ajustada– en el engrane planeta-corona no tiene por qué ser la misma que en el engrane planeta-sol. En el caso de una etapa multiplicadora, como las de los aerogeneradores, el par entra por el porta-planetas y el planeta es la rueda conductora en ambos engranes, con el anillo y con el sol, de manera que, como los rebajes se han de aplicar en las ruedas conducidas –el anillo y el sol–, se pueden practicar con la profundidad requerida en cada caso. En cambio, en etapas planetarias reductoras, muy frecuentes en vehículos eléctricos con motor en rueda, el rebaje se ha de aplicar al planeta, y la profundidad de rebaje se puede ajustar, a lo sumo, para uno de los engranes, pero no para los dos. En este trabajo se presenta un estudio de la influencia de la profundidad de rebaje del planeta en etapas reductoras de engranajes planetarios rectos, resultado del cual se establece una propuesta de profundidad de rebaje óptima, entendiendo por tal la que hace mínima la amplitud pico-pico del error de transmisión, y por lo tanto la sobrecarga dinámica inducida.
Procedimiento de resolución del problema cinemático directo del hexápodo flexible 6-PFS
En los últimos años, están surgiendo cada vez más líneas de investigación en el ámbito de los manipuladores paralelos flexibles. Estos manipuladores flexibles comparten ciertas similitudes con sus homólogos rígidos, como pueden ser la multiplicidad de soluciones del problema cinemático directo, denominadas comúnmente modos de ensamblado. Si bien en los mecanismos flexibles planos ya existen métodos, en general numéricos, para obtener los modos de ensamblado del mecanismo, hasta ahora no se abordado esta problemática en el caso de los espaciales. En este artículo, los autores presentan un procedimiento de resolución de los diferentes modos de ensamblado del hexápodo flexible 6-PFS. Dicho manipulador constituye la versión flexible de la clásica plataforma paralela Gough-Stewart, sustituyendo las cadenas cinemáticas prismáticas de la versión clásica, por unas barras esbeltas flexibles actuadas mediante guías lineales en su extremo inferior y conectadas a la plataforma móvil por pares esféricos en su extremo superior. La resolución del problema cinemático directo de este hexápodo flexible implica resolver un sistema de ecuaciones diferenciales que aseguran el cumplimiento de dos condiciones; por un lado, la condición de ensamblado geométrico, y por otro, la condición de equilibrio estático. El procedimiento propuesto en este trabajo es un método de resolución de carácter numérico en el que se distinguen dos etapas. En una etapa inicial, imponiendo la condición de que las deformadas de cada barra se mantengan en su plano de referencia, se resolverán las soluciones posibles asociadas a la localización de la plataforma móvil mediante el modelo de deformación de Kirchhoff. En una etapa posterior, y utilizando como punto de partida cada una de las soluciones previamente obtenidas, se irá alterando la localización de la plataforma móvil y se buscará aquella solución para la cual las dos condiciones de ensamblado geométrico y equilibrio estático se cumplen. La fase de variación de la localización de la plataforma móvil se puede abordar a su vez de dos formas diferentes: o bien estableciendo una determinada trayectoria que debe trazar la plataforma móvil, o bien estableciendo una propagación radial automática desde la configuración centrada hasta el extremo de un radio de acción que el usuario establezca. El método propuesto en este trabajo nos permite obtener múltiples soluciones o modos de ensamblado del hexápodo flexible, objetivo que hasta ahora no se había conseguido en el campo de los manipuladores paralelos espaciales flexibles.
Determinación del dominio de contacto y reparto de carga en engranajes cónicos de evolvente de dientes rectos y ejes paralelos
Los engranajes cónicos de evolvente, también conocidos como engranajes beveloides, son engranajes rectos o helicoidales cuyo radio de cabeza varía linealmente a lo largo del ancho del diente. Aunque el aspecto es el de un engranaje cónico, sus secciones transversales presentan la geometría de un engranaje recto, si bien el radio de cabeza, el radio de pie y el factor de desplazamiento son diferentes en cada una. Particular interés tienen los engranajes beveloides de ejes paralelos, y por tanto con igual ángulo de cono en piñón y rueda pero con ambos conos invertidos, porque permiten controlar la holgura con pequeños desplazamientos axiales. Son, por ello, muy utilizados en posicionadores y aplicaciones de robótica. Debido a los diferentes radios de cabeza y desplazamientos en cada sección transversal, los puntos de inicio y finalización de engrane son distintos en cada una, lo que traduce en que cada sección comienza y finaliza su engrane en un instante –o en una posición de engrane– también diferente. Consecuencia de ello es que, a pesar de tratarse de engranajes de dientes rectos, presentan un grado de recubrimiento axial que influye en las condiciones de contacto, condiciones que serán a su vez determinantes para la estimación de las condiciones de carga y resistencia. Por otro lado, aunque en este tipo de transmisiones el ángulo de cono es pequeño –por lo general, por debajo de 5º–, las variaciones ocasionadas por la propia geometría en los factores de desplazamiento pueden ser suficientemente grandes para presentar problemas de penetración o apuntamiento en los dientes, incluso para anchos de cara pequeños, lo que también ha de tomarse en consideración para la determinación de los intervalos de contacto en cada posición de engrane. En este trabajo se presenta un estudio del dominio de contacto y el reparto de carga en engranajes beveloides de dientes rectos y ejes paralelos, que toma en consideración la influencia de la aparición de penetración o apuntamiento en los dientes. Se presentan, asimismo, ecuaciones aproximadas para la determinación del radio de apuntamiento y del radio de cabeza para un espesor preestablecido, necesarias para introducir las correcciones apropiadas en la geometría del engrane.
Caracterización del espacio de trabajo de una nueva familia de manipuladores paralelos 2T2R
Este trabajo de investigación presenta una metodología para el cálculo y la caracterización del espacio de trabajo de una familia novedosa de manipuladores paralelos capaces de realizar 2 traslaciones (2T) y 2 rotaciones (2R) requeridas en un amplio abanico de aplicaciones del ámbito industrial, aeronáutico y de la rehabilitación. Debido a su similitud cinemática, la metodología da lugar a resultados análogos para cada uno de los manipuladores que conforman la familia, por ende, a lo largo del trabajo se toma como ejemplo ilustrativo un único manipulador. En concreto, uno de topología simétrica y novedosa hasta la fecha (2RRU-2RSS).En primer lugar, se describen las variables cinemáticas de entrada-salida asociadas al manipulador objeto de estudio, y se plantean las coordenadas de sus pares cinemáticos en función de estas. Posteriormente, se enumeran las diferentes variantes topológicas que dan lugar a los mecanismos cinemáticamente equivalentes que conforman esta familia y para los cuales son extrapolables las conclusiones alcanzadas. A continuación, se propone una metodología con un enfoque de carácter geométrico para obtener el espacio de trabajo individual de cada cadena, a partir de las expresiones analíticas del lugar geométrico de sus singularidades. Finalmente, haciendo uso de dichas expresiones y aplicando un método analítico-gráfico de desarrollo propio en MATLAB, se obtiene el espacio de trabajo del mecanismo completo. Además de que el método presenta un coste computacional inferior a aquellos de uso habitual, el hecho de calcular individualmente el espacio de trabajo de cada cadena, no sólo permite observar la influencia o el efecto de cada una de ellas en las fronteras del espacio de trabajo resultante, sino que posibilita caracterizar geométricamente el tamaño y la forma del mismo en función de todos los parámetros dimensionales y la orientación del elemento terminal, lo que resulta de gran utilidad para el proceso de síntesis dimensional y optimización.
Optimización de la distribución de carga interna en husillos a bolas
Los husillos a bolas son actuadores lineales de altas prestaciones empleados en diversas aplicaciones. Estas pueden ir desde aplicaciones de alta precisión, como puede ser el posicionado de ejes en máquina herramienta, hasta aplicaciones de alta fuerza de empuje siendo estos elementos sustitutos de cilindros hidráulicos. En estas últimas se acentúa el efecto de la no-uniformidad de carga interna. La no-uniformidad de carga interna, implica entre otros aspectos que hay bolas sobrecargadas respecto a la carga media, que a su vez afectan a la vida útil del componente. Otro riesgo existente es la posibilidad de tener bolas con muy baja carga o completamente descargadas, lo que puede conducir a una rodadura deficiente o deslizamientos excesivos. En la bibliografía, existen trabajos que analizan el problema, desde una perspectiva teórica y en menor medida experimentalmente. En ellos quedan patentes ciertos aspectos, como la clasificación de la no-uniformidad en dos categorías: global y local y la influencia de diferentes variables geométricas, destacando el factor de esbeltez del husillo como la más influyente. No obstante, con el fin de mitigar los efectos negativos de la no-uniformidad se han encontrado pocas soluciones más allá de sugerencias de aplicar errores puntuales, cambiar el tamaño de bolas o modificar la sección externa de la tuerca como indican diferentes patentes de algunos fabricantes. En este trabajo se presentan diferentes soluciones de optimización de la distribución de la carga interna en husillos a bolas. Se destacan tres métodos de optimización: i) por paso variable corregido, ii) por desplazamiento de bolas y iii) por diseño de tuerca doble en serie. Con las propuestas de optimización presentadas se puede llegar a reducir la no-uniformidad global en un 57% en sus valores de carga pico.
Influencia experimental de las fuerzas de anclaje en la eficiencia y deslizamiento en transmisiones CVT tipo toroidales
Las transmisiones variables continuas tipo toroidales transmiten el par mediante fuerzas de tracción (fricción) sobre contactos puntuales, altamente cargados, rodantes y lubricados. La mayor peculiaridad de este tipo de mecanismos reside en que la tracción lubricada se rige por las tensiones a cortadura de la película de lubricante, que está directamente relacionada con el deslizamiento longitudinal (SRR) entre discos y rodillos. Con el objetivo de maximizar eficiencia y potencia transferible se controlan las fuerzas de anclaje (fuerza normal) de manera que se controla el deslizamiento que ocurre en los puntos de contacto. Se conoce que cuando las fuerzas de anclaje son excesivas o insuficientes la eficiencia decrece, por lo que es importante controlar las fuerzas con el objetivo de aumentar la eficiencia. En este estudio se ha diseñado y fabricado un prototipo de CVT tipo toroidal donde las fuerzas de anclaje pueden ser controlados independientemente mediante dos cilindros hidráulicos que adaptan la presión hidráulica y por ende la fuerza normal que actúa en cada punto de contacto. El prototipo diseñado consta de tres rodillos en una única cavidad toroidal que se encargan de transmitir el par del disco de entrada al de salida. Los ejes de rotación e inclinación de los rodillos se han alineado con los ejes de giro de los discos de entrada y salida. El comportamiento de la transmisión se ha medido en un banco de ensayos que consta de dos motores eléctricos síncronos, (uno que trabaja en modo motor y otro en modo freno). El motor define la velocidad de entrada, por lo que adapta el par necesario para mantenerla, y el generador determina el par de frenada y la velocidad se auto-estabiliza en la condición de equilibrio de las fuerzas de tracción. Los resultados muestran que, manteniendo las fuerzas de anclaje, a medida que aumenta el par el deslizamiento longitudinal aumenta gradualmente hasta cierta condición donde el deslizamiento aumenta descontroladamente (condición donde el coeficiente de tracción necesario es demasiado alto). Similarmente, manteniendo el par y aumentando las fuerzas de anclaje el deslizamiento decrece. Esta tendencia coincide con el comportamiento del lubricante, lo cual explica la posición del coeficiente de fricción en la curva de tracción. Además, los resultados muestran la importancia de anclar el punto de entrada correctamente dado que afecta considerablemente a la energía que llega al punto de salida; que magnifica la reducción de eficiencia como consecuencia de la sobrecarga de fuerzas.
Comparativa del modelado de engranajes por elementos finitos en software comercial y open-source
El análisis de engranajes mediante modelos de elementos finitos (FEM) es cada vez más empleado para optimizar parámetros geométricos y evaluar tensiones de contacto y en el pie. Sin embargo, no existe una guía común para la selección de software en estas simulaciones. Los trabajos en la literatura suelen apoyarse principalmente en herramientas comerciales como Abaqus y Ansys, seguidas de otras opciones comerciales como Marc, mientras que el uso de open-source, como Calculix, es mucho más limitado. No obstante, la mayoría de estos estudios validan sus resultados solo de manera general, sin detallar parámetros específicos como el algoritmo de contacto o las configuraciones técnicas del software, lo cual complica la selección del programa para ingenieros y académicos que buscan resultados precisos y reproducibles. En este estudio se realiza un análisis comparativo de los principales programas empleados para el análisis de elementos finitos de engranajes. Se evalúan los resultados en un modelo 2D de una pareja de engranajes, comparando las simulaciones con los estándares ISO 6336 y AGMA 2101, con el objetivo de identificar las configuraciones y algoritmos de contacto óptimos. Este trabajo pretende ofrecer una base clara y objetiva para la selección de software y parámetros en futuros análisis de engranajes mediante elementos finitos. Asimismo, se pretende demostrar que, con la correcta configuración de los parámetros de simulación, programas de open-source, como Calculix, pueden ofrecer resultados válidos y confiables, brindando una alternativa interesante para su utilización en el estudio de engranajes.
Modelización del contacto y desgaste de rótulas radiales empleadas en automoción
Las rotulas son elementos mecánicos que permiten conectar componentes de un mecanismo restringiendo los grados de libertad relativos de translación, mientras permiten los giros relativos entre componentes. Las rótulas de automoción están formadas principalmente por tres componentes diferentes, una carcasa de acero, un casquillo polimérico y una bola esférica metálica, que está unida a una varilla roscada. La rigidez de las rótulas influye en la rigidez de todo el mecanismo; por lo tanto, es deseable maximizar la rigidez de las rótulas para evitar la inclusión de puntos con baja rigidez que podrían cambiar el comportamiento del mecanismo. El valor de rigidez depende de las propiedades de los materiales, los espesores y las interferencias de montaje. La interferencia crea una precarga, por lo que aumenta la rigidez, pero a costa de aumentar también los pares de fricción, lo cual no es deseable, ya que las rótulas deben transferir las fuerzas, pero no los pares. A lo largo de su vida útil, las rótulas están sujetas a diversas condiciones mecánicas y térmicas, lo que puede dar lugar a fallos por múltiples razones. Una causa potencial de estos fallos es el desgaste de los materiales poliméricos empleados en su fabricación. A pesar del uso de polímeros de baja fricción y lubricantes, el desgaste en las rótulas es inevitable. Este desgaste conlleva una disminución de la rigidez de la unión, particularmente en la dirección axial, lo que impacta negativamente en el comportamiento dinámico y el confort del vehículo. Actualmente, existen pocos estudios que aborden la predicción de la pérdida de rigidez tras un determinado ciclo de desgaste. En el presente trabajo, se propone un modelo de elementos finitos que prediga el desgaste de una rótula empleada en automoción durante su ciclo de vida. El modelo incluye un algoritmo iterativo de desgaste no uniforme, el cual se implementa en el contacto con una subrutina, que actualiza la superficie de contacto a lo largo del tiempo. Después de simular la prueba de desgaste, se realizan los cálculos de rigidez y par. Los resultados obtenidos se validan experimentalmente con ensayos realizados en piezas reales, las cuales han sido sometidas inicialmente a pruebas de desgaste y posteriormente a ensayos de rigidez y par.
Síntesis de un mecanismo flexible como pata de un robot caminador
Los mecanismos rígidos tradicionales presentan limitaciones como desgaste mecánico, holgura, mayor número de piezas, peso elevado, costo y tiempo de ensamblaje prolongados, así como la necesidad de mantenimiento regular. La reducción de estos inconvenientes permite mejorar el rendimiento, la eficiencia y la viabilidad económica de los sistemas mecánicos. Los mecanismos flexibles han demostrado ser una alternativa prometedora en múltiples disciplinas, incluyendo biomecánica, robótica y electrónica, al basar su movimiento en la flexión controlada de sus elementos en lugar de depender de articulaciones cinemáticas convencionales. No obstante, el desafío radica en seleccionar y optimizar la geometría y configuración de las uniones flexibles para cada aplicación específica. Este trabajo se centra en el diseño y la síntesis de un mecanismo flexible destinado a actuar como pata de un robot caminador, orientado a aplicaciones donde la adaptabilidad y la eficiencia energética son esenciales. Se propone un diseño inspirado en mecanismos de flexión controlada, que combina elementos elásticos con estructuras rígidas, permitiendo una amortiguación pasiva y adaptativa al terreno. La metodología se basa en la integración de materiales de baja rigidez y geometrías especializadas, que proporcionan al mecanismo una capacidad de movimiento de múltiples grados de libertad sin necesidad de actuadores adicionales. Para lograrlo, se analizan distintos enfoques de diseño bioinspirados, aplicando principios de síntesis de mecanismos y optimización estructural, con el fin de obtener un balance entre estabilidad y flexibilidad en las distintas fases del ciclo de marcha del robot. Los resultados de simulaciones y pruebas experimentales confirman que el mecanismo propuesto mejora la locomoción autónoma en terrenos irregulares sin la complejidad de sistemas de control avanzados. Con este desarrollo, se propone una alternativa innovadora para la locomoción robótica con potencial aplicación en robots de exploración y rescate que requieren movilidad autónoma en entornos impredecibles. Este proyecto aborda el diseño y la síntesis de un mecanismo flexible destinado a funcionar como pata de un robot caminador, orientado a aplicaciones donde la adaptabilidad y la eficiencia energética son esenciales. Se propone un diseño inspirado en mecanismos de flexión controlada, que combina elementos elásticos con estructuras rígidas, permitiendo una amortiguación pasiva y adaptativa al terreno. La metodología se basa en la integración de materiales de baja rigidez y geometrías especializadas, que proporcionan al mecanismo una capacidad de movimiento en múltiples grados de libertad sin necesidad de actuadores complejos. Para lograrlo, se analizan distintos enfoques de diseño bioinspirados, aplicando principios de síntesis de mecanismos y optimización estructural, con el fin de obtener un balance entre estabilidad y flexibilidad en las distintas fases del ciclo de marcha del robot. Con este desarrollo, se propone una alternativa innovadora para la locomoción robótica con potencial aplicación en robots de exploración y rescate que requieren movilidad autónoma en entornos impredecibles.
Modelo térmico-dinámico acoplado para engranajes rectos de alta velocidad
El desarrollo de transmisiones a engranajes para aplicaciones aeronáuticas de alta velocidad de hasta 80.000 rpm implica el tratamiento de fenómenos térmicos y dinámicos además de los análisis de la distribución de carga, el error de transmisión y las tensiones habituales. La elevada velocidad de giro repercute no sólo en la magnitud de las excitaciones y el de número resonancias, si no también en el incremento de calor generado en el sistema como consecuencia de un mayor deslizamiento. Este calor provoca a su vez la distorsión geométrica de la pareja de engranajes, modificando la distribución de carga y reduciendo el juego disponible; lo que afecta a las cargas dinámicas y el error de transmisión de manera continua. En determinadas condiciones como el fallo del sistema de lubricación, este proceso puede volverse inestable tal y como han demostrado diversos estudios experimentales acelerando el fallo total de la transmisión En este trabajo se presenta un modelo térmico-dinámico acoplado de parámetros concentrados que permite la modelización de contactos de engranajes rectos resolviendo simultáneamente la ecuación de movimiento, la distribución de carga y la difusión de calor, acopladas mediante la ecuación de distorsión térmica. Los resultados confirman las observaciones experimentales de la literatura científica apuntando a la diferencia de temperatura entre piñón y rueda como el factor fundamental en el cambio de la respuesta dinámica, seguida de la reducción de juego provocada por las dilataciones. Finalmente, este trabajo identifica las condiciones operativas que conllevan el colapso de la transmisión y proporciona recomendaciones para evitarlas, prolongando así su vida útil.
Cálculo de la eficiencia en actuadores rotatorios de engranajes mediante el análisis teórico y computacional
Hoy en día se está produciendo una transición hacia la electrificación en diversos sectores del transporte, fruto de un desarrollo en la tecnología de los motores eléctricos y en los sistemas de almacenamiento de energía eléctrica. Esto ha llevado a la necesidad de aplicar transmisiones mecánicas con elevada relación de transmisión, muy compactas y eficientes. Los actuadores rotatorios basados en engranajes son transmisiones epicicloidales donde se prescinde del brazo porta-satélites con el fin de conseguir una transmisión mecánica muy compacta y con una elevada relación de transmisión, encontrando aplicación en sistemas de actuación en aeronaves. La búsqueda de diseños factibles de este tipo de transmisiones supone un reto por las numerosas condiciones de diseño y montaje, y precisa de poder evaluar los mismos a través de diversas variables, entre las que se encuentra la eficiencia, para comparar las distintas soluciones entre sí. El presente trabajo presenta dos métodos, uno teórico y otro computacional, para evaluar la eficiencia en dichos actuadores y en particular en los de tipo de bisagra pivotante central con gran aplicación en el sector aeronáutico. Los resultados muestran una buena aproximación entre ambos métodos, así como con otros métodos existentes en la literatura especializada. Además de la eficiencia media, el método computacional, basado en la aplicación del método de los elementos finitos, permite evaluar la eficiencia a lo largo del ciclo de engrane, así como otras variables como la amplitud de la función de errores de transmisión bajo carga. Los resultados muestran una fluctuación mucho menor de la eficiencia y de los errores de transmisión bajo carga en las soluciones asíncronas (aquéllas con planetas en diferentes fases del ciclo de engrane) que en las soluciones síncronas, siendo las primeras objeto de la recomendación propuesta para el diseño de este tipo de transmisiones mecánicas.
Diseño y Desarrollo de un Nuevo Sistema de Actuación Compacto para Exoesqueletos Industriales Activos
Los exoesqueletos industriales activos tienen el potencial de revolucionar el puesto de trabajo al mejorar la fuerza y resistencia humanas sin restringir el movimiento natural. Sin embargo, su adopción generalizada se ve obstaculizada por desafíos relacionados con el tamaño, peso y eficiencia de los actuadores. Este artículo presenta el diseño y desarrollo de un nuevo sistema de actuación compacto para exoesqueletos industriales activos, que comprende un motor sin escobillas de corriente continua acoplado a un mecanismo de reducción epitrocoidal. El sistema propuesto ofrece un rendimiento mejorado sobre las tecnologías de actuación existentes en términos de relación peso-potencia, compacidad y reversibilidad. En este artículo, proporcionamos una visión general de los sistemas de actuación actuales para robots y exoesqueletos, describimos el nuevo diseño, su caracterización y validamos su eficiencia. Los resultados iniciales indican que el diseño propuesto puede mejorar significativamente la funcionalidad y la experiencia del usuario de los exoesqueletos industriales activos.
Análisis del factor de distribución longitudinal de la carga propuesto en la ISO 6336 y su aplicación a engranajes cilíndricos helicoidales
La norma ISO 6336 proporciona métodos analíticos ampliamente aceptados para el cálculo del factor de distribución longitudinal de la carga en una transmisión de engranajes helicoidales. Sin embargo, estos métodos se basan en simplificaciones que pueden no reflejar con precisión las condiciones reales de funcionamiento, lo que puede llevar a resultados poco conservativos. En este estudio se realiza un análisis crítico de los métodos propuestos en la norma ISO 6336 para el cálculo del factor de distribución longitudinal de la carga, comparando sus estimaciones con los resultados obtenidos mediante un modelo de elementos finitos avanzado de la transmisión, que incorpora el sistema completo de engranajes-ejes-apoyos. Los resultados de esta comparación muestran que, en la mayoría de los casos, el método propuesto en la norma ISO 6336 tiende a sobrestimar el factor de distribución longitudinal de la carga. Sin embargo, en algunas configuraciones, las predicciones de la norma ISO 6336 resultan muy cercanas a los resultados obtenidos el análisis numérico, dando lugar a diseños de la transmisión con márgenes de seguridad muy estrechos. Además, este estudio pone de manifiesto la influencia que tiene el sentido de la hélice en la distribución longitudinal de la carga, a pesar de que este efecto no se tiene en cuenta en los métodos propuestos en la norma. Estos hallazgos sugieren posibles mejoras en la norma ISO 6336 para aumentar su precisión
Maquetas motorizadas de trenes epicicloidales: diseño y fabricación.
Uno de los temas fundamentales de la materia Teoría de Máquinas y Mecanismos (TMM) es el de engranajes y trenes de engranajes. Este trabajo se centra en el diseño y la fabricación de maquetas motorizadas de trenes de engranajes epiclicoidales (o planetarios). Se exponen dos maquetas que corresponden a dos de las principales aplicaciones de dichos mecanismos; una de ellas utiliza el tren epicicloidal como un sistema de transmisión de potencia (reductor o multiplicador) de un único grado de libertad (gdl) y la otra como un sistema de 2 gdl, cuya aplicación más común es el tren diferencial de un automóvil. Se utiliza el método de la fórmula (o de la ecuación de Willis) en cada caso, se hace el análisis cinemático y el de transmisión de pares entre ejes, éste último mediante el método de las potencias virtuales. Se expone el diseño y la fabricación de maquetas funcionales de bajo coste, utilizando la impresión 3D por filamento fundido para los principales componentes mecánicos. El funcionamiento se controla con un motor paso a paso, un driver L298N, una placa ArduinoUno y un panel de control con pantalla LCD y pulsadores que permiten variar tanto la velocidad como el sentido del giro del eje motor. Las maquetas de trenes epicicloidales que se presentan surgen como parte de dos trabajos finales de grado de dos de los autores del trabajo y se utilizan como recursos didácticos de apoyo a la docencia en la asignatura TMM, impartida en el Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales y en el Grado en Tecnologías Industriales y Análisis Económico de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona.
Influencia de los errores de fabricación en transmisiones planetarias: Efecto del número de planetas y secuencia del engrane
En este trabajo se presenta un análisis estadístico del reparto de carga entre planetas en transmisiones planetarias, representado mediante el “Mesh load factor” (Kɣ). Este estudio da continuidad a investigaciones previas de los autores, en las que se evaluó el impacto de los errores de espesor en los dientes y los errores tangenciales de montaje de los planetas en el portaplanetas. La principal contribución de este trabajo es la extrapolación del análisis a sistemas con un mayor número de planetas y distintas configuraciones, lo que a su vez genera diversas secuencias de engrane. Para ello, se emplea el Método de Monte Carlo, que permite obtener una solución probabilística a partir de un modelo determinístico. En este contexto, el modelo numérico desarrollado previamente por los autores incorpora como variables de entrada valores aleatorios de ambas tipologías de errores, generados mediante una distribución normal definida por un umbral de tolerancia de fabricación equivalente a tres veces su desviación típica. Como resultado se obtiene el parámetro Kɣ, que cuantifica la carga relativa del planeta más solicitado con respecto a su valor teórico en condiciones ideales en las que todos los planetas están cargados equitativamente. A partir de un número representativo de casos, se determina la función de distribución del parámetro Kɣ y se evalúa la probabilidad de que transmisiones planetarias a fabricar no cumplan con los límites establecidos por la norma IEC 61400, específica para su aplicación en aerogeneradores. Finalmente, se analiza la interacción y el efecto combinado de las dos tipologías de errores consideradas, así como la influencia del incremento en el número de planetas y de las distintas secuencias de engrane en el comportamiento del factor Kɣ y, en consecuencia, en el comportamiento global de la transmisión.
Influencia del ángulo de contacto en la cinemática y la distribución de carga de rodamientos a bolas
Los rodamientos a bolas son esenciales en componentes de máquinas rotativas debido a su capacidad para operar bajo cargas axiales y radiales combinadas a altas velocidades, y la lubricación es fundamental para mejorar tanto el rendimiento como la fiabilidad. Un parámetro clave en el diseño de estos rodamientos es el ángulo de contacto, que influye directamente en la capacidad del rodamiento para soportar cargas tanto radiales como axiales. Aunque generalmente se selecciona en función de la distribución de carga, el ángulo de contacto también afecta la cinemática de la bola, lo que repercute en el desgaste, las pérdidas de energía y la temperatura del componente. Este trabajo propone un modelo cuasi-estático basado en el principio de la mínima pérdida de energía para analizar cómo el ángulo de contacto impacta la distribución de carga, la cinemática de la bola y las pérdidas de potencia por deslizamiento. El modelo incorpora lubricación elastohidrodinámica (EHL) para tener en cuenta los efectos locales del movimiento de rotación y resuelve la cinemática del contacto considerando las interacciones de fricción. Los resultados se comparan con hipótesis comúnmente utilizadas en la literatura, destacando que, aunque diferentes hipótesis cinemáticas ofrecen predicciones similares en la distribución de carga, presentan diferencias significativas en la cinemática y las pérdidas de potencia. Así, se concluye que el ángulo de contacto debe ser seleccionado no solo por su capacidad de carga, sino también teniendo en cuenta su influencia sobre el deslizamiento, para optimizar el diseño de los rodamientos.
Aplicación para la síntesis de cuadriláteros articulados cognados
El diseño de nuevos mecanismos es fundamental en muchas tecnologías cotidianas, desde maquinaria industrial hasta dispositivos domésticos. Su principal función es convertir el trabajo en movimiento para realizar tareas específicas de manera eficiente. Los mecanismos de cuatro barras son esenciales en este contexto por su sencillez y amplio rango de aplicaciones, tanto en términos académicos como prácticos. Los métodos gráficos y analíticos actuales para diseñar mecanismos frecuentemente no resultan factibles económicamente o en términos de fabricación. Los métodos de construcción de mecanismos cognados proporcionan alternativas, con diferentes dimensiones y características, abordando la necesidad de un método intuitivo y original para su síntesis. La presente investigación se centra en la creación y análisis de mecanismos cognados, los cuales, a pesar de tener geometrías diferentes, producen movimientos idénticos en sus acopladores. Este enfoque se basa en el Teorema de Roberts-Chebyshev, que permite a tres mecanismos cuadriláteros compartir una misma trayectoria de un punto del eslabón acoplador. El Método Gráfico de Roberts-Chebyshev, utiliza diagramas geométricos para construir mecanismos cognados. Es sencillo, pero requiere habilidades gráficas. El Método Analítico de Samantha Sherman, emplea ecuaciones cinemáticas y permutaciones de rotaciones para identificar cognados. Es más preciso pero laborioso y requiere interpretación gráfica y simulación, para verificar resultados. En este artículo se detalla un programa desarrollado para modelar mecanismos cognados de forma accesible, evitando conceptos geométricos y matemáticos complejos. El programa utiliza datos de entrada como la posición de los apoyos y las longitudes de los eslabones, generando representaciones gráficas de los mecanismos. Se presentan ejemplos prácticos de mecanismos originales y sus cognados, mostrando las ecuaciones de bucle y las relaciones entre las rotaciones de los enlaces, asegurando la consistencia en las trayectorias generadas. El enfoque presentado en este artículo permite construir y analizar mecanismos cognados de manera eficiente y accesible, combinando métodos gráficos y analíticos para adaptarse a diversas necesidades de diseño de mecanismos en Ingeniería Mecánica.
Optimización topológica basada en curvas de nivel: metodología y aplicaciones.
El presente estudio presenta una metodología para la generación de estructuras ligeras a través de la optimización topológica basada en el método de las curvas de nivel (level-set methods, en inglés). Inicialmente, se lleva a cabo una revisión bibliográfica que aborda las características distintivas y la aplicabilidad de dichos métodos. Posteriormente, se detalla la estructura del algoritmo, se analizan los aspectos inherentes a su implementación y se evalúa el impacto de sus diversos parámetros en los resultados obtenidos. Por último, se extraen conclusiones acerca de los aspectos más relevantes en el desarrollo de algoritmos de optimización topológica basados en curvas de nivel, acompañadas de una serie de recomendaciones generales destinadas a potenciar la convergencia de dichos algoritmos.
Técnicas aplicadas en optimización topológica para la obtención de mecanismos compliant distribuidos
En el diseño de mecanismos compliant, uno de los mayores retos es el control del efecto bisagra (hinge-effect). Los mecanismos compliant transmiten fuerza/movimiento sin uniones articuladas entre piezas, ya que son composiciones monolíticas. La salida del mecanismo depende directamente de la deformación del mismo, y esta a su vez de la geometría y las cargas aplicadas. Por lo tanto, afinar la geometría de un compliant es esencial para ajustar su comportamiento, sin poner en riesgo su integridad estructural durante el funcionamiento. Los mecanismos compliant con mayor efecto bisagra poseen una geometría caracterizada por partes rígidas unidas entre sí por pequeñas zonas muy esbeltas de material que actúan como bisagra. Esta configuración alcanza grandes desplazamientos con precisión, pero concentra tensiones en las zonas de bisagra. Por otra parte, los mecanismos con menor efecto bisagra (compliant distribuido) poseen una geometría con transiciones más suaves, evitando puntos de concentración de tensión en el mecanismo y posibles fallos mecánicos. Los mecanismos compliant suelen tener formas complejas que no son intuitivas, por lo que la optimización topológica es una herramienta muy útil para el diseño de estos mecanismos. Los algoritmos de optimización topológica tienden a generar diseños más afines a los basados en bisagras. Problemas ya conocidos en el campo de la optimización topológica, como el efecto ajedrez, favorecen este tipo de soluciones. A pesar de que existen técnicas documentadas que ayudan a evitar estos efectos, como son los filtros de sensibilidades de la función objetivo, no son suficientes para generar soluciones sin zonas locales de concentración de tensiones. Se ha desarrollado un código Python de optimización topológica que utiliza el programa ABAQUS como entorno gráfico y solver de elementos finitos para la generación de mecanismos compliant. La herramienta creada es versátil y potente, el entorno gráfico facilita el diseño de volúmenes de partida complejos y el solver permite simular piezas 2D y 3D con mallados finos para un mayor detalle de la solución. Los diseños optimizados se pueden simular en ABAQUS con condiciones reales o exportar a cualquier programa CAD para su post proceso y preparación para fabricación. Se presenta una metodología que potencia las soluciones compliant distribuidas. La estrategia desarrollada utiliza por una parte la función objetivo y sus sensibilidades para encontrar la mejor distribución de material posible, pero minimizando con técnicas inspiradas en tratamiento de imagen el efecto bisagra de dicha distribución. El código desarrollado se ha mejorado y validado con ejemplos bibliográficos hasta obtener resultados satisfactorios en el diseño de mecanismos compliant distribuidos. Se presentan las técnicas y mejoras que se han implementado, ejemplos de resultados actuales que produce la herramienta y una comparativa entre un caso con y sin mejoras aplicadas.
Análisis de planteamientos alternativos al método de rigidez
El método numérico que más se emplea para el análisis del comportamiento mecánico es el Método de los Elementos Finitos (Finite element method, FEM). En el FEM se diferencian dos formulaciones: el método de los desplazamientos o de rigidez (Stiffness method, SM) y el método de las fuerzas (Force method, FM), en función de si las incógnitas principales son los desplazamientos o las fuerzas de los nudos, respectivamente. El procedimiento de cálculo más utilizado es el basado en desplazamientos, debido a su facilidad de programación. El método SM está basado en la hipótesis de un campo de desplazamientos compatible. Entre los métodos alternativos cabe destacar los elementos finitos que incluyen los modos incompatibles (con grados de libertad adicionales en el campo de desplazamientos) y los métodos híbridos (basados en tensiones y desplazamientos). En este trabajo se pretende analizar y comparar el método de rigidez con los métodos alternativos que utilizan los modos incompatibles y los métodos híbridos.
Aplicación de la metodología de caracterización de adhesivos hiperelásticos en el diseño de uniones reales
En la industria de carrocerías para vehículos industriales, se observa un creciente uso de paneles sándwich estructurales combinados con perfiles de aluminio (Al), ensamblados mediante uniones adhesivas continuas. Esta configuración permite aprovechar la capacidad resistente de todos los componentes de la estructura, permitiendo importantes reducciones de peso y la mejora de la resistencia y rigidez. En esta aplicación, el uso de adhesivos de alta flexibilidad aporta grandes ventajas, por su capacidad de sellado y para absorber posibles desalineamientos y deformaciones de la estructura sin que se vea comprometida su durabilidad. En trabajos previos publicados por los autores, se desarrolló una metodología de caracterización mecánica de los adhesivos hiperelásticos, y la determinación de modelos de material que mejor representan su comportamiento. Se aborda ahora la aplicación de las leyes de comportamiento así obtenidas, para la modelización, análisis y diseño de uniones adhesivas reales. Los perfiles de aluminio suelen diseñarse con secciones específicas para alojar los paneles estructurales, que se fijan a ellos generalmente mediante uniones de simple solape (SLJ) o doble solape (DLJ). La actuación de cargas laterales sobre los paneles, provoca sobre estas uniones esfuerzos de tracción y flexión, que se traducen en solicitaciones combinadas de cizalladura y pelado sobre los cordones adhesivos. Este trabajo incluye la modelización y análisis por elementos finitos de distintos tipos de uniones, utilizando los modelos hiperelásticos de material antes mencionados. Los resultados ofrecidos por los modelos ante estas solicitaciones combinadas, se han validado mediante la comparación con resultados experimentales de ensayos de uniones reales llevados a cabo a tal efecto. Los modelos de elementos finitos utilizados, posibilitan un análisis detallado de la distribución de esfuerzos en el adhesivo. Pero permiten además estudiar a un tiempo y tener en cuenta la deformación de los propios perfiles y paneles, y la influencia que pueda tener en los esfuerzos transmitidos al adhesivo y su resistencia. Constituyen así una herramienta de gran utilidad para establecer directrices de diseño que mejoren la eficiencia y durabilidad de las uniones.
Comparación de diferentes modelos de dinámica molecular para describir contactos diamante-metal en la nanoescala
Estudiar y analizar los contactos mecánicos a muy baja escala es imprescindible para diseñar adecuadamente sistemas microelectromecánicos (MEMS) y nanoelectromecánicos (NEMS). Las diferentes estrategias empleadas para simular estos sistemas mecánicos en la nanoescala influyen directamente en los resultados obtenidos. En el contexto de las simulaciones mediante dinámica molecular de ensayos de nanoindentación en metales cúbicos centrados en las caras (FCC) comúnmente se emplean varias simplificaciones. Entre ellas se incluyen la suposición de que el penetrador es un sólido rígido, así como la exclusión de efectos adhesivos entre el penetrador y la muestra. Estas simplificaciones no sólo determinan los resultados obtenidos, sino que también condicionan la aplicabilidad de los modelos de contacto basados en la mecánica del continuo para describir y tratar los resultados. En este estudio se han realizado simulaciones numéricas basadas en dinámica molecular de ensayos de indentación con punta de diamante en aluminio, oro, cobre y níquel. En los cálculos realizados se ha trabajado con cuatro modelos diferentes de indentador en contacto con muestras de metal FCC: un penetrador rígido sin adhesión, un penetrador rígido con adhesión, un penetrador deformable sin adhesión y un penetrador deformable con adhesión. En el trabajo se analiza la influencia de considerar o no la deformación del indentador de diamante, así como las diferencias obtenidas al considerar los efectos adhesivos entre la muestra y el penetrador. Para ello, se han obtenido las curvas fuerza-desplazamiento en el proceso de indentación y se han determinado las propiedades mecánicas. Además, en estas simulaciones propuestas también se ha determinado el radio de contacto durante el proceso de descarga, para compararlo con las predicciones de los modelos de contacto basados en la mecánica de medios continuos.
Estimación de las constantes elásticas en láminas unidireccionales a través de imágenes microestructurales y machine learning
Este estudio presenta el desarrollo y entrenamiento de una red neuronal convolucional combinada con un perceptrón multicapa diseñada para la estimación de las constantes elásticas de una lámina unidireccional a partir de imágenes microestructurales del plano transversal 2-3. Las predicciones se centran en el módulo de elasticidad transversal E2 y el módulo de cizalladura G23, considerando el caso de deformación plana. Estas propiedades son de particular interés, ya que dependen directamente de la geometría y de la distribución del refuerzo, que en la práctica presenta una disposición aleatoria. Aunque existen modelos efectivos para configuraciones estructuradas, como la ordenación cuadrada, su precisión disminuye cuando se aplican a problemas reales, en los que la distribución es aleatoria. Para el entrenamiento de la red neuronal se ha utilizado una base de datos sintéticos generada a través del método de elementos finitos basado en homogenización utilizando condiciones de contorno periódicas. Se han considerado elementos de volumen representativo con diferente fracción en volumen, diámetro de fibras y una distribución de fibras aleatoria. La base de datos incluye imágenes microestructurales y las propiedades elásticas de los constituyentes, que sirven como entrada para la red. Las constantes elásticas de la lámina obtenidas de la solución del problema de homogenización se emplean como salida de la red. Finalmente, se discuten las ventajas y limitaciones del enfoque propuesto, así como posibles mejoras y aplicaciones futuras en la caracterización de materiales compuestos. En resumen, esta herramienta representa un avance en la caracterización rápida y precisa de materiales compuestos, utilizando modelos de machine learning que analizan directamente imágenes microestructurales, con un impacto significativo en la reducción de tiempos de simulación y coste computacional.
Optimización topológica de alta resolución mediante algoritmos multinivel y uso de mallados cartesianos
Las herramientas estándar de optimización topológica estructural son capaces de proponer una distribución óptima de material en un dominio definido, dadas unas cargas. Uno de los métodos más populares en este ámbito es el método SIMP (“Solid Isotropic Material with Penalization”), el cual subdivide el dominio de diseño en celdas y genera una distribución de material optimizada. Si se busca obtener un componente con detalles topológicos pequeños (por ejemplo, estructuras de tipo trabecular), el coste computacional se vuelve excesivo, puesto que se ha de aumentar drásticamente el número de celdas en las que se subdivide el dominio de diseño. Para superar este inconveniente, el presente trabajo propone un método de optimización topológica de dos niveles en tres pasos principales. En primer lugar, se obtiene una distribución de material de baja resolución mediante el método SIMP. A continuación, se utiliza una técnica de equilibrado que proporciona continuidad en las tracciones entre celdas adyacentes. Por último, se genera un nuevo problema local de optimización topológica en cada celda (resolución alta) que se resuelve nuevamente mediante el SIMP, tomando como datos de entrada la densidad y las tracciones equilibradas provenientes del problema de baja resolución. La distribución de material proporcionada por la solución de baja resolución tiene en cuenta un comportamiento de material homogéneo e isótropo en cada una de las celdas. No obstante, una vez resuelto el problema de optimización en la resolución fina, es de esperar que la nueva distribución de material dentro de cada celda resulte en diferentes propiedades de material homogéneas. Entonces, las nuevas distribuciones optimizadas de las celdas cambian la rigidez de la discretización en el nivel de baja resolución. Dado que el campo de tracciones equilibradas en una celda depende de la solución elástica del problema de baja resolución, es necesario definir un proceso iterativo para hacer converger el algoritmo de optimización. En este trabajo se propone un proceso iterativo del algoritmo de optimización multinivel descrito, donde se fija la distribución de densidades obtenida en el primer paso de optimización de baja resolución, y se modifica el comportamiento mecánico de las celdas con una técnica de proyección. Mediante este método es posible obtener de manera eficiente estructuras trabeculares estructuralmente óptimas utilizando métodos basados en densidad, lo cual es hoy en día inalcanzable, si se utilizan las metodologías actuales, utilizando medios de computación estándar.
Restricciones de fabricación aditiva en Optimización de Topología
En este trabajo se expondrá una formulación para de las restricciones de fabricación en optimización de topología orientadas a diseñar piezas que puedan ser fabricadas mediante fabricación aditiva. Esta tecnología presenta una gran compatibilidad con la optimización de topología debido a lo versátil que resulta abordando geometrías complejas. Sin embargo, los métodos de optimización de topología pueden converger hacia barras cuyas dimensiones no son alcanzables por la fabricación aditiva. Usualmente, tras crear un diseño optimizado se suele aplicar una etapa de diseño para la manufactura en el que se modifican las incompatibilidades de diseño para poder fabricar la pieza. En lo que respecta al presente trabajo, partiendo del método “Solid Isotropic Material with Penalization” (SIMP), se reformulará el problema de optimización incorporando las restricciones de fabricación necesarias, con el objetivo de acercar el resultado final del proceso de optimización a la fabricación de la pieza. Para tal fin se presentarán nuevos métodos para controlar el tamaño de las barras, como el control local del perímetro o un proceso de “esqueletonización” que utiliza los métodos de filtrado comúnmente empleados en la optimización de topología, permitiendo reducir los tiempos de iteración e incorporar la sensibilidad de la “esqueletonización” al proceso de diseño.
Uso de técnicas de aprendizaje supervisado en la determinación del mesh load factor en transmisiones planetarias
Este trabajo se enmarca dentro del estudio del comportamiento de transmisiones planetarias de baja velocidad, enfocándose específicamente en su reparto de carga. Las transmisiones de engranajes pueden experimentar numerosas variaciones, ya sea por demanda del diseñador o debido a errores inherentes a su fabricación y montaje. En este contexto, los autores proponen el uso de diferentes técnicas de aprendizaje supervisado para desarrollar herramientas capaces de calcular la distribución de carga y, en consecuencia, el factor de carga de malla de una transmisión planetaria. Partiendo de la definición de diversas transmisiones con diferentes números de planetas o dientes en los engranajes y considerando los estándares establecidos por las normativas para un conjunto de errores de fabricación, se propone el uso de técnicas numéricas avanzadas de aprendizaje supervisado para el entreno de herramientas capaces de modelar y predecir el mesh load factor (Kɣ) de una transmisión planetaria. Con este fin, los autores plantean diferentes modelos de entrenamiento supervisado, que van desde árboles de decisión hasta las redes neuronales, evaluando las ventajas y desventajas de estas herramientas. Además, se analizará la eficiencia del proceso de aprendizaje y la precisión de los resultados obtenidos para el problema planteado, permitiendo alcanzar un equilibrio entre el rendimiento y la eficiencia.
Análisis de las propiedades hemodinámicas e índices de hemólisis en bombas de sangre mediante CFD
Las enfermedades cardíacas son la principal causa de muerte a nivel mundial y, por esta razón, muchos pacientes requieren cirugías que salvan vidas, las cuales generalmente implican el uso de bombas de sangre para sustituir la función del corazón, ya sea de forma temporal o permanente. Sin embargo, cuando la sangre es bombeada a través del dispositivo, las altas velocidades y las geometrías complejas suelen provocar daños en la sangre. Dado que los glóbulos rojos son las células más comunes en la sangre, estos suelen ser los más afectados. Este artículo revisa el desarrollo de los modelos de hemólisis y daño a los glóbulos rojos, así como los desafíos actuales para representar con precisión dicho daño. La hemólisis es la destrucción de los glóbulos rojos y representa una preocupación importante para los ingenieros al diseñar y evaluar bombas de sangre, como las utilizadas en la oxigenación por membrana extracorpórea (ECMO) o en los dispositivos de asistencia ventricular (VAD). Para ello, se han creado múltiples modelos que intentan evaluar esta patología; sin embargo, han surgido numerosos problemas y limitaciones durante su desarrollo, lo que ha llevado a que muchos de estos modelos no representen con precisión el daño a los glóbulos rojos. Además, el software de dinámica de fluidos computacional (CFD) tiene sus propias limitaciones, por lo que los modelos de daño a los glóbulos rojos deben simplificarse para que la simulación sea computacionalmente viable. Estas simplificaciones, en ocasiones, pueden hacer que la simulación represente el daño de forma inexacta, ya sea sobreestimándolo o sin considerar aspectos vitales como la turbulencia.
Determinación de la propagación de fisuras en función de la frecuencia de resonancia. Ley de Paris modificada
El presente estudio se centra en el análisis de la propagación de fisuras en materiales sometidos a ensayos de fatiga por resonancia magnética. Este tipo de ensayos resulta una alternativa eficiente frente a las máquinas servohidráulicas, ya que permiten alcanzar frecuencias de ensayo más altas con un consumo energético significativamente menor. Sin embargo, presentan la desventaja de no mantener una frecuencia constante a lo largo del ensayo. El estudio utiliza barras de acero de 16 mm de diámetro y sigue las disposiciones establecidas en la BS 4449. El objetivo es analizar la evolución de la frecuencia de resonancia durante los ensayos de fatiga y su relación con el crecimiento de las fisuras. Se observa que la fisura se origina en concentradores de tensión, y su geometría se aproxima a una circunferencia. El análisis demuestra dos etapas en el comportamiento de la frecuencia de resonancia: una primera etapa de endurecimiento cíclico donde la frecuencia crece, seguida de una caída acelerada asociada a la propagación de la fisura. Este cambio permite identificar el punto de inflexión en el proceso de propagación de la fisura. Finalmente, se establece una relación entre el tamaño de la fisura y la variación de la frecuencia de resonancia, lo que permite ajustar una "ley de Paris" modificada, que describe la velocidad de crecimiento de la fisura en función de la frecuencia de resonancia, aportando un enfoque novedoso para la monitorización del daño en tiempo real.
Metodología experimental para determinar parámetros de fractura en simulaciones basadas en el método phase-field
La relevancia del método phase-field se ha visto incrementada en simulaciones de la mecánica de la fractura para predecir la propagación de grieta a partir de un problema de minimización del balance de la energía relativamente simple. Sin embargo, este método computacional requiere que ciertos parámetros, como la tasa de liberación de energía crítica y la longitud característica, se definan previamente. Por ello, se presenta una metodología experimental a partir de ensayos de tracción uniaxial para caracterizar mecánicamente el material estudiado y determinar los parámetros de fractura necesarios para el modelo numérico. En primer lugar, para los ensayos experimentales se fabricaron probetas de tracción con y sin entalla mediante extrusión de material (o impresión 3D). En el proceso se utilizó filamento de ácido poliláctico y se aplicaron distintas configuraciones para analizar su influencia sobre los mecanismos de fractura y reducir defectos de impresión. Por otro lado, se desarrolló una herramienta numérica predictiva de código abierto basada en el modelo phase-field de fractura, empleando los parámetros obtenidos experimentalmente. Aparte, se evaluaron el efecto del parámetro de longitud característica sobre los resultados numéricos y la implementación de diferentes mejoras en el modelo para su optimización. Los parámetros obtenidos a partir de los ensayos experimentales fueron validados con la literatura. Además, las simulaciones confirmaron la fiabilidad de la metodología experimental-numérica propuesta. En general, se obtuvieron resultados numéricos con errores relativos por debajo del 10 %. Por último, el método presentado permite su aplicación de forma sencilla para otros materiales y estudios.
Comparación de métodos de fatiga multiaxial de ciclos altos
La mayoría de los componentes de máquina están sometidos a fatiga, siendo el caso general el de fatiga multiaxial. Actualmente no existe ningún método que prevalezca claramente sobre los demás, así es que existen numerosos métodos y cada año surgen nuevos, que ajustan mejor o peor según el material o caso de carga estudiado. En este sentido, recientemente se ha publicado el método de plano crítico de Abasolo, una evolución del reconocido método de Findley que considera el efecto no lineal de la tensión normal media elevando dicho termino a un exponente dependiente del material. En un trabajo previo se llevó a cabo una comparación de los métodos de Abasolo, Findley, Robert y Papuga frente a una extensa database experimental. En esa comparativa el método de Abasolo daba buenos resultados generales, destacando especialmente en los casos uniaxial y de torsión puros, dos casos particulares de fatiga multiaxial que sin embargo están ampliamente presentes en los componentes y sistemas estructurales mecánicos. Sin embargo, dada la gran cantidad de métodos que existen en la actualidad, resulta de interés aumentar el número de métodos empleados en la comparativa. Así pues, en este trabajo se realiza una versión extendida de dicha comparativa incluyendo varios métodos de plano crítico y de enfoque global, contrastando sus resultados para diferentes materiales y casos de carga recogidos en una base de datos compuesta por 486 casos recopilados de la literatura.
Ensayos de fractura en modos I y II de uniones bimateriales
Los ensayos de Viga en Doble Voladizo (Double Cantilever Beam, DCB) y de Flexión con Entalla Final (End Nothecd Flexure, ENF) fueron diseñados para caracterizar la fractura interlaminar de materiales compuestos unidireccionales en modo I y modo II, respectivamente. En el caso de uniones adhesivas, pueden aplicarse en probetas simétricas. Cuando se produce asimetría geométrica y/o material en los adherentes, se genera una combinación de modos que a día de hoy no está caracterizada de forma satisfactoria. En la presente contribución, se tratan aspectos relacionados con los criterios para establecer las condiciones en las que se producen modos puros de fractura, la determinación de la tasa crítica de liberación de energía en condiciones de modo puro, y la comparación de resultados obtenidos numéricamente utilizando elementos cohesivos y la integral J con las previsiones analíticas. Se proponen, por lo tanto, nuevos métodos de reducción de datos de interés para caracterizar el comportamiento de uniones adhesivas bimateriales.
Implementación de un modelo de fractura ortótropo en Phase-Field incluyendo distintos mecanismos de fallo
La predicción del fallo en materiales compuestos se ha convertido en un campo de gran importancia debido al creciente uso de los mismos. Uno de los mayores incrementos se encuentra en el sector aeronáutico, donde debido a sus magníficas propiedades específicas se convierten en candidatos ideales para la fabricación de aeronaves. Los altos estándares de seguridad requeridos en dicho sector hacen necesaria una profunda comprensión de los mecanismos de fallo de los mismos. Los ensayos experimentales destructivos son muy costosos económicamente, por lo que en la actualidad se trabaja en modelos numéricos con alta capacidad predictiva. Dentro de los modelos numéricos, en este trabajo se ha seleccionado el enfoque variacional de fractura Phase-Field para modelizar el fallo de este tipo de materiales. Este modelo consiste en la representación de las grietas mediante una variable continua regularizada a lo largo de una longitud característica. La formulación original de dicho modelo únicamente es válida para materiales cuya respuesta a la fractura sea isótropa (i.e. su resistencia a la fractura no dependa de la orientación de la misma). Por lo tanto, es necesaria una extensión a materiales cuya tenacidad sea anisótropa. En la literatura, existen dos formas de considerar la respuesta anisótropa de la fractura en Phase-Field: mediante anisotropía de las propiedades resistentes cambiando la longitud característica por un tensor estructural característico conservando una única variable de Phase-Field o utilizando diversas variables de Phase-Field (una variable y una tenacidad por mecanismo de fallo) y realizando una degradación anisótropa de las propiedades constitutivas del material. La segunda opción ha sido seleccionada en este trabajo. Además, debido a la imposibilidad de implementar una variable histórica que evite la disminución de daño en este modelo, se ha optado por imponer una restricción del crecimiento del daño mediante multiplicadores de Lagrange. La implementación se ha llevado a cabo en el software de elementos finitos Abaqus mediante una combinación de subrutinas UEL y UMAT para materiales ortótropos. Este enfoque permite capturar de forma más precisa los distintos mecanismos de fallo y propagación de las grietas que en el caso de conservar una única variable de Phase-Field.
Ecuaciones de flujo plástico para la aplicación del Método de Deformaciones Locales a Cargas Multiaxiales para Materiales Metálicos y No Metálicos
El Método de las Deformaciones Locales es habitualmente utilizado en la industria para calcular la vida de componentes sometidos a cargas de fatiga de bajo número de ciclos. Sin embargo, su aplicación está limitada a cargas uniaxiales. La extensión del método al caso general de cargas multiaxiales, requiere la generalización de las ecuaciones de flujo plástico al caso multiaxial. Este trabajo se basa en un modelo de plasticidad que reproduce el comportamiento plástico estabilizado de metales sometidos a cargas multiaxiales, incorporando todos los ingredientes del Método de las Deformaciones Locales, como curvas cíclicas, ciclos de histéresis o efecto memoria. El modelo está basado en la idea de distancia en el espacio de tensiones, que se calcula a través un tensor métrico. Este tensor está caracterizado por dos constantes para materiales isótropos. Para un material ortótropo, las constantes independientes a determinar son 6. La creciente importancia de materiales no metálicos fabricados por impresión 3D, hace necesaria la reformulación de algunos aspectos importantes de las ecuaciones. En este trabajo se aborda la adaptación del modelo para que sea capaz de recoger el comportamiento de estos materiales, característicamente anisótropo y se propone una metodología que permita su aplicación para materiales no metálicos.
Obtención de curvas S-N mediante termografía infrarroja en laminados CFRP con defectos de ondulación fuera del plano
La termografía infrarroja se presenta como una herramienta eficaz, rápida y económica para la caracterización de la vida a fatiga de laminados de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP). Este estudio se centra en la obtención de curvas S-N mediante técnicas termográficas en laminados con y sin defectos de ondulación fuera del plano, un problema que surge en materiales compuestos debido a imperfecciones durante el proceso de fabricación. También puede aparecer al adaptar el laminado a geometrías angulosas. A través de ensayos de tracción cíclica, se monitorizó la temperatura superficial de las muestras para estimar el límite de fatiga. Los resultados obtenidos mediante termografía mostraron una alta concordancia con las curvas S-N tradicionales, con errores inferiores al 2% para laminados sin defectos y del 13% en presencia de defectos. Se utilizaron tres modelos diferentes para la estimación de la curva S-N: el modelo termográfico original de Risitano, el modelo adaptado para CFRP de Montesano y el modelo que parte de la degradación de propiedades de Huang, siendo estos dos últimos los que mejores resultados muestran para CFRP. Además, se comprobó que los defectos de ondulación reducen significativamente las propiedades mecánicas del material, disminuyendo hasta un 16% la resistencia última y hasta un 40% el límite de fatiga. Esta metodología permite una caracterización rápida y sencilla, con una notable reducción en el tiempo y coste asociados a los métodos convencionales. Este enfoque no solo facilita la detección de defectos locales en materiales en servicio, sino que también proporciona una herramienta práctica y precisa para mejorar la seguridad y el diseño de estructuras críticas en aplicaciones aeroespaciales, aerogeneradores, etc.
El análisis reológico de los polvos desempeña un papel fundamental en la comprensión y determinación de propiedades clave como la adhesión, cohesión y fluidez, que son esenciales para optimizar los procesos en diversas industrias, tales como la alimentaria, el almacenamiento, el diseño de tolvas y la manufactura aditiva. En este contexto, la reología se refiere al estudio del comportamiento de flujo y deformación de los materiales en polvo bajo fuerzas aplicadas. Al evaluar las fuerzas superficiales—específicamente, la adhesión (adhesión de partículas a superficies), la cohesión (adhesión de partículas entre sí) y la resistencia al corte (resistencia al deslizamiento)—los profesionales de la industria pueden predecir y controlar la fluidez del polvo, un factor primordial en la eficiencia de los procesos y la calidad del producto. Este trabajo presenta el procedimiento para determinar los parámetros relevantes de una selección de polvos utilizados en distintos sectores industriales, desde la harina común hasta los polvos metálicos finos empleados en la sinterización selectiva por láser (SLS).
Análisis de la Influencia del Paralelismo en la Fiabilidad del Ensayo Brasileño con Discos de Caras Horizontales
Uno de los principales inconvenientes del ensayo brasileño convencional para determinar la resistencia a tracción indirecta de materiales frágiles es la influencia de la longitud del contacto en el estado de tensiones generado tanto en el centro de la muestra como en el punto inicial de la fractura. Para abordar esta fuente de incertidumbre, se ha propuesto el ensayo brasileño de caras horizontales, en el que se fija previamente la longitud total de contacto, con el objetivo de determinar la resistencia a tracción indirecta de rocas y hormigón. De acuerdo con sus creadores, las caras del disco garantizan que la distribución de la carga en la zona de contacto con la prensa es uniforme y con esto se minimiza el riesgo de fallo prematuro del disco. En este artículo se analiza la influencia del paralelismo de las caras horizontales en el éxito del ensayo brasileño mediante simulaciones con elementos finitos y ensayos experimentales. Para determinar la zona de inicio del fallo, se ha utilizado la técnica de correlación digital de imágenes. Además, se ha comprobado la distribución de la carga entre la máquina de ensayos universal y las caras planas del disco mediante el uso de láminas de presión. Estas láminas encapsulan un líquido coloreado que tiñe la superficie de la lámina cuando se aplica sobre ella una determinada carga, sin que el líquido escape de la lámina. Las zonas con una presión análoga tendrán una intensidad de teñido similar, mientras que las zonas con distinta intensidad indican que la presión en ellas es diferente. Los resultados del estudio sugieren que la validez del ensayo brasileño con discos de caras horizontales está fuertemente influenciada por la tolerancia de paralelismo. Las tolerancias requeridas para el éxito del ensayo son muy difíciles de conseguir en la práctica. Se demuestra que incluso utilizando platos autoalineables el fallo del disco no se origina en el centro, por tanto, su validez no está garantizada.
Detección de Defectos Empleando Correlación Digital de Imágenes de Alta Resolución
La detección de defectos es crucial en muchos campos de la ingeniería, especialmente en aplicaciones que precisen una optimización de peso y/o de comportamiento mecánico. Para ello, es común emplear nuevos materiales compuestos y componentes realizados mediante Fabricación Aditiva. No obstante, en estos materiales es más probable que ocurran discontinuidades asociadas con los procesos de fabricación o después de someterse a cargas mecánicas. Este trabajo investiga el potencial de la técnica de Correlación Digital de Imágenes (DIC) para detectar defectos. Esta técnica podría presentar una alternativa interesante a las técnicas tradicionales como la inspección por ultrasonido, la Vibrometría Láser de Escaneo (SLDV) o termografía. DIC se basa en la medición de mapas de desplazamiento superficial y, a priori, es menos efectiva para los procedimientos de detección de daño. No obstante, los recientes avances en la resolución de las cámaras permiten una alta sensibilidad lo que conlleva a una gran resolución espacial de los mapas de datos obtenidos, por lo que se podría compensar algunos aspectos. En este estudio, se aborda un enfoque novedoso a partir del análisis de una viga en voladizo con una discontinuidad interna controlada. Se lleva a cabo un enfoque de análisis de vibración mediante el cual se exploran las formas modales, concretamente la generada al excitar la resonancia exclusiva del defecto para que revele su localización. Para ello se recurre a 3D-DIC de alta resolución y un procedimiento de submuestreo de captura imágenes, a diferencia de enfoques anteriores que recurren a sistemas de alta velocidad y menor resolución. Los resultados positivos obtenidos revelan el potencial a partir la validación realizada mediante la comparación con vibrometría laser de escaneado SLDV, considerada la técnica de referencia en este tipo de ensayos.
Nueva metodología para la determinación del módulo de flexión, mediante el análisis de una Viga en Doble Voladizo Asimétrico
En este trabajo se propone una nueva metodología para la obtención del módulo de flexión de laminados composites. Esta metodología está basada en el método de la Viga en Doble Voladizo Asimétrico, del inglés Asymmetric Double Cantilever Beam (ADCB). La asimetría puede ser debida al material de las dos sub-vigas que forman la viga, la secuencia de apilado del material composite o las características geométricas de cada sub-viga. Se ha diseñado y construido un conector mecánico para unir las dos sub-vigas que formarán la probeta a analizar. De esta forma, utilizando una sub-viga formada con un material de referencia, del cual se conoce sus características mecánicas, se ha desarrolla un procedimiento novedoso para determinar el módulo de flexión del material correspondiente a la otra sub-viga, analizando la apertura de la probeta. Se ha desarrollado una aproximación analítica adaptada a esta metodología. Estos resultados se han comparado con los ensayos realizados con el conector mecánico diseñado a tal efecto y las simulaciones numéricas realizadas utilizando el método de elemento finitos.
Caracterización mecánica de hidrogeles mediante ensayos de nanoindentación
Los materiales blandos se caracterizan por presentar comportamientos mecánicos complejos, en muchas ocasiones asociados a no linealidad y dependencia del tiempo. Los ensayos de indentación son una técnica experimental que permite caracterizar mecánicamente un material a diferentes escalas, lo que hace posible identificar mecanismos físicos asociados al comportamiento de los materiales blandos. Cuando la escala del ensayo es muy pequeña y entra en el rango de los nanómetros, los fenómenos de adhesión pueden ser muy relevantes y deben ser tenidos en cuenta para extraer las propiedades mecánicas del material. Los modelos mecánicos del continuo más conocidos (Hertz, Johnson-Kendall-Roberts, etc.) suelen estar basados en las hipótesis de elasticidad, linealidad e independencia del tiempo. Para poder aplicar estos modelos a materiales blandos es necesario combinarlos con análisis viscoelásticos. En este trabajo se presenta una metodología de análisis de los resultados de ensayos de nanoindentación en materiales blandos que utiliza el principio de correspondencia para determinar la función de relajación viscoelástica y la energía de adhesión. A partir de las curvas fuerza-desplazamiento medidas en ensayos de nanoindentación se aplica la transformada de Laplace-Carson para convertir el problema viscoelástico real en un problema elástico equivalente. En el espacio transformado se aplican los modelos de contacto de continuo y se extraen las propiedades objetivo al deshacer la transformada de Laplace-Carson. Esta metodología se ha utilizado para caracterizar diversos hidrogeles con aplicaciones en la ingeniería biomédica y en la ingeniería de tejidos.
Estudio dinámico de un agitador de la estación depuradora de aguas residuales de Galindo
El presente trabajo presenta un análisis detallado de los fallos detectados en la estructura que soporta un agitador de la zona anóxica de la estación depuradora de aguas residuales (EDAR) de Galindo (Sestao, Vizcaya). Dichos fallos generan una parada del proceso de depuración con el vaciado de las balsas de más de 12000 m3 de capacidad, con los derivados problemas tanto técnicos como económicos. Mediante simulaciones por elementos finitos, se identifica que la causa principal es una amplificación dinámica de fuerzas generadas desde el agitador, lo cual lleva a un fallo a fatiga en los tirantes de la estructura. A pesar de no poder identificar el origen de esta fuerza, la vibración problemática tiene una frecuencia igual a la velocidad de rotación del agitador por el número de palas. Estas dos afirmaciones se validan mediante un ensayo experimental en condiciones operativas llevadas a cabo en la propia planta depuradora. Tras la fase de validación del fenómeno, se propone un rediseño centrado en la configuración de los tirantes para reducir la sensibilidad en las frecuencias de trabajo y mejorar el comportamiento de la estructura en su conjunto. Los resultados planteados permiten reducir las cargas transmitidas a los soportes del agitador, aumentando la vida útil del sistema. Y finalmente, se ha procedido a instrumentalizar el conjunto para la obtención de datos característicos en funcionamiento, para la implementación de un control preventivo frente a posibles fallos.
Diseño de adhesivos reversibles y reciclables obtenidos mediante curado dual para aplicaciones industriales
Los adhesivos estructurales basados en polímeros termoestables son cada vez más utilizados en las uniones mecánicas debido a sus ventajas frente a otro tipo de fijaciones: distribución uniforme de tensiones, posibilidad de unir materiales disimilares y creación de uniones resistentes sin aumentar significativamente el peso. Sin embargo, la estructura reticulada de los tradicionales adhesivos termoestables limita su reprocesabilidad y capacidad de reparación, dificultando la recuperación del sustrato, a menudo formado por materiales de alto coste. Por ello, la industria de adhesivos está dirigiendo su atención a redes covalentes adaptables (CANs) para el desarrollo de adhesivos estructurales reversibles. Las CANs son unos nuevos materiales poliméricos muy prometedores gracias a que mantienen las excelentes características térmicas y mecánicas de los termoestables, pero con la capacidad de ser moldeados, reprocesados y reciclados como los termoplásticos debido a la dinamicidad de su estructura topológica bajo ciertos estímulos. Esta dinamicidad genera una notable y controlada disminución de la viscosidad, y, en consecuencia, una relajación de tensiones que permiten el reconformado, el reciclaje, el auto-soldado e, incluso, la auto-reparación. Estas propiedades distintivas, tan poco comunes en los termoestables convencionales debido a que los enlaces covalentes de dicha estructura topológica están entrecruzados, hacen que las CANs sean unos materiales mucho más respetuosos con el medio ambiente. Entre los sistemas CANs, los vitrímeros destacan por su gran potencial para aplicaciones como adhesivos industriales. En este trabajo presentamos un nuevo grupo de vitrímeros basados en la combinación de dos reacciones dinámicas de intercambio de enlaces obtenidos mediante un proceso de curado dual. Con ellos combinamos la flexibilidad de procesamiento y la capacidad de diseño estructural de los sistemas de curado dual, con las ventajas de reprocesabilidad y reciclabilidad derivadas de la combinación de dos reacciones dinámicas de intercambio de enlaces. Los vitrímeros desarrollados se pueden fabricar a partir de monómeros comerciales de bajo coste y reacciones simples y eficientes. Se han estudiado dos proporciones diferentes de combinación de monómeros para evaluar cómo la viscosidad del sistema afecta las propiedades mecánicas, térmicas, termomecánicas y adhesivas del material final. Los resultados preliminares muestran que podemos obtener adhesivos con temperaturas de transición vítrea (Tg) entre 55-75ºC (muy adecuada para adhesivos estructurales de moderada rigidez a la temperatura normal de uso), con una resistencia mecánica excelente (tensión de rotura en torno a 70 MPa) y una resistencia a la cizalladura de aproximadamente 20 MPa, valores muy competitivos frente a adhesivos comerciales con similares Tg. Los vitrímeros presentan tiempos de relajación característicos inferiores a 1 minuto a 190 °C, lo que permite el reciclado y/o la reutilización de la unión adhesiva mediante desmontaje y/o readhesión y la recuperación completa del sustrato demostrando el gran potencial como adhesivos estructurales.
Estudio del fenómeno de fatiga en viga rotatoria empleando DIC 3D
El análisis del fenómeno de fatiga en vigas rotatorias es de gran interés debido al potencial de fallos catastróficos que presentan las grietas por fatiga en sistemas rotatorios. Estos fallos pueden interrumpir el funcionamiento eficiente y eficaz de las máquinas, lo que ha llevado a un gran interés por parte de los investigadores en este campo. Por otro lado, la técnica experimental de Correlación Digital de Imágenes 3D (3D DIC) se presenta como una herramienta de gran potencial para analizar este fenómeno de manera novedosa y original. 3D DIC es una técnica óptica que permite obtener información cuantitativa precisa sobre el desplazamiento, la deformación y geometría tridimensionales sin contacto ni interferencia con la funcionalidad de la misma. A diferencia de los sensores convencionales de contacto que solo proporcionan resultados discretos y requieren conexión física, DIC ofrece mediciones en un campo completo, lo que permite una mejor comprensión del comportamiento. Este trabajo presenta un montaje experimental que permite estudiar la evolución del fenómeno de fatiga en una viga rotatoria sin necesidad de parar o ralentizar el ensayo. El proceso consiste en capturar imágenes de manera sincronizada con el giro de la probeta rotatoria. Esta captura se realiza con un sistema estereoscópico de cámaras de alta resolución sin necesidad de recurrir a alta velocidad y mejorando la nitidez de los resultados. Procesando las imágenes con un sistema de 3D-DIC, ha sido posible obtener una serie de mapas de desplazamiento y deformación que permiten el seguimiento del crecimiento de una grieta a lo largo de los ciclos, De esta manera, se aplica DIC de manera novedosa para su uso en ensayos dinámicos de viga rotatoria, lo cual ofrece un banco de datos con un gran potencial para comprender mejor el comportamiento de las grietas y predecir la vida útil de componentes críticos en diversas industrias, como la energía eólica y la industria automotriz, ferroviaria o aeroespacial.
Parametrización de un volante de inercia para la estabilización energética entre una turbina eólica y una planta desaladora
El acceso a agua potable es un desafío global, particularmente en regiones áridas y costeras. La desalinización por ósmosis inversa ha surgido como una solución efectiva, aunque depende tradicionalmente de energías fósiles. En este contexto, las energías renovables, como la eólica, han ganado protagonismo gracias a su madurez y costo reducido. No obstante, la variabilidad de los recursos renovables plantea desafíos operativos, requiriendo soluciones como almacenamiento en baterías, modularidad de plantas o estabilización mediante volantes de inercia. Este trabajo se enmarca en el Proyecto INERTIA que busca desarrollar un sistema innovador de volantes de inercia de bajo costo con gestión inteligente, para optimizar el uso de energía eólica en plantas desalinizadoras. Como primer paso, se presenta la parametrización mecánica de un prototipo de volante de inercia, analizando variables críticas como par torsor, velocidad angular, vibraciones y/o tensiones mecánicas en la periferia del volante originadas por la variabilidad de la velocidad del mismo para ajustarse a la inherente variabilidad del viento. Este desarrollo permitirá garantizar la estabilidad dinámica y eficiencia energética, contribuyendo a una transición sostenible hacia energías renovables en sistemas de desalinización.
Caracterización mediante procesamiento digital de imágenes del comportamiento hiperelástico del poliuretano termoplástico para fabricación aditiva
En la actualidad, se están desarrollando nuevos estudios para encontrar materiales y geometrías que cumplan con los requisitos de rendimiento que demanda la industria. Los compuestos multimateriales que imitan patrones jerárquicos naturales ofrecen una solución prometedora para mejorar las propiedades mecánicas. En este contexto, las estructuras tipo concha de nácar basadas en una arquitectura ligera de ladrillo y mortero (plaquetas rígidas rodeadas por una matriz blanda), destacan por sus excelentes propiedades fuera del plano y resistencia al impacto. Aunque reproducir este tipo de estructuras es complejo, las tecnologías actuales de fabricación aditiva permiten su fabricación con un costo y esfuerzo razonables. Para replicar este tipo de compuestos bioinspirados se seleccionaron dos materiales: ácido poliláctico (PLA) para las plaquetas y poliuretano termoplástico (TPU) para la matriz. Este último forma parte de la categoría de materiales hiperelásticos, es decir, materiales elásticos no lineales, cuya deformación última es muy elevada, aproximadamente un 500%, y cuyo comportamiento es incompresible o casi incompresible. Para simular estructuras fabricadas con este tipo de material es necesario definir y ajustar un modelo constitutivo y para ello, caracterizar el material de manera experimental. Por este motivo, el presente estudio se centra en el proceso de caracterización del TPU95A de Ultimaker, a través de una serie de ensayos experimentales a tensión, en los que se usaron dos tipos de probetas: probetas tipo “dog-bone” o hueso de perro, para obtener la curva esfuerzo-deformación del material, y probetas rectangulares para calcular el coeficiente de Poisson. Ante la dificultad de usar un extensómetro tradicional debido a la condición hiperelástica del material, la obtención de las deformaciones longitudinales y transversales se realizó mediante posprocesamiento digital de imágenes. El procedimiento anterior fue validado utilizando probetas de Tough PLA. Las deformaciones medidas con extensómetro coincidieron con las obtenidas a través del método óptico y el posprocesamiento de imágenes. Finalmente, se seleccionó el modelo constitutivo Marlow para simular el comportamiento del material en ABAQUS, ya que es un modelo ideal para cuando solo se tienen datos de pruebas uniaxiales.
Estudio sobre la emisión acústica en la deformación plástica de alambre vinculada al proceso de trefilado
La emisión acústica (EA) es una tecnología de sensores que, por sus características de trabajo a alta frecuencia, es sensible ante liberaciones de energía que se producen en los fenómenos de deformación y contacto que se dan en el proceso de trefilado de alambre. La manera en la que se producen estos fenómenos tiene que ver con las condiciones y el estado del proceso, por lo que la EA resulta una herramienta interesante para su monitorización. El análisis y diagnóstico con estas señales conlleva el problema de la simultaneidad de diferentes fenómenos involucrados en la generación de EA. Además, cambios en los parámetros que definen el proceso tienen efecto en las emisiones de EA, añadiendo complejidad para establecer la relación causa-efecto en la respuesta observada. En este trabajo, se analizan señales de EA adquiridas en laboratorio. De este modo, se pretende conseguir un despliegue experimental controlado afectado por menos parámetros que en el entorno industrial. La deformación plástica que se produce por el cambio de sección del alambre sin los efectos de contacto ha sido evaluada mediante un ensayo a tracción, registrando la EA frente a distintas solicitaciones de carga. El análisis de los efectos combinados, deformación volumétrica y de contacto, se ha llevado a cabo utilizando un banco de ensayos de trefilado propio que incorpora un útil diseñado exprofeso que permite integrar la hilera en una máquina de tracción convencional. Como resultados, se presentan los análisis de las señales mediante diferentes procesados que permiten evaluar su morfología y relacionar ciertos aspectos con los mecanismos de deformación y generación de EA.
Problemas y requisitos en el diseño de un robot de guiado para personas ciegas y mayores
La Organización Nacional de Ciegos Españoles (ONCE) y el Instituto Nacional de Estadística (INE) estiman que hay aproximadamente 72 000 personas ciegas o con discapacidad visual grave registradas en España. Además, si se tiene en cuenta a las personas con algún grado de discapacidad visual (moderada o severa), la cifra puede ascender a alrededor de un millón. Por otro lado, el envejecimiento de la población aumenta cada vez más rápido y genera una mayor demanda de dispositivos que prolonguen su vida independiente. Por lo tanto, existe una gran necesidad de desarrollar sistemas robóticos que ayuden a las personas mayores y ciegas a ser más independientes y a sentirse más seguras en sus hogares. El objetivo de este artículo es presentar un robot hexápodo que pueda guiar tanto a personas con discapacidad visual como a personas mayores por entornos interiores y exteriores. Este robot guía se diseñará con sensores que le permitan percibir y analizar el entorno en el que se mueve la persona asistida, generar una ruta de navegación adecuada y proporcionar información en tiempo real. A continuación, la persona asistida seguirá al robot mediante retroalimentación verbal y/o a través de una interfaz mecánica. El robot debe proporcionar información verbal clara mediante un sistema de voz y ser capaz de entender y ejecutar órdenes verbales de la persona asistida, lo que facilitará la interacción sin necesidad de interfaces mecánicas como pantallas táctiles o botones. En este artículo se aborda el análisis de los problemas y requisitos de las soluciones de guiado destinadas a personas invidentes y de la tercera edad. A partir de este análisis, se identifican los requisitos esenciales que deben cumplir las posibles soluciones para ser efectivas y seguras, y esto servirá de base para el desarrollo de un diseño conceptual de un robot guía. Se presenta el diseño conceptual de un robot hexápodo que combina dos patas delanteras con ruedas y cuatro ruedas, dos de ellas motorizadas, todas unidas a una plataforma hexagonal que constituye el cuerpo del robot. Las ruedas están distribuidas de manera simétrica en torno al eje del cuerpo y se ubican detrás de las patas delanteras. Cada pata delantera está compuesta por un actuador lineal. El robot utilizará las ruedas para desplazarse de manera eficiente sobre superficies planas, mientras que las patas delanteras con ruedas le permitirán superar obstáculos como escaleras.
Posicionamiento robótico colaborativo en la Fabricación Inteligente
La Fabricación Inteligente supone un avance significativo en el paradigma industrial actual, dotándolo de mayor flexibilidad, calidad, personalización y eficiencia a la cadena de valor y de una alta interoperabilidad entre todos los agentes del proceso. En este contexto, la integración de la robótica colaborativa y los Robots Móviles Autónomos dentro de un marco de integración común es fundamental para diseñar entornos colaborativos, siendo un factor determinante la ubicación relativa entre los dispositivos. Al no disponer de un marco de posicionamiento efectivo entre los equipos, no se puede garantizar la continuidad ni la calidad de los procesos productivos, pues estos equipos no contemplan ni la situación de otros activos ni la de los productos, induciendo a limitaciones e ineficiencias operativas. A su vez, los errores de navegación de cada dispositivo son de diferente magnitud, los cuales deben ser formalizados, cuantificados y compensados bajo una perspectiva de interacción entre equipos. Sin embargo, a pesar de disponer de metodologías de alta exactitud en la literatura, en la práctica las condiciones de medida pueden afectar a su implementación, generando errores inadmisibles frente a procesos de baja tolerancia dimensional. Así pues, en este artículo se propondrá la implementación de un nuevo marco de integración que aborde los errores de posicionamiento para la realización de operaciones autónomas de bajas tolerancias dimensionales. Para ello, se realizará un estudio de los distintos errores de posicionamiento y se diseñará una nueva metodología para su compensación basada en la definición de puntos ficticios. Además, a través de un caso de estudio práctico de montaje de piezas de baja tolerancia dimensional se evaluarán las capacidades de la metodología frente a otras técnicas del campo de la robótica colaborativa de precisión para conocer su eficiencia.
Efecto de la retroalimentación visual en la evaluación del equilibrio estático frente a perturbaciones: estudio comparativo
Este trabajo de investigación presenta un estudio comparativo de diversos indicadores derivados del centro de presión adquirido mediante la plataforma OREKA que induce perturbaciones controladas y mide la respuesta para el análisis de la función del equilibrio de las personas. OREKA es una plataforma dinamométrica móvil basada en un manipulador paralelo 3-PRS con dos grados de libertad rotacionales alrededor de ambos ejes horizontales y una traslación sobre el eje z. Adicionalmente, está instrumentada con retroalimentación visual en una pantalla. La posición del centro de presión se calcula a partir de las fuerzas de reacción medidas por los sensores de la plataforma dinamométrica. El ensayo se llevó a cabo con un conjunto de 28 voluntarios los cuales realizaron una batería de ejercicios en posición bipedestada bajo dos condiciones, con y sin retroalimentación en la pantalla, con el objetivo de identificar el impacto de dichas condiciones sobre el comportamiento del control postural. Las perturbaciones inducidas por la máquina durante los ejercicios consistieron en seis rotaciones anteroposteriores y tres mediolaterales con diferentes amplitudes y velocidades. Para identificar las diferencias entre ambas condiciones se realizó un estudio comparativo aplicando la prueba t-student a diversos indicadores derivados del centro de presión, los cuales son: distancias y velocidades medias en dirección anteroposterior y mediolateral, área de la elipse de predicción del estatocinesigrama y ejes menor-mayor del diagrama de Poincaré. Los resultados obtenidos permiten identificar que los valores de los indicadores tienden a ser menores cuando la retroalimentación visual en la pantalla se encuentra ausente. Esto se interpreta como que las personas tienden a tener un mejor desempeño en la función del equilibrio cuando se les permite adaptarse naturalmente a las perturbaciones de la máquina. En estudios posteriores se pretende comparar el comportamiento de los indicadores entre personas que han sufrido ictus y personas aparentemente sanas de tal manera que se siga profundizando en las capacidades de la plataforma OREKA para potenciales aplicaciones de entrenamiento y evaluación en el ámbito clínico
La convergencia de la realidad mixta y la robótica móvil en la industria promete redefinir el modo en que los operarios interactúan con maquinaria y sistemas mecatrónicos. Por este motivo, se plantea el desarrollo de una plataforma avanzada para el control y manejo de robots móviles mediante el uso de gafas de Realidad Mixta (RM). Para ello es necesario basarse en las tecnologías de la industria 5.0 como la RM, los Gemelos Digitales (GD) o el Internet Industrial de las Cosas (IIdC). En este sentido, la propuesta busca integrar la visualización de máquinas y elementos externos en tiempo real, ofreciendo a los usuarios un contexto inmersivo sin requerir su presencia física en el lugar de operación. Por lo tanto, con esta herramienta, los operadores podrán gestionar robots móviles en un entorno virtual que replica al detalle las condiciones del espacio de trabajo, desde sus dimensiones y obstáculos hasta las condiciones operativas dinámicas gracias a los GD. El concepto de GD es fundamental en esta plataforma, permitiendo la creación de un modelo virtual que refleja con precisión el estado y comportamiento de los robots en tiempo real. A través del IIdC, la información operativa se transmite entre el entorno físico y su representación digital, ofreciendo a los usuarios una experiencia enriquecida con datos precisos de posición, velocidad, así como condiciones de los elementos del sistema. Estos modelos digitales no solo replican el estado actual de la máquina, sino que también permite simular diferentes escenarios de operación para predecir comportamientos permitiendo optimizar el rendimiento productivo. Además, la plataforma permitirá a los operadores interactuar con la maquinaria en un entorno seguro, donde puedan experimentar escenarios que presentan posibles riesgos o fallos, entrenando sus habilidades de respuesta ante situaciones de emergencia. La superposición de los objetos virtuales sobre el contexto físico permite al usuario tener una experiencia inmersiva y contextualizada, mejorando la integridad de los equipos y de los operadores. Este enfoque reduce el tiempo de inactividad, optimiza la formación y disminuye la necesidad de realizar pruebas en entornos reales, aumentando así la vida útil de la maquinaria y minimizando el desgaste de los sistemas mecatrónicos.
Influencia del grado de libertad redundante en el comportamiento estructural de un brazo robótico de 7 grados de libertad.
Dentro de la industria, la robótica está adquiriendo más potencia como uso de herramienta auxiliar en los procesos de fabricación. Bien sean actividades de gran envergadura (robótica industrial) como operaciones humano-máquina (robótica colaborativa), el conocimiento de las propiedades físicas de los brazos robóticos es imprescindible para la correcta integración y aplicación de dichas máquinas. La robótica colaborativa aborda el desempeño de actividades más complejas, en las cuales el movimiento y la precisión priman sobre las dimensiones y el peso. El aumento del número de articulaciones (grados de libertad) en un brazo robótico le otorga versatilidad de movimiento, pudiendo adaptarse con mayor facilidad a la actividad desempeñada y a los espacios de trabajo. Cuando se tiene un brazo robótico con más de 6 grados de libertad en su cadena cinemática articular, la posición y orientación del elemento terminal queda sobredefinida. Esta situación se conoce como redundancia cinemática. En este caso, el elemento terminal del robot puede llegar a una posición y orientación determinada en infinitas posiciones articulares. Sin embargo, el comportamiento estático y dinámico del brazo robótico varía para cada una de estas posiciones articulares. En este trabajo se verá la influencia del grado de libertad redundante en el comportamiento de un robot colaborativo de 7 grados de libertad (KUKA IIWA LBR 14 R820), realizando un estudio experimental de rigideces y un análisis modal experimental al sistema. Con ello, se obtienen mapas de rigideces del elemento terminal y de frecuencias naturales y amortiguamientos relativos del brazo robótico en función de su posición y del valor de la coordenada redundante definida.
Análisis de métodos de caracterización dinámica aplicados a robots industriales
En las últimas décadas, las aplicaciones en las que se utilizan robots industriales han aumentado considerablemente, incrementando la demanda de precisión en el posicionamiento de ellas. No obstante, aunque los robots industriales se caracterizan por ser altamente repetitivos, suelen presentar carencias en la precisión posicional. Estas imprecisiones se deben principalmente a errores geométricos, fuerzas externas, a la baja rigidez y las holguras de sus articulaciones, ya que el diseño de los robots prioriza la flexibilidad posicional sobre la rigidez estructural. Las estrategias de compensación de trayectorias son utilizadas comúnmente, con el objetivo de mejorar la precisión de posicionado de los robots industriales. Para ello, se requiere el desarrollo de un modelo cinemático-dinámico, provisto de las rigideces y holguras articulares, además de los parámetros dinámicos específicos del robot. Dado que los fabricantes de robots no proporcionan parámetros dinámicos del robot, como masas e inercias, se requieren técnicas experimentales que permitan estimarlos con precisión. Aunque los métodos de caracterización dinámica permiten establecer parámetros para modelar el comportamiento global del robot, en muchos casos los valores obtenidos carecen de sentido físico y pueden variar considerablemente según las condiciones de ensayo, el modelo de robot empleado y las restricciones aplicadas a los valores objetivo. Con el objetivo de determinar una metodología de caracterización dinámica, se han llevado a cabo ensayos con un robot industrial a distintas velocidades. Con los datos obtenidos, se ha realizado la estimación de los parámetros dinámicos, considerando distintos modelos de robot y evaluando el impacto de restringir los rangos de los parámetros dinámicos evaluados.
Método experimental para determinación de los parámetros dinámicos de un robot
Los robots industriales de seis grados de libertad son empleados, de manera habitual, en células flexibles de fabricación para carga y descarga de máquinas y manipulación de piezas y otros elementos o en células de mecanizado. En este último caso, los robots, al no alcanzar precisiones de posicionamiento elevadas, se relegan a la realización de tareas de pre-mecanizado y desbarbado, o para tareas de manipulación. Para poder mejorar la productividad de las células de mecanizado mediante la redistribución de tareas entre los centros de mecanizado y el robot o entre fases previas de conformado y el robot, es necesario establecer la capacidad real de trabajo del robot considerando las fuerzas del proceso a realizar y teniendo en cuenta la precisión especificada del producto a fabricar mediante el modelado específico de su comportamiento. Para ello, se requiere conocer los parámetros dinámicos del robot, información que no está disponible por parte de los fabricantes. En el trabajo que se presenta, se propone un método experimental para determinar los parámetros dinámicos del robot. El método desarrollado utiliza la señal del movimiento angular que el controlador envía a cada motor como consigna y la compara con el movimiento angular de salidaque realiza el robot, medido con un sensor de alta precisión. De esta manera, se obtiene la función de transferencia para dos grados de libertad, caracterizando la rigidez y el amortiguamiento dinámico de cada articulación. La verificación se ha realizado simulando una célula que mecaniza piezas de aluminio mediante el método de sistemas multicuerpo con formulación en coordenadas naturales mixtas (MBSmc) y considerando una rigidez variable en las articulaciones del robot. En el robot utilizado, se ha montado un husillo que permite realizar fresados periféricos y taladrados. La simulación muestra los resultados con el modelado del proceso completo sin la influencia de los parámetros dinámicos y con ellos. Como resultado del trabajo, se espera determinar el incremento de productividad que se puede conseguir en aplicaciones de mecanizado robotizado o en células de fabricación flexibles.
Una propuesta metodológica para la resolución del problema dinámico de un robot manipulador en base a la formulación Lagrangiana.
El núcleo del problema que se analiza en el presente artículo de investigación se focaliza en el análisis dinámico de un robot manipulador con carga exterior en su extremo. En este sentido, la propuesta metodológica que se utiliza en términos de la introducción de fuerzas no conservativas (no derivadas de un potencial), se concentra en el uso de la expresión más extendida de las ecuaciones de movimiento de Lagrange. El concepto de fuerza generalizada asociado al de trabajo virtual son sustanciales para la obtención de las ecuaciones de movimiento. En este contexto, se obtienen distintos resultados en base al modelo dinámico obtenido; tales como custodiar valores de la fuerza aplicada en el efector terminal para diferentes trayectorias articulares, así como también analizar la respuesta temporal de los pares de torsión en las articulaciones del robot manipulador. Los resultados obtenidos en el presente trabajo constituyen referencias vitales en el análisis del control de posición y de la estabilidad asintótica global para el diseño del sistema de control.
Definición de Key Performance Indicators (KPIs) para la gestión de stakeholders en proyectos de ingeniería mecánica
La gestión de stakeholders en proyectos de ingeniería mecánica es un proceso complejo que requiere una planificación detallada y una ejecución efectiva. Los Indicadores Clave de Desempeño (KPIs) son herramientas esenciales para monitorear el progreso del proyecto, evaluar la satisfacción de los stakeholders y tomar decisiones basadas en datos objetivos. Al alinear los KPIs con las competencias de comunicación del estándar IPMA ICB 4.0, se refuerza el enfoque en construir relaciones sólidas y gestionar las expectativas de manera transparente. La importancia de los KPIs se extiende a lo largo de todo el ciclo de vida del proyecto. En la fase de inicio, los KPIs ayudan a definir el alcance del proyecto, identificar a los stakeholders clave y establecer las expectativas iniciales. Durante la fase de planificación, los KPIs se utilizan para desarrollar el plan de proyecto, asignar recursos y establecer los objetivos y metas a alcanzar. En la fase de ejecución, los KPIs permiten monitorear el progreso del proyecto en tiempo real, identificar desviaciones del plan y tomar acciones correctivas. Finalmente, en la fase de cierre, los KPIs se utilizan para evaluar el desempeño del proyecto, medir la satisfacción de los stakeholders y extraer lecciones aprendidas para futuros proyectos. La selección de KPIs adecuados es crucial para el éxito de esta estrategia. Los KPIs deben ser específicos, medibles, alcanzables, relevantes y temporales (SMART). Algunos ejemplos de KPIs incluyen aquellos relacionados con el alcance, el tiempo, el costo, la calidad, la comunicación y el riesgo. Es fundamental relacionar estos KPIs con los objetivos estratégicos de la organización y con las necesidades específicas de cada proyecto. Sin embargo, la implementación de KPIs no está exenta de desafíos. La resistencia al cambio, la falta de datos confiables y la dificultad para definir KPIs relevantes son las principales barreras. Para superar estos desafíos, es necesario fomentar una cultura de datos, invertir en herramientas tecnológicas y seleccionar los KPIs más críticos para el proyecto. Entre las conclusiones se han detectado que la estrategia de comunicación debe establecer una plataforma de comunicación eficaz y transparente con todos los stakeholders involucrados en el proyecto. Hay que buscar garantizar que todos los participantes estén informados, alineados y comprometidos con los objetivos del proyecto. A través de una comunicación clara y adecuada, tanto en el contenido, como en los tiempos, con la intención de fomentar la colaboración, resolver conflictos de manera proactiva, y asegurar la toma de decisiones informadas. En última instancia, nuestra meta es lograr una alta satisfacción del cliente y el éxito del proyecto en su conjunto.
Inteligencia Artificial: Catalizador de la Competitividad en la Dirección de Proyectos
Como estrategia innovadora y polifacética para la mejora de los procesos en entornos industriales, la eficiencia y la reducción de costes, se contemplan la integración de conceptos fundamentales como son Lean Manufacturing, Supply Chain, Project Management e Inteligencia Artificial (IA). A medida que las empresas buscan adaptarse a un mercado global cada vez más competitivo y dinámico, estos cuatro enfoques ofrecen un marco robusto para abordar desafíos operacionales y responder a las demandas de calidad, rapidez y personalización en la producción y distribución. Lean Manufacturing se centra en la reducción de tareas que no añaden valor y la maximización de valor a través de la mejora continua y el uso eficiente de los recursos. Al aplicar principios Lean en la cadena de suministro, las organizaciones pueden reducir tiempos de espera y costes, optimizando cada etapa del flujo de materiales. Sin embargo, la implementación de Lean a través de sus técnicas y herramientas requiere una gestión cuidadosa y estratégica, especialmente en un entorno dinámico de cadena de suministro, donde surgen constantemente desafíos que afectan a la producción. Aquí es donde Project Management se convierte en un elemento clave, facilitando una planificación y coordinación efectivas de las actividades Lean, minimizando riesgos y asegurando la ejecución exitosa de cada fase de mejora. La cadena de suministro (Supply Chain) actual enfrenta retos de complejidad y volatilidad. Un enfoque de gestión de proyectos orientado a lean es esencial para una planificación ágil y eficiente, ayudando a los gerentes de proyecto a alinear recursos y coordinar esfuerzos en toda la cadena. Es aquí donde la IA amplía las capacidades al proporcionar herramientas avanzadas de análisis predictivo y automatización que permiten anticipar fluctuaciones en la demanda, optimizar rutas de transporte y gestionar inventarios de manera adaptativa. Así, la IA complementa el enfoque Lean al ofrecer una mayor precisión y rapidez en la toma de decisiones, mejorando la capacidad de respuesta de la cadena de suministro. Esto significa que la IA podría jugar un papel crucial en la integración de estos enfoques. En un contexto de Lean Manufacturing, la IA facilita la identificación de patrones y áreas de desperdicio en el flujo de producción, impulsando mejoras de eficiencia a través de sistemas predictivos que anticipan fallas y optimizan el uso de recursos. Además, al integrarse en cadena de suministro, la IA permite desarrollar modelos predictivos de demanda, personalizar la producción según las preferencias de los clientes y poder gestionar en tiempo real, crucial para una operación ágil y competitiva. A su vez, la gestión de proyectos se beneficia de la IA mediante herramientas que ayudan en la planificación de recursos y monitoreo de proyectos en tiempo real. También es posible analizar riesgos potenciales y proporcionar recomendaciones sobre cómo mitigarlos, mejorando la precisión en la gestión de los plazos y la asignación de recursos. Por tanto, el presente artículo pretende estudiar como a través de la IA actuando como catalizador es posible conseguir maximizar la eficiencia y adaptabilidad de la cadena de suministro y los procesos industriales constituyendo una estrategia transformadora para empresas que buscan mejorar su competitividad en un entorno globalizado.
Desarrollo de una máquina de ensayos para la evaluación del comportamiento dinámico de elastómeros a alta frecuencia
La caracterización del comportamiento dinámico de piezas elastoméricas en un rango de frecuencias elevado es un reto importante en el sector del vehículo eléctrico. La nueva movilidad eléctrica ha eliminado los sonidos que generaban los motores de combustión, con rangos de frecuencia entre los 50Hz y los 200 Hz. La desaparición de estos ruidos revela la existencia de sonidos originados en otros sistemas, como la calefacción, la ventilación, la rodadura de los neumáticos, etc. A esto se suman las vibraciones y ruidos de alta frecuencia (hasta 2 a 3 kHz) intrínsecos de este sistema electromotriz. Estas nuevas fuentes de vibración alcanzan el interior del habitáculo del vehículo y hasta el momento no se habían abordado para lograr su aislamiento. La mejora del confort de los ocupantes en un vehículo eléctrico es una prioridad para estimular la adquisición de esta alternativa al vehículo de combustión interna. Existen numerosos estudios sobre la caracterización de casquillos de caucho en un rango de frecuencias de hasta 200 Hz, pero existe un vacío en la caracterización y simulación de casquillos de caucho a muy altas frecuencias. Este trabajo presenta una máquina de ensayos cuyo diseño se basa en las recomendaciones de la norma técnica UNE-EN ISO10846 relativa a la medición en laboratorio de las propiedades de transferencia vibroacústica de elementos elásticos. En concreto, las mediciones se basarán en el método indirecto propuesto en la norma. De manera que, se emplee una masa de bloqueo para aislar el sistema del banco de ensayos y evitar problemas de resonancia. La excitación se impone por medio de un excitador electrodinámico de baja carga que aplica el desplazamiento armónico sobre la probeta de caucho. Ésta a su vez se sujeta a una masa sísmica que queda sostenida por un sistema de gomas elásticas sobre una estructura o banco de ensayos. El trabajo ha contemplado la realización de ensayos de validación sobre casquillos cilíndricos de caucho. También se han llevado a cabo verificaciones mediante modelos de elementos finitos.
Dimensionamiento de actuador inercial para mejora de comportamiento dinámico de máquina de deposición de fibras
La fabricación de piezas de compuestos de fibra conlleva hoy en día múltiples etapas de trabajo manual. En concreto, el proceso de laminación, consistente en apilar varias capas de telas preformadas de fibra para su posterior moldeado, requiere de una alta precisión y por tanto mano de obra altamente especializada. La automatización de este proceso necesita una máquina extremadamente precisa y adaptable. Por lo tanto, las vibraciones que puedan perjudicar la precisión en la colocación de las láminas han de ser controladas para maximizar la productividad. Los actuadores inerciales conforman una familia de transductores que aplican fuerza al sistema como reacción al movimiento controlado de una masa, siendo los más comunes los basados en el electromagnetismo. Estos actuadores presentan una alta densidad de fuerza con respecto a tu tamaño y una alta capacidad de control sobre la fuerza ejercida, haciéndolos ideales para el control de vibraciones. En el presente trabajo se realiza la caracterización de un actuador inercial cuyo objetivo es ser implementado en una máquina de laminación de fibra para mejorar su productividad. La estructura de la máquina consiste en un carro lineal que porta un travesaño alto sobre el que se desplaza un carnero vertical que porta el cabezal encargado de transportar y procesar las telas preformadas. Como consecuencia de esta geometría la velocidad máxima de operación está limitada por vibraciones residuales de baja frecuencia. Para seleccionar el actuador inercial adecuado, se identifican las vibraciones críticas de la máquina en las distintas zonas de trabajo. Para ello se han medido las vibraciones residuales derivadas de movimientos rápidos en las tres direcciones cartesianas y distintas posiciones con los diferentes cabezales con los que cuenta la máquina, determinando la amplitud y tiempo de establecimiento de las vibraciones. Además, se han obtenido las funciones de respuesta en frecuencia (FRF) para relacionar las vibraciones con los modos propios de la máquina. A continuación, se realiza un análisis modal de la máquina. De esta forma se identifican las formas y masas modales correspondientes a las vibraciones a suprimir, lo cual permite determinar la fuerza nominal objetivo, las dimensiones y el rango de frecuencias del actuador inercial. Para finalizar el estudio, se simula la reducción de vibraciones proporcionada por el actuador usando un modelo mecatrónico simplificado de la máquina.
Identificación de la anisotropía en componentes de automoción mediante ensayos dinámicos
Este artículo presenta una metodología de identificación de la anisotropía introducida por el proceso de fabricación mediante ensayos dinámicos. Se fundamenta en la identificación del comportamiento no lineal en puntos críticos de componentes de automoción. Una ventaja de esta metodología es que es especialmente útil para componentes manufacturados, donde queremos considerar el impacto del proceso de fabricación, especialmente en puntos críticos del componente, como cambios de secciones y curvaturas. Como resultado, podemos identificar cambios en las propiedades dinámicas derivado de la anisotropía en componentes de automoción clave para garantizar el confort de los usuarios, así como el comportamiento dinámico del vehículo.
Mejora del confort en trenes de muy alta velocidad mediante la optimización de la suspensión secundaria con algoritmos metaheurísticos
Este trabajo propone el empleo, en trenes de alta y muy alta velocidad, de una suspensión secundaria neumática adaptativa que mejora el comportamiento de las tradicionales configuraciones pasivas sin emplear complejos sistemas activos o semiactivos. La adaptabilidad se consigue mediante un control tipo lookup table que determina la sección óptima del orificio que restringe el flujo de aire entre el muelle neumático y el depósito auxiliar para cualquier combinación de velocidad de operación (entre 300 y 400 km/h en intervalos de 25 km/h) y calidad de vía (4 calidades definidas según la norma ORE). Los diámetros óptimos se determinan previamente con el algoritmo metaheurístico Particle Swarm Optimization sobre un modelo 1D que incluye los modos flexibles de la caja y que ha sido validado por un modelo multicuerpo 3D desarrollado en ANSYS y ADAMS VI-Rail. La función de coste empleada considera la media del índice de confort NMV medido en las tres ubicaciones que indica la norma UNE-EN-12299 (en el centro y los extremos del compartimento de pasajeros). La naturaleza estocástica del problema conduce a una distribución de probabilidad de diámetros óptimos para cada par velocidad-calidad de vía, de modo que los mapas de selección del diámetro óptimo se determinan a partir del percentil 50 de dicha distribución. Los resultados muestran que el uso del control adaptativo mejora el índice de confort NMV con respecto a una suspensión pasiva hasta en un 45% para una vía con bajas irregularidades recorrida a velocidades superiores a 375 km/h. De hecho, las mayores mejoras se observan para calidades de vía buenas o intermedias recorridas a altas velocidades, lo que apoya el empleo de este control dada la tendencia actual de aumentar las velocidades de operación y de mejorar las infraestructuras.
Estimación mediante Redes Neuronales de las frecuencias naturales de vigas dañadas de material compuesto
Las Redes Neuronales Artificiales (RNAs) son técnicas no paramétricas que se utilizan frecuentemente debido a que permiten abordar problemas de ingeniería complejos, tales como problemas de predicción y optimización. En el presente trabajo se ha desarrollado una metodología, basada en RNAs, que estima el valor de las cuatro primeras frecuencias naturales de vigas dañadas de material compuesto que combina pieles de polímeros reforzados con fibra de carbono y núcleo de nido de abeja en función en función de la velocidad de rotación y de las características del defecto (tamaño y localización). Las palas de los aerogeneradores son componentes mecánicos que suelen simplificarse en forma de vigas giratorias para su estudio. Estos elementos pueden sufrir daños durante su vida útil. Numerosas investigaciones se han centrado en la detección de defectos en componentes mecánicos, permitiendo el desarrollo de planes de mantenimiento adecuados para evitar pérdidas asociadas al fallo de todo el sistema. En la actualidad, las palas de los aerogeneradores suelen estar fabricadas con estructuras sándwich compuestas por pieles de laminados de fibra de vidrio y núcleos de espuma polimérica. Sin embargo, debido al aumento del tamaño de los aerogeneradores, es necesario buscar materiales más ligeros y resistentes para las palas, con el fin de reducir el peso de todo el conjunto. Por ello, en este trabajo se han utilizado estructuras sándwich que combinan pieles de polímeros reforzados con fibra de carbono y núcleo de nido de abeja. Los datos necesarios para entrenar la RNA se han obtenido a partir de un modelo numérico dinámico tridimensional de una viga sándwich con una discontinuidad transversal en el núcleo. Las frecuencias naturales de la viga se han obtenido aplicando la FFT a las aceleraciones calculadas por el modelo. La red neuronal artificial propuesta presenta una excelente alternativa para el análisis de la respuesta vibratoria de vigas sándwich dañadas, ya que es eficiente y fácil de usar, a la vez que tiene un bajo coste computacional.
Estudio experimental de técnicas pasivas de amortiguamiento en una viga en voladizo mediante parches piezoeléctricos y CLD
Este trabajo presenta un estudio experimental cuyo objetivo es identificar métodos efectivos para reducir las vibraciones en estructuras ligeras. Se comparan específicamente dos enfoques pasivos aplicados a una viga de aluminio en voladizo: parches piezoeléctricos y recubrimientos viscoelásticos. A diferencia de las soluciones activas, que requieren un consumo constante de energía, los métodos pasivos destacan por su simplicidad, bajo mantenimiento y eficacia a largo plazo. La primera técnica propuesta utiliza parches piezoeléctricos, con tres valores de capacitancia distintos, ubicados en diferentes zonas de la viga y conectados a dos tipos de circuitos de derivación: resistivo e inductivo. Esta técnica logra una reducción de vibraciones del 92%. La segunda estrategia explora el amortiguamiento de la viga revistiéndola con un material viscoelástico disipativo y diferentes capas constrictoras (constrained layer damping, CLD), alcanzando una reducción del 89%. Ambos enfoques muestran un potencial significativo para reducir vibraciones indeseadas, proporcionando soluciones prácticas para su aplicación en estructuras ligeras. Finalmente, se ha estudiado la combinación de ambas técnicas mediante la selección de las configuraciones que logren los mejores resultados, alcanzando una reducción del 95%. Los resultados de este trabajo ofrecen una perspectiva detallada sobre la efectividad de estos métodos pasivos, tanto por separado como en conjunto, con importantes implicaciones para aplicaciones que demanden sistemas con cierto amortiguamiento estructural.
Mecanismos sencillos de actuación en piezoeléctricos fijados a vigas para control de vibraciones
En las últimas décadas, se ha observado un notable aumento en el volumen de publicaciones académicas que utilizan actuadores piezoeléctricos en estructuras con el propósito de atenuar vibraciones. En general, se utilizan de forma pasiva o semiactiva mediante la conexión a circuitos de derivación o shunt; aunque también pueden utilizarse de forma activa aplicando directamente tensiones en el actuador piezoeléctrico. En este trabajo se presenta un caso de estudio simple, consistente en la aplicación de un control de tipo LQR/LQG en una estructura consistente en una viga en voladizo a la que se ha fijado un parche piezoeléctrico muy cercano a la raíz del empotramiento. Esta viga es perturbada a través de su base (con aceleración de magnitud acotada pero desconocida) y la misión de la actuación del piezoeléctrico es atenuar la vibración del extremo libre de la viga en voladizo. Como es habitual en este tipo de estudios, la capacidad del control para cancelación de vibraciones se mide mediante el cociente de las PSD del extremo libre frente a la excitación de la base. En el trabajo se comprueba que el desempeño del control LQR/LQG es razonable para esta aplicación.
Reducción activa de vibraciones en vigas equipadas con actuador piezoeléctrico mediante técnicas de control predictivo
Se ha observado un notable y creciente interés, tanto en el mundo académico como en el empresarial, en el uso de materiales piezoeléctricos en estructuras para la cancelación de las vibraciones mecánicas que se produzcan en ellas cuando se encuentran en servicio. Si bien se encuentra documentación abundante en la literatura para el uso de estos dispositivos, la mayor parte de los estudios encontrados se centran en la utilización de dispositivos piezoeléctricos, bien de forma pasiva o semiactiva a través de circuitos de derivación (shunts) con diferentes parámetros. La excitación activa del piezoeléctrico se contempla en un número limitado de casos, y es todavía más escasa la consideración de arquitecturas de control avanzado como el control predictivo basado en modelo (CPBM, o más frecuentemente MPC, del inglés Model Predictive Control). El control mediante MPC es de indiscutible interés en la industria y la academia y es una línea de investigación que ha permanecido continuamente activo desde sus primeros avances en los años 70 y 80, debido a que permite calcular las acciones de control óptimas a lo largo de un horizonte futuro de control para llevar el sistema controlado a la referencia deseada, ofreciendo gran flexibilidad en sus propiedades. En este trabajo se presenta el análisis de la respuesta de un controlador predictivo simple en una viga en voladizo excitada mediante aceleraciones en su base. La actuación se realiza por medio de la incorporación de un parche piezoeléctrico fijado cerca de la base, y el objetivo es atenuar la vibración en el extremo libre. La medida de efectividad en la cancelación de vibraciones se cuantifica a través de la reducción en el cociente de las PSD (Power Spectral Density) de la aceleración en el extremo libre frente a la de la base del sistema controlado en comparación con el sistema sin controlar. El enfoque de control predictivo utilizado resuelve el sistema para todo el horizonte de control en cada instante de tiempo, lo que resulta costoso de procesar e imposible de ejecutar en tiempo real, lo que motiva que en este trabajo se presenten únicamente resultados de simulación y se propongan otras alternativas.
Caracterización de Relojes Inteligentes para el Análisis del Movimiento Humano
La tecnología wearable ha experimentado un crecimiento notable en los últimos años, especialmente en el caso de los relojes inteligentes, gracias a sus ventajas prácticas y su sencillez de uso. Estos dispositivos incorporan sensores con gran potencial para su uso en distintas aplicaciones, como por ejemplo seguridad, la ergonomía, el monitoreo de actividad física y la detección de movimientos. Distintos estudios han identificado que los sensores inerciales integrados en dispositivos inteligentes pueden presentar imprecisiones que afectan a la calidad de la adquisición de datos, lo que puede comprometer su utilidad en diversas aplicaciones. Este trabajo presenta una propuesta para evaluar la respuesta en amplitud y frecuencia de los acelerómetros integrados en distintas unidades de relojes inteligentes comerciales. Los resultados muestran que, a pesar de las limitaciones técnicas derivadas de las configuraciones de fábrica, estos dispositivos pueden ser utilizados en aplicaciones relacionadas distintas actividades relacionadas con el análisis del movimiento humano (salud, evaluación de actividad física o evaluación de riesgos laborales, entre otros).
Análisis numérico de la disipación de energía por corrientes de Foucault inducidas por la vibración de una viga
La atenuación de vibraciones es un desafío recurrente en la ingeniería mecánica, con numerosas técnicas disponibles para abordarlo. Entre ellas, las corrientes de Foucault destacan por su respuesta instantánea, naturaleza reversible, y la ausencia de masa añadida o desgaste en el sistema estructural en el que se inducen. Estas corrientes se generan debido a la interacción entre el movimiento de un sistema vibrante y un campo magnético externo. Conocer la naturaleza y la capacidad disipativa que se puede obtener mediante las corrientes de Foucault es esencial para su implementación en sistemas estructurales. Por lo tanto, este trabajo analiza una viga simplemente apoyada que vibra en estado estacionario en el seno de un campo magnético uniforme y constante en el tiempo. Se considera que la viga es conductora, paramagnética y delgada, por lo que se desprecia la autoinducción. Este estudio permite analizar la relación entre el movimiento estructural, las corrientes de Foucault inducidas y las fuerzas disipativas resultantes ante distintas orientaciones del campo magnético. Las vibraciones de la viga se caracterizan mediante modos de flexión o de torsión. Un obstáculo recurrente en el uso de corrientes de Foucault para la mitigación de vibraciones es la complejidad matemática de las ecuaciones involucradas, las cuales carecen de soluciones analíticas, y, por tanto, se requieren de métodos numéricos complejos para resolverlas. Para superar esta limitación, este estudio emplea un método numérico desarrollado recientemente basado en diferencias finitas, adaptable al caso de la viga en apoyos simples, y extendido para incluir los efectos de la inducción electromagnética por movimiento. A través de este enfoque, se obtienen y visualizan mapas de corrientes inducidas correspondientes a los primeros cuatro modos de vibración, tanto en flexión como en torsión. Los resultados muestran cómo el tipo de vibración y la orientación del campo magnético afectan directamente a la naturaleza de las corrientes inducidas y, por ende, a su capacidad para disipar energía. Se cuantifica esta disipación mediante la potencia disipada por las corrientes de Foucault y el cálculo del factor amortiguamiento modal, complementado con representaciones visuales de las distribuciones de fuerza y potencia a lo largo de la viga. Los resultados revelan que la orientación del campo magnético es un parámetro clave en el diseño de aplicaciones basadas en corrientes de Foucault, ya que, si se aplica simultáneamente en dos direcciones, origina un acoplamiento entre los modos de flexión y torsión. Se concluye que las corrientes de Foucault presentan una mayor eficacia disipativa en bajas frecuencias, lo que representa una ventaja significativa frente a otras técnicas, como los recubrimientos viscoelásticos, que suelen ser menos efectivos en este rango de frecuencia.
Análisis de las vibraciones generadas por el tráfico en entornos urbanos
Este trabajo busca analizar las vibraciones generadas por el paso de diferentes tipos de vehículos en entornos urbanos, con especial énfasis en el transporte público, debido a la tendencia de electrificación del parque móvil que se está produciendo actualmente. Para ello, se han evaluado las vibraciones producidas por el paso de autobuses, tanto térmicos como eléctricos, en las inmediaciones de las vías de diferentes localizaciones de la ciudad de Montevideo (Uruguay), con el objetivo de proteger de los efectos nocivos de las vibraciones a las viviendas cercanas. A su vez, se han realizado también medidas de vibraciones en la ciudad de Elche (España). Paralelamente, se ha desarrollado un modelo de elementos finitos que permite predecir la propagación de las vibraciones debidas a la circulación de vehículos. Este modelo se encuentra parametrizado para poder comparar los efectos vibracionales de diferentes categorías de vehículos, así como de diferentes tipologías de calzada.
Emisión sonora de las estaciones de carga rápida para vehículos eléctricos
Los vehículos eléctricos son considerados como una herramienta para apoyar la descarbonización del sector del transporte. Además, los vehículos eléctricos reducen la contaminación acústica debida a su circulación en áreas urbanas, contribuyendo a una disminución general de los niveles sonoros en las ciudades. A pesar de sus ventajas, la adopción de los vehículos eléctricos enfrenta limitaciones, particularmente relacionadas con la autonomía de las baterías y los tiempos de carga, aspectos que han sido mitigados gracias a las recientes mejoras en la tecnología de carga rápida. Sin embargo, este trabajo destaca una desventaja de las estaciones de carga rápida de corriente continua: emisiones de ruido de alta frecuencia durante la carga rápida, que pueden molestar a los residentes cercanos, especialmente en núcleos urbanos y residenciales. Este ruido, resultado de la creciente infraestructura de carga rápida, ha generado quejas e incluso restricciones operativas para algunas estaciones de carga. Por ello, este trabajo analiza las emisiones sonoras de una amplia muestra de estaciones de carga rápida de corriente continua de las principales marcas del mercado europeo, con el objetivo de proporcionar herramientas que ayuden a fabricantes, instaladores y operadores de estaciones de carga rápida a mitigar las emisiones sonoras mencionadas.
Efecto de la dispersión de la precarga en la respuesta dinámica de rodamientos de vuelco de cuatro puntos de contacto
Los rodamientos de vuelco de cuatro puntos de contacto son componentes críticos de sistemas mecánicos enfocados a aplicaciones de orientación. A diferencia de los rodamientos convencionales empleados en máquinas rotatorias, estos permanecen la mayor parte del tiempo bloqueados en giro, siendo por tanto la naturaleza de las fuerzas externas su principal fuente de vibración. Es en este punto donde el amortiguamiento del propio rodamiento juega un papel clave. Con el fin de desarrollar un modelo analítico adecuado para correlarlo experimentalmente, en trabajos previos, se ha validado mediante el Método de los Elementos Finitos un modelo de un grado de libertad para abordar la dinámica de estos rodamientos cuando están sometidos a cargas dinámicas en su dirección axial. Sin embargo, dado que es sabido que los errores de fabricación de las pistas afectan a la distribución de la carga entre los elementos rodantes, se cree que también pueden influir en la respuesta dinámica del propio rodamiento de tal forma que, cuando el rodamiento es sometido a una excitación axial, la respuesta del mismo no sea puramente axial. Para considerar el efecto de estos errores, así como otros posibles errores de montaje, en este trabajo en primer lugar se expande el modelo analítico de un grado de libertad a cinco. A continuación, haciendo uso de una metodología experimentalmente probada para la caracterización del par de fricción, se implementa el efecto de los errores de fabricación en el modelo. Finalmente, se realizan una serie de simulaciones con este nuevo modelo y se comparan los resultados obtenidos con los proporcionados por el modelo previo que no tiene en cuenta los errores de fabricación, cuantificando así el efecto que estos tienen en la respuesta dinámica del rodamiento. Asimismo, estos resultados se comparan con una serie de ensayos experimentales.
Evaluación de los efectos de la corrosión del acero en ambientes mineros mediante la aplicación de IA
Uno de los principales problemas que sufren las instalaciones mineras de sulfuros son las pérdidas económicas debidas a la corrosión del acero, que se ve acelerada y agravada por el contacto con las aguas ácidas que se generan en estas minas cuando los sulfuros entran en contacto con el oxígeno y el agua. Esta generación de aguas ácidas, a su vez, se ve acelerada por la presencia de bacterias acidófilas. Para conocer con más detalle este proceso de corrosión y la interacción entre el acero y el agua ácida, se llevó a cabo un experimento de laboratorio en el que se introdujeron placas de acero al carbono en dos soluciones diferentes durante 26 días: una solución ácida de mina con alto contenido en Fe2+/Fe3+ (PO) y otra solución ácida de agua de otra mina con alto contenido en Fe3+/Fe2+ (PH). Cada 24 horas se midieron los parámetros fisicoquímicos y se tomaron muestras de agua para realizar un análisis de los elementos disueltos. Los resultados de estas mediciones se procesaron mediante un modelo de IA basado en la lógica difusa. Se pudo observar que, en ambos casos, se produjo un aumento del pH, así como de las concentraciones de Fe y, en particular, de Fe2+, como consecuencia de la oxidación de las placas de acero. Proporcionalmente, el aumento de la concentración de Fe fue mayor en PO que en PH porque en este último se produjeron precipitados de Fe. El aumento de Fe2+ fue proporcionalmente mucho mayor en PH y especialmente en las primeras horas de exposición, porque se partía de una menor concentración inicial de este ion. Por otro lado, las concentraciones de Cu disminuyeron a lo largo del experimento, como resultado de un proceso electroquímico que genera una precipitación de Cu junto con hidróxidos de Fe. Esta disminución es menor en PH debido a que la elevada acidez total lo mantiene en disolución durante más tiempo. Con la aplicación de una herramienta de inteligencia artificial ha sido posible evaluar los efectos de la corrosión del acero en ambientes mineros, corroborando y ampliando lo obtenido previamente mediante estadística clásica.
Protecciones en el hormigón frente al drenaje ácido de mina
El Drenaje Ácido de Mina (AMD) es un proceso de oxidación de sulfuros metálicos, como la pirita, que genera aguas ácidas con concentraciones peligrosamente altas de sulfatos, metales y metaloides. Este fenómeno es común en diversas regiones mineras, incluidas la Faja Pirítica Ibérica (España y Portugal), Sudamérica, y América del Norte. El AMD provoca efectos perjudiciales en el medio ambiente y en las infraestructuras de hormigón, reduciendo su durabilidad. Las aguas ácidas atacan el hormigón al reaccionar con el hidróxido de calcio, formando yeso y etringita, lo que provoca fisuración, aumento de porosidad y pérdida de resistencia mecánica. Además, los microorganismos presentes en este tipo de medios aceleran estos procesos de degradación. En investigaciones recientes, se ha encontrado que el hormigón expuesto a AMD puede perder hasta un 43% de su resistencia a la compresión en un periodo de seis meses, lo que evidencia la gravedad de la interacción. Asimismo, la resistencia a la tracción también experimenta una reducción considerable, debilitando aún más las infraestructuras de hormigón expuestas a este entorno agresivo. Con el objetivo de reducir estos efectos, algunas investigaciones preliminares han explorado la incorporación de materiales como cenizas volantes, nano sílice y residuos reciclados, mientras que otras han evaluado la eficacia de recubrimientos de óxido de magnesio y óxido de grafeno en la protección del hormigón frente a ácidos. Aunque estos métodos han mostrado resultados prometedores, la investigación en condiciones específicas de AMD sigue siendo insuficiente. El presente estudio tiene como objetivo desarrollar y evaluar dos sistemas de mejora del hormigón expuesto al AMD: uno basado en la adición de fibras de polipropileno, y otro enfocado a tratamientos superficiales mediante pinturas de poliuretano y asfáltica que limiten la interacción del hormigón con el medio AMD. Para ello se han realizado ensayos de durabilidad (aparato Slake) y mediante permeabilidad al agua, presentando los tratamientos propuestos una degradación temporal muy inferior a las muestras de hormigón en masa, y con una penetración al agua a presión inferior en el caso del hormigón tratado con fibras y prácticamente nula en el caso de los dos tratamientos superficiales mediante pintura.
Comportamiento en cavitación en agua de mar de uniones soldadas de bronces de elevada aleación
Los daños por cavitación en la industria, especialmente en componentes sometidos a movimientos de rotación de diferente intensidad, representan uno de los principales problemas, tanto en componentes metálicos nuevos, como aquéllos que han experimentado cambios microestructurales, debido a tratamientos térmicos asociados a etapas de mantenimiento y reparación. En este trabajo, se han estudiado los daños mecánicos asociados a este fenómeno en dos de los materiales más empleados en el sector naval, en particular en la manufactura de hélices marinas, que corresponden a bronces de elevada aleación, tales como el Nickel-Aluminum-Bronze (NAB) y el Manganesum-Aluminum-Bronze (MAB). Se han considerado diversas casuísticas: desde la unión monolítica, empleando mismo material para metal base como material de aporte, como las denominadas uniones híbridas, en donde se unen materiales diferentes, prestando especial atención a la zona de mayor cambio microestructural, asociada a la zona afectada térmicamente. Se puede afirmar, tras el estudio llevado a cabo empleando el agua de mar como medio para generar la onda ultrasónica, que el MAB es el material más perjudicado, como consecuencia directa de un mayor número de precipitados de morfología asimétrica que actúan, para todos los casos, como puntos susceptibles a la erosión, y se recrean como puntos iniciales de corrosión, teniendo un mejor comportamiento aquellas zonas donde la soldadura ha permitido una globularización de dichos precipitados. De esta forma, se comprueba cómo las transformaciones microestructurales asociadas en la unión soldada influyen en su comportamiento a cavitación.
Modelización de fricción seca en superficies suaves a nivel atómico y dopadas
La fricción seca entre superficies suaves a nivel atómico no puede entenderse a escala macroscópica sin conocer que ocurre a escala atómica. Los ensayos con estas superficies son muy caros y se ven afectados por la contaminación o desajustes en las instalaciones de ensayos. Por otro lado, las probetas tienen dimensiones muy reducidas por requerimientos de dichas instalaciones. Si además, se plantea que efecto puede tener la inyección de átomos de otro material en dichas superficies, el coste de la experimentación sin un análisis teórico previo puede ser prohibitivo. En este sentido, los modelos discretos pueden reducir el número de ensayos a realizar y proporcionar un valor de referencia con el que comparar los resultados experimentales. Estos modelos numéricos presentan comportamientos caóticos para algunas combinaciones de los parámetros que los definen. El método de simulación por redes (MESIR), que transforma el problema mecánico original en un circuito con ecuaciones diferenciales equivalentes, combina métodos numéricos convencionales con herramientas propias de diseño de circuitos. lo que facilita la convergencia. En este artículo se presenta un modelo numérico para el calculo de las fuerzas de fricción de superficies suaves a nivel atómico con un patrón de inyección de átomos distintos a los de la superficie receptora. El patrón de dopado viene definido por un átomo inyectado cada 116 átomo de superficie receptora. Este modelo proporciona la fuerza de fricción para las variaciones de rigidez de la superficie en función de la naturaleza del material.
Análisis comparativo de métodos de evaluación del desgaste en texturas con aplicación al mecanizado de titanio
El texturizado de herramientas de corte es una mejora del diseño de herramientas que facilita el mecanizado de materiales difíciles como las aleaciones de titanio. Se trata de una solución que incrementa la sostenibilidad del mecanizado al facilitar la reducción de lubricantes y disminuir el desgaste de herramientas. Aunque actualmente existen varias investigaciones al respecto, la mayoría se centran en aplicaciones directas sin observar en detalle la evolución del desgaste producido utilizando ensayos tribológicos simplificados. Este trabajo presenta un estudio comparativo de la metodología de caracterización del material eliminado con el objetivo de analizar el efecto de la orientación de las texturas en el comportamiento tribológico de herramientas de corte con posible aplicación al mecanizado de titanio. En esta metodología, se realizan ensayos plano sobre plano con el par de contacto Ti- WC-Co, analizando el efecto de la orientación de la textura a 0º, 45º y 90º. Para la evaluación la pérdida de material de pin este estudio propone tres métodos diferentes. En dos de ellos se mide la pérdida de material al final del ensayo analizando en uno la reducción de la masa y en el otro la longitud del pin empleado. El tercer método es un método medición indirecta e in situ que permite estudiar la posición en Z del cabezal que sujeta el pin, utilizando los sensores propios del tribómetro empleado y permitiendo un estudio de la evolución en el tiempo. Los resultados muestran variaciones significativas entre las metodologías empleadas que se ven influenciadas por la orientación de las texturas. Es especialmente significativo el efecto debido a variaciones en el proceso relacionadas con la sujeción del pin y el desgaste del disco en aquellas mediciones realizadas por los sensores del equipo. Sin embargo, este método permite evaluar el efecto de la distancia recorrida y la linealidad de respuesta al desgaste.
Comportamiento frente a erosión de aleaciones de Al y Ti fabricadas por proyección fría
La manufactura aditiva es una técnica de fabricación de objetos a partir de modelos 3D mediante la deposición sucesiva de material, en forma de polvo o hilo, capa a capa donde el material se va consolidando hasta conformar la pieza. Esta tecnología permite obtener geometrías muy cercanas a la de la pieza final, reduciendo significativamente las tareas de mecanizado y la generación de residuos. La proyección fría es una técnica de deposición de material en estado sólido que ha adquirido una gran importancia en estos últimos años como técnica de manufactura aditiva. Una de las principales ventajas que ofrece la proyección fría respecto a otras técnicas, como la sinterización láser, es la deposición del material inicial sin fundirlo. Asimismo, la gran variedad de materiales que se pueden depositar la convierte en una técnica muy atractiva para la reparación de piezas desgastadas o dañadas para ampliar su vida útil. Al ser una técnica de proyección en estado sólido, no produce zonas afectadas por el calor, es decir, las propiedades de los sustratos no cambian. Además, no hay limitaciones en relación con las dimensiones y, por lo tanto, es una tecnología que permite proteger, reparar o funcionalizar cualquier superficie. Estas ventajas resultan ser muy atractivas en aquellas aplicaciones en las que los componentes resultan ser de alto valor añadido como es el caso de la industria aeronáutica. Sin embargo, debido a su reciente uso como proceso de fabricación aditiva no se tiene un conocimiento profundo del comportamiento de los componentes fabricados mediante esta tecnología frente a las posibles solicitaciones externas que pueden sufrir durante su vida en servicio. En este sentido, muchos de estos componentes aeronáuticos están sometidos a procesos de desgaste por erosión provocados por el impacto de pequeñas partículas presentes en el medio ambiente. Este estudio tiene como objetivo investigar el comportamiento de la erosión del aluminio 1050 y el titanio grado II, generados mediante fabricación aditiva por proyección fría (CSAM). El estudio siguió la norma ASTM G76, utilizando alúmina como abrasivo a temperatura ambiente. Se establecieron los parámetros de flujo y velocidad del abrasivo, y se varió el ángulo de impacto. Para determinar la tasa de erosión, se establecieron varios tiempos de ensayo. La tasa de desgaste se estimó como la relación entre la masa de material eliminado y la masa de las partículas erosivas incidentes. El volumen eliminado durante en ensayo de erosión se midió utilizando un microscopio confocal. Esto permitió analizar las huellas residuales e identificar los mecanismos dominantes durante el proceso de erosión. Estos mecanismos resultaron ser una combinación de indentación (deformación plástica) y rayado (corte). El análisis de las superficies permitió también relacionar la morfología superficial de las huellas residuales con las tasas de erosión. Finalmente, se propuso un modelo alternativo de erosión para incluir el efecto del ángulo de impacto de las partículas erosivas capaz de reproducir las tendencias observadas.
Efecto de la carga en el comportamiento tribológico de los aceros inoxidables hiperdúplex
Los aceros inoxidables hiperdúplex (HDSS) destacan por su elevada resistencia mecánica y excelente resistencia a la corrosión, superando a los aceros inoxidables dúplex, lean dúplex y superdúplex. Tienen un extenso campo potencial de aplicación en sectores tan diversos como el petroquímico, marino y energético, gracias a su capacidad de operar en condiciones extremas, aumentando la durabilidad y sostenibilidad de estructuras y componentes, con el impacto económico que ello supone. Su comportamiento tribológico está escasamente estudiado, y, por ello, este estudio preliminar presenta el efecto de la carga aplicada y el tiempo de ensayo de un acero inoxidable hiperdúplex de moldeo, de estructura ferríta-austenita. Para ello se han realizado ensayos tribológicos en seco siguiendo una configuración pin on flat reciprocante analizando el par de contacto HDSS (disco) contra WC-Co (pin). Los resultados muestran cómo las cargas elevadas (30 N) ofrecen un valor menor del coeficiente de fricción, observando grandes inestabilidades en los valores del mismo para bajas presiones de contacto (1 N). Sin embargo, el volumen de desgaste de material presenta tendencias contrarias, al incrementarse con la carga aplicada. Asimismo, se ha observado cómo el tiempo de aplicación de la carga influye en los valores del coeficiente de fricción y del desgaste, que experimentan un incremento progresivo ampliamente extendido, encontrando una zona de estabilización entre los 150 y 250 minutos. Estos resultados abren una nueva vía de estudio que permitan entender el efecto de las cargas aplicadas en materiales de elevada resistencia mecánica, con una microestructura mixta y gran densidad de límites de grano, y su posible impacto en la selección del material que redundará en la vida útil de piezas, reduciendo el deterioro y la necesidad de mantenimiento.
Predicción del coeficiente de fricción lubricado empleando redes neuronales en contactos mecánicos microtexturizados
Desde que se acuñó el término tribología en la década de los sesenta se han logrado numerosos avances que reducen la fricción en máquinas. Aun con estos avances el estudio de la fricción en máquinas es un área activa de investigación, ya que todavía se emplea el 20% de la energía mundial en vencer esta resistencia pasiva. El microtexturizado de superficies ha resultado ser una técnica efectiva para reducir la fricción en contactos mecánicos con condiciones de trabajo que pueden dificultar la formación de una lubricación en película gruesa. En la literatura hay escasos estudios que modelen los fenómenos físicos de este tipo de contactos lubricados con superficies microtexturizadas debido a la dificultad que conlleva la influencia de numerosas variables, como las condiciones de trabajo, la geometría que define el patrón de texturas y su interrelación. Estudios recientes muestran la aplicabilidad de los algoritmos de Inteligencia Artificial (IA) para la predicción de la fricción. Por ello, en este estudio se emplean redes neuronales para determinar el coeficiente de fricción en contactos lubricados microtexturizados. A diferencia de estudios previos en los que se utilizan algoritmos de IA entrenados con datos que no tienen en consideración la incertidumbre de la microfabricación, el algoritmo propuesto se desarrolla empleando datos que se han obtenido midiendo los patrones de texturizado fabricados tanto por fotolitografía y ataque químico como mediante ablación láser. De esta forma, se comprueba que la influencia de la precisión de la fabricación es relevante en la correcta predicción del coeficiente de fricción.
inteligencia artificial para el cálculo del espesor de película en contactos puntuales elastohidrodinámicos
La película de lubricante en un contacto mecánico viene definida principalmente por sus espesores central y mínimo. Existen algunas fórmulas Newtonianas que se emplean tradicionalmente en la literatura para estimar el espesor de película en contactos puntuales elastohidrodinámicos. Estas fórmulas, como por ejemplo las propuestas por Hamrock-Dowson y Katyal-Kumar, permiten obtener resultados aproximados de forma rápida y sencilla, con un ámbito de aplicabilidad ajustado al rango de condiciones empleadas para su obtención. Además, se pueden aplicar factores de corrección a las fórmulas para considerar aspectos como los efectos térmicos en el lubricante o su comportamiento no-Newtoniano. Por otro lado, existen modelos numéricos que ofrecen predicciones de espesor de película más exactas, aunque tienen limitaciones en su ámbito de validez similares a las que presentan las fórmulas. Debido al proceso de cálculo numérico, estos modelos presentan un elevado coste computacional y por ende necesitan mayor tiempo de cálculo, por lo que son menos empleados en aplicaciones de ingeniería que las citadas fórmulas. En este artículo se han utilizado algoritmos de Inteligencia Artificial (IA), en concreto Redes Neuronales, para elaborar un modelo de predicción rápida del espesor de película Newtoniano. Para el entrenamiento y optimización del algoritmo de IA, se han empleado datos de espesor de película obtenidos tanto por simulación numérica como experimentalmente. Una vez desarrollado este modelo, se ha comparado su precisión con respecto a las fórmulas de Hamrock-Dowson y Katyal-Kumar, evidenciando una excelente capacidad de predicción del espesor de película de lubricante y un ámbito de validez más amplio que dichas fórmulas y que los modelos numéricos. De esta forma, se integran las ventajas de las fórmulas (simplicidad y rapidez) y de los modelos numéricos (exactitud), a la vez que se aumenta el rango de aplicabilidad.
Comparación de las propiedades tribológicas de recubrimientos de Zn y Zn-Al obtenidos por metalización
La mayoría de componentes mecánicos fabricados con acero estructural, están protegidos con una capa de zinc para mejorar su resistencia a la corrosión, en particular atmosférica, y a fenómenos superficiales de desgaste, en particular derivados de la abrasión. Existen diferentes tecnologías para aplicar la capa de zinc sobre el acero, tales como el galvanizado por inmersión, electrodeposición, difusión térmica (sherardizado) y metalización, que producen capas de diferentes composiciones, espesores y propiedades sobre el substrato de acero. En este trabajo, se compara la resistencia al desgaste de probetas de acero al carbono S235JR metalizadas mediante spray térmico con recubrimientos de Zn y de la aleación Zn -Al, con tres espesores diferentes (50, 100 y 200 micras). En un trabajo futuro, se realizará un estudio similar con recubrimientos de galvanizado obtenidos en caliente. De esta forma, se pretende comprobar la influencia de la técnica en la aplicación de recubrimientos de zinc. Los resultados obtenidos durante los ensayos de tribología, realizados mediante pin-on-disc sin lubricante, empleando bola de acero templado de 100Cr6 de 6mm de diámetro, con 10 N de carga, 100 revoluciones por minuto de velocidad de giro; 14 mm de radio de la pista y una duración del ensayo de 1800s, se han analizado a posteriori mediante el empleo de microscopía confocal. Asimismo, se ha determinado la microdureza de ambos recubrimientos respecto al substrato de acero. Todo ello ha permitido concluir el gran efecto que tiene el tipo de técnica de recubrimiento base zinc sobre el acero en su comportamiento tribológico.
Caracterización térmica del comportamiento piezoviscoso de un lubricante en un tribómetro
La correcta caracterización del coeficiente piezoviscoso de un lubricante en las condiciones de presión y temperatura de trabajo de los contactos elastohidrodinámicos resulta muy compleja. Esto se debe fundamentalmente a que los equipos experimentales actuales de medida directa de la viscosidad son escasos y limitados para esas condiciones de trabajo tan extremas. Por otro lado, el conocimiento del comportamiento del coeficiente piezoviscoso es comúnmente requerido en los métodos precisos de cálculo analítico y numérico de transmisiones por engranajes, rodamientos, levas… Por este motivo, resulta de gran interés científico y para la industria del lubricante, el desarrollo de nuevas metodologías alternativas que permitan caracterizar los lubricantes bajo condiciones tan extremas de trabajo. Los autores de este trabajo ya han presentado con anterioridad una metodología simplificada para la caracterización del coeficiente piezoviscoso, donde se emplean resultados experimentales obtenidos en tribómetros de uso extendido en laboratorios con capacidad de medir el espesor de película del lubricante (EHD) y el coeficiente de fricción del contacto (MTM). Estos resultados son empleados en la resolución inversa de expresiones presentes en la literatura que permiten caracterizar, a nivel teórico, el comportamiento del espesor de película y coeficiente de fricción de los contactos elastohidrodinámicos, obteniendo finalmente el comportamiento del coeficiente piezoviscoso del lubricante ensayado frente a la presión y la temperatura. El objetivo de este artículo es presentar una metodología de cálculo que integra modelos más precisos de los factores correctivos térmicos y de comportamiento no-newtoniano, que afectan al cálculo teórico del espesor de película. También se comparan distintas expresiones analíticas para la obtención de dichos factores y el espesor de película, quedándose con las que ofrecen mejores resultados. La metodología es validada para una base sintética PAO-100.
Resistencia al desgaste abrasivo de recubrimientos nanoestructurados de Al2O3-3%TiO2 modificados con GNPs y depositados mediante OF
El objetivo de este trabajo consiste en el desarrollo de recubrimientos cerámicos autolubricantes a base de Al2O3-3%TiO2 con la adición del 3% de nanoplaquetas de grafeno (GNPs). Se ha estudiado la influencia de los GNPs sobre las propiedades mecánicas y el desgaste en un medio abrasivo. Estos recubrimientos se han depositado sobre un sustrato de acero inoxidable AISI 304 mediante la técnica de proyección térmica por llama (OF). La microestructura de los recubrimientos se ha evaluado utilizando microscopía electrónica de barrido FE-SEM y análisis por Energías Dispersivas de Rayos X (EDX). Además, se ha empleado espectroscopia Raman para identificar la presencia de grafeno en la microestructura del recubrimiento cerámico. La porosidad de los recubrimientos se ha cuantificado mediante un software de análisis de imagen J-Image. La microdureza se ha determinado utilizando un microdurómetro Vickers con una carga de 200 g durante 15 s. Los ensayos de desgaste en medios abrasivos se han realizado en un banco tribológico mediante el sistema pin-on-disc en condiciones de laboratorio, aplicando una carga constante de 20 N y una velocidad de deslizamiento variable entre 0.08 y 0.005 m/s, incrementando la velocidad cada 40 m de recorrido hasta alcanzar una distancia total de 120 m. Como medio abrasivo, se ha empleado papel de SiC con una granulometría de 320. La incorporación de GNPs en los recubrimientos cerámicos comerciales influye significativamente en las propiedades mecánicas y en la resistencia al desgaste abrasivo. Los resultados demuestran que la adición del 3% de GNPs en recubrimientos nanoestructurados de Al2O3-3%TiO2 reduce la porosidad hasta un 6,6% y aumenta la dureza hasta un 11%. La incorporación de GNPs en los recubrimientos nanoestructurados de Al2O3-3%TiO2 es capaz de reducir el coeficiente de rozamiento y la tasa de desgaste en medios abrasivos hasta en un 13,5 y 67% respectivamente con respecto al recubrimiento cerámico sin adiciones de GNPs, prolongando así la vida útil del recubrimiento modificado. Este desarrollo puede ser un factor clave en la selección y el diseño de uniones cinemáticas que operen en condiciones severas.
Research activities of LARM2 at the University of Rome Tor Vergata
In this paper, the activities of the Laboratory of Robot Mechatronics (LARM2) at the University of Rome Tor Vergata are reported. LARM2 has been established in 2019 at the University of Rome Tor Vergata to renew a lab with 3 decades of activity originally based at the University of Cassino, under the leadership of Prof. Marco Ceccarelli and together with Dr Matteo Russo. The structure and activities of LARM2 can be rather considered as distributed in several international locations, both in Italy and abroad, with many collaborations in joint research project, research visits, supervision of international students, dual doctoral programs, and joint research articles. The headquarters of LARM2 are at the Department of Industrial Engineering, University of Rome Tor Vergata, while its international sections are represented by the laboratories and team units both with and without official agreements for joint frames. LARM2 activities are mainly focused on education and research in topics related to Robotics and Mechatronics from a mechanical engineering viewpoint, referring to theory, design, practice and technological transfer. In particular, the activities are directed and available for collaborations with the purpose of investigating, designing, planning, and improving mechanical and mechatronic systems, with both traditional and innovative designs. The development of BSc, MSc and PhD theses on subjects and prototypes for innovation is oriented to form engineers who will be capable to solve new problems but still with interest in the traditional techniques of Mechanical Engineering. LARM2 activity is also available and carried out for applied research through formal and informal research agreements with enterprises, with the aim both to apply research results and to solve problems in engineering practice in industrial and non-industrial applications. In particular, LARM2 research focuses on new designs for service robots and machinery, the analysis of problem solutions in robot-assisted manufacturing processes and in robotized manipulations, and the functionality enhancement of existing mechanical systems. LARM2 is available for joint projects within local, national, and international frames, particularly in the European framework. LARM2 invites scholars and students for periods of study and collaborations in the subjects of common interest with academic and non-academic institutions. Activity can be carried out within Erasmus program and within, but not only, signed international agreements for bilateral projects even with extra-European universities. Theses for Bachelor, Master and PhD students are developed within LARM2 activities, both in their own projects and in co-tutorship with other institutions. PhD candidates are welcomed also for double degree PhD programs in collaboration with other Universities. Current activities at LARM2 focus on applied robotics issues to develop service robots, especially in healthcare. In particular, specific attention is paid to the development of systems for the motion assistance of limbs with the peculiar vision referring to the assistance of elderly people. Furthermore, research and design activity continues with the LARMbot humanoid robot, used both as research and experimental platform in the design of robotic parts and aimed at the development of a low-cost humanoid robot with high mechanical performance. This paper presents LARM2 to reenergize past collaborations with Spanish colleagues but also to activate new ones with renewed interest and collaboration on topics that can be useful not only in the research field but also for training new generations of engineers with an international vision that is not just pro-European.
Mechatronics and robotics in the Next Generation EU projects at University of Udine and Free University of Bolzano
In this paper we present the role of mechatronics and industrial robotics in the projects funded by the Italian National Recovery and Resilience Plan (PNRR) at University of Udine and Free University of Bolzano in northeastern Italy. The Italian PNRR is part of the Next Generation EU plan, launched by the European Union in response to the COVID-19 pandemic, aiming at promoting strategic investments in digitalization and innovation, ecological transition, and social inclusion. The projects presented in this paper include the Interconnected Nord-Est Innovation (iNEST) Ecosystem, and the Agritech National Center. The activities of the robotics research groups within the iNEST Ecosystem mainly include dynamic modelling and trajectory planning for energy efficiency and safe human-robot collaboration, and design of Digital Twin solutions for efficient simulations and modelling of mechatronic and robotic systems. Furthermore, the Agritech project foresees the development and implementation of mobile robotic systems for monitoring and mapping agricultural fields, as for instance vineyards, as well as the sustainable applications of robotics and mechatronics to forestry management. The expertise gained from this projects will allow University of Udine and Free University of Bolzano to set up other innovative projects also at the international level, and in particular with research groups in Mechatronics and Robotics present in Spanish Universities. Indeed, both University of Udine and the Free University of Bolzano already collaborate with several Spanish institutions for exchange of students and teachers, as well as in the organization of short joint courses (Blended Intensive Program), in the framework of the Erasmus+ program: such collaboration can then be extended to the domain of research and consolidated at the institutional level.
Research activities of the Applied Mechanics group of the University of Genova
Within the Italian academic system, the sector of Applied Mechanics (“Meccanica Applicata alle Macchine”) represents one of the engineering disciplines with the most significant historical background. It encompasses scientific, technological, and educational aspects related to the mechanics of machines, both from the perspective of their components and their operation as complex systems. The methodological approaches employed are varied: theoretical, numerical, and experimental. Regarding the educational aspects, the sector of Applied Mechanics is fundamental (characterizing) for Bachelor’s Degrees in Mechanical Engineering (L-9 class) and for Master’s Degrees in Mechanical Engineering (LM-33 class) and Automation Engineering (LM-25 class). Additionally, it is essential for the PhD Degree in Mechanical, Energy, and Management Engineering at the DIME Department of the University of Genova. The professors of the Applied Mechanics group at the University of Genova are actively engaged in research projects funded at the regional, national, European, and industrial levels. Collaborations are ongoing with Stellantis, Ansaldo Energia, Fincantieri, Leonardo, Hitachi, among others. In this context, the Applied Mechanics sector advances both innovative theoretical contributions and experimental studies aimed at practical applications and technology transfer. The research topics are highly interdisciplinary and include: - Modelling, design, prototyping, and control of innovative industrial robotic systems (two robotic lines developed in collaboration with Stellantis are currently operational in final car assembly); - Modelling, design, and prototyping of service robots for inspection, agriculture, and demining; - Modelling and analysis of micromechanical systems, including compliant mechanisms optimized through analytical and numerical approaches; - Dynamic analysis of systems characterized by vibrations, variable contacts and impacts (e.g., gear trains); - Numerical analysis techniques for mechanical and aeromechanical systems; - Definition and application of methodologies for dynamical analysis, model identification, diagnostics, and monitoring of structural integrity (a monitoring system for turbomachinery rotor blades, developed in collaboration with Ansaldo Energia, is currently in use in several plants).
Project activity in Central Italy: research projects at the University of Perugia and Siena
This paper highlights the activities of the Laboratory of Mechanics of Machines at both the University of Perugia and the University of Siena, where certain research projects are carried out collaboratively. The research conducted at the University of Perugia, under the leadership of Prof. Maria Cristina Valigi and in collaboration with Prof. Silvia Logozzo, primarily focuses on robotic manipulators, tribological issues, and control of mechanical systems, The focus of the robotics research is on the development of underactuated monolithic grippers for industrial applications, designed to perform both compliant and powerful grasps. The ongoing development of these grippers remains a central aspect of the research, involving the design and prototyping of new models through experimental, numerical, and theoretical approaches. Recently, some rigid gripper prototypes have been studied for potential applications in the aerospace industry. In addition, leveraging extensive experience in tribological models and analysis, the research addresses specific tribological challenges in robotic fingers, particularly those related to precision grasping. This includes evaluating the contact issues of sensorized fingertips and proposing an innovative method for assessing contact imprints using 3D scanning technologies. The research at the University of Perugia also focuses on tribological issues related to contact analysis, wear, and lubrication of industrial and biomechanical components. Among these, it is worth mentioning the experimental 3D wear analysis of knee and hip prostheses, including retrieved implants, as well as the modeling of friction instabilities in mechanical face seals. The University of Siena research group coordinated by Prof. Malvezzi focuses on robotics, haptics, and mechanical systems. The research is highly interdisciplinary, blending mechanical design, control systems, and advanced robotics, as well as aspects related to human factors and user studies. The main contributions lie in the development of innovative robotic hands, soft robotic systems, and human-robot interaction technologies. A significant aspect University of Siena research group involves the design of underactuated robotic hands and grippers. These systems incorporate compliant mechanisms and modular designs, which improve adaptability and reduce control complexity. The Siena research group also explored haptic feedback systems, particularly in wearable robotics. Recent projects include the design of robotic gloves for enhancing tactile sensations and facilitating interactions in virtual environments. The research into haptic devices integrates human-centered approaches, examining how tactile feedback can improve the realism and functionality of robotic systems. Siena research group contribution is also on theoretical advancements in robotics, including the study of hand synergies, a concept inspired by the coordination of human hand movements investigating how a reduced set of control inputs can effectively manage complex robotic systems, an approach that enhances the efficiency and usability of robotic hands in tasks like grasping and manipulation. Recent studies improve robot sensing and actuation through twisted string actuators and soft pneumatic pads, with applications in healthcare and industry. University and Siena and University of Perugia research groups coordinated by Prof. Valigi and Prof. Malvezzi have collaborated extensively in underactuated mechanisms and soft robotics exploring the design and control of modular, compliant robotic grippers and hands, with an emphasis on tendon-driven, underactuated wearable robotic fingers. They work on integrating soft and rigid elements to improve performance in dynamic environments, with applications in healthcare, industrial automation, and human-robot interaction. Additionally, they develop software tools for modeling and prototyping robotic devices and have applied their research to wearable robotics for rehabilitation, including physiotherapy protocols.
Research activities at MMSA lab of the University of Padova
In this paper, the activities of the laboratories of the group of Mechanism and Machine Science and Applications (MMSA) of the University of Padova are reported. The labs activities focus on the applied research on numerous fields, such as energy harvesting technologies, vehicles, industrial robots, drones with manipulators and collaborative robotics. This paper presents the current research activities as well as the experience on topics that can be useful not only in the research field but also for training new generations of engineers and researchers.