Análisis: Ingenieria de Materiales Computacional Integrada en Colombia

La ingeniería de materiales computacional integrada busca crear vínculos entre el proceso de fabricación, estructura, propiedades y desempeño de los materiales. Este proceso permitiría diseñar materiales específicos para una aplicación, optimizar el material a partir de un diseño existente, y clasificar los materiales no solo por su composición, sino también por su estructura y propiedades.
En Colombia la formación como ingenieros de materiales se enfatiza en el estudio y aplicación de materiales de ingeniería con su respectivo proceso de obtención para su uso en la industria.
Sin embargo en las grandes industrias productoras de materiales hay un atraso respecto a países desarrollados ya que técnicas como metalurgia de polvos aún no se producen afuera de las academias y pequeños experimentos que no han logrado vincularse con la industria.

Las grandes acerías del país, por ejemplo, producen una cantidad limitada de materiales que son controlados por la demanda en el país, que busca los aceros más populares, económicos, y fáciles de conseguir. Esto se ha constituido en un círculo vicioso donde el diseño de máquinas funciona de acuerdo a los materiales disponibles con pocos ánimos puestos en la búsqueda de soluciones y optimización basados en la ingeniería de materiales.

Dicha separación entre el diseño mecánico y la producción de materiales es uno de los puntos que abarca la integración computacional de la ingeniería de materiales. Aprovechando el poder computacional del siglo XXI se puede esperar que en el mundo la creación y clasificación de materiales pueda dar un gran giro al estar basado en la informática, ya sea teniendo grandes bases de datos sobre un material (que a diferencia de las bases de datos actuales no incluya solamente la composición, sino también la microestructura y las interacciones a escalas multinivel, desde el nivel cuántico hasta estudios a fatiga) que permitan optimizar una aplicación industrial con un material de acuerdo a varios criterios, sino que también se puedan crear nuevos materiales mediante procesos estocásticos y algorítmicos sobre las interacciones entre elementos, moléculas, y microestructuras.
Esta gran base de datos prescindirá del análisis por elementos finitos y se verá enfocada a nuevos métodos de digitalización de la información experimental y microestructural de los elementos que mediante procesos algorítmicos pueda predecir propiedades macroscópicas tales como el modulo de Young o la resistencia a la fatiga.

Otro factor que impide que la ingeniería de materiales avance en estos nuevos métodos es la comercialización y patentado de materiales novedosos por parte de la industria que en un esfuerzo por obtener liderazgo en el mercado cierran las posibilidades de clasificar o modelar matemáticamente las fases y cambios microestructurales que se tienen en el material que le permiten obtener propiedades útiles para la industria, y son mucho más recelosas en el aspecto del proceso, lo que sugiere para el ingeniero de materiales otro obstáculo en el planteamiento experimental y estocástico de la creación de nuevos materiales, o estructuras y procesos novedosos.
A su vez, el hecho de que las empresas vayan aplicando mejoras a sus materiales, hace aún más difícil el trabajo de clasificación, que cronológicamente se renueva dejando un escalón más atrás todo proceso que busque la clasificación y modelado de una microestructura o composición actual cuando se de la siguiente mejora.

Las empresas deben entonces aprovechar los equipos de trabajo de las universidades para aprovechar las herramientas computacionales novedosas asegurando un costo inicial minimo comparado con el costo de servidores, licencias, y los ingenieros a cargo de la modelación de los materiales, que puede ser elevado comparados con un contrato de apoyo mutuo en alguna universidad que ya cuente con los recursos informáticos y esté dispuesta a fomentar la investigación sobre el diseño y estandarización de materiales asistido por computador.

En Colombia hace falta ese vínculo entre la academia y la industria que permita el apoyo mutuo en investigación. A pesar de que en algunas universidades destacadas se están haciendo proyectos novedosos en la ciencia e ingeniería de materiales, no hay un interés claro de la industria en hacer uso de las universidades como medio de investigación en el desarrollo de métodos de producción eficientes de nuevos materiales que se necesitan en la industria, y que sencillamente son importados a un alto costo de países con producción.

Además, en los periodos de recesión económica establecidos en los últimos tiempos en el país, pocas empresas han tomado la iniciativa en emprender investigación y desarrollo de materiales debido al alto costo de la misma, que tradicionalmente se ha hecho de manera empírica, prueba y error, y por medio de la intuición. Es necesario aplicar métodos investigativos sobre el desarrollo de materiales en el país por medio de herramientas computacionales e interacción con otras universidades nacionales e internacionales para la creación de la integración computacional por medio de bases de datos, simulaciones, ensayos. Toda esta información abierta a los miembros de programas de investigación en la academia y personas con experiencia en la industria respectiva donde también se empiece a esbozar los principios del diseño bottom-up basado en las propiedades que demanda la industria y que convencionalmente se realizaban como sólo la selección de los materiales a la mano, para así lograr dar soluciones a problemas no triviales donde actualmente se recurre a la importación de soluciones y materiales (como lo son los aceros de alta resistencia al desgaste y endurecimiento en el ciclo de trabajo usados en las máquinas de minería).

La academia debe entonces facilitar e implementar el servicio de diseño de materiales con la industria apoyándose en herramientas computacionales que disminuyan costos de ensayos y den credibilidad a estas técnicas y a la universidad, proceso que se va a ir mejorando sustancialmente conforme avanzan los algoritmos de programación para hallar nuevos materiales y se aumenta el poder computacional de los procesadores que permitirán que esta integración computacional sea la nueva forma de hacer ingeniería de materiales en el siglo de la informática y las telecomunicaciones.

Lista de actividades de mantenimiento preventivo en una unidad de aire acondicionado

 

Cubre el mantenimiento programado para evitar la ocurrencia de fallas, esta basado en detectar las fallas antes de que provoquen una falla mayor y se apoya en el mantenimiento predictivo donde se busca encontrar las posibles fallas futuras en la operación de la máquina

1. revisión de vibraciones y ruidos extraños del equipo puesto en marcha
2. Revisión y ajuste de anclaje del equipo
3. Revisión de instalación eléctrica general
4. Revisión de tablero del equipo
5. Desarmado del equipo
6. Revisión y ajuste de chumaceras/cojinetes del motor
7. Revisión y ajuste de aspas y rotor del ventilador
8. Revisión del nivel de aceite y del compresor
9. Carga de aceite del compresor
10.  revisión de presiones del aceite y protecciones del compresor
11. Revisión de niveles de refrigerante y fugas
12. Revisión y ajuste de resistencia del Carter
13. Revisión y ajuste de válvulas de expansión y solenoides
14. Revisión y ajuste del termostato
15. Revisión y purga de serpentines del condensador y unidad manejadora
16. Limpieza y purga de trampas de desagüe
17. Limpieza de rejillas de inyección y retorno
18. Limpieza de filtros metálicos
19. Cambio de filtros metálicos
20. Limpieza de recipiente de condensados
21. Alineación de bandas y poleas
22. Limpieza de piedras desecantes
23. Carga de refrigerante
24. Lubricación de piezas requeridas
25. Revisión de amperajes y voltajes entre fases
26. Limpieza y apriete de conexiones en tablero de control
27. Cambio de filtros
28. Armado del equipo
29. Arranque del equipo
30. Pruebas

Sistemas de inyección en motores

Los sistemas de inyección reemplazaron casi completamente a los de carburación, utilizando diversos sensores para conocer las condiciones de entrada y de salida del motor, y ajustar de manera adecuada el flujo de combustible, que se inyecta al flujo de aire sin depender de un flujo mecánico (como el vénturi del carburador) lo que permite una mezcla más precisa y la desaparición de elementos como el “choke” de los vehículos carburados.

La inyección a alta presión proporciona una mejor atomización y una distribución más homogénea de la mezcla en la cámara de combustión.

La inyección puede dividirse en inyección electrónica e inyección mecánica.

Inyección mecánica

La inyección mecánica implica que las mediciones de los distintos factores que modifican la inyección de combustible, se miden sin dispositivos electrónicos.
El sistema utilizado en los motores diesel utiliza la presión de la bomba de gasolina para variar la cantidad de combustible que se inyecta en la recámara. La medición puede darse por medio de émbolos, y el control por válvulas de retorno al tanque de combustible.
Los inyectores mecánicos usualmente controlan la presión en los inyectores, de una manera directamente proporcional a la velocidad del motor.

Se puede apreciar que la bomba funciona directamente con el motor y el inyecor sólo es una pequeña válvula que al estar cargada con un resorte se abre y se cierra en el momento exacto en el que se necesita la inyección, programado según una leva que recibe el movimiento del cigüeñal que asegura la sincronización. Adicionalmente la presión del sistema no sólo se compone de una bomba (émbolo) que funciona según una leva, sino que también se amplifica dicha presión con otra bomba de combustible en un circuito de alta presión que será la presión de inyección en la cámara.

Inyección Electrónica

el sistema de inyección central utiliza un único inyector que se ubica antes del multiple de admisión.

La computadora del vehículo calcula la cantidad de combustible para lograr una mezcla óptima. En este sistema se pueden apreciar los primeros solenoides usados en la inyección, que eran bastante voluminosos. Se puede decir que estos inyectores heredaban muchas cualidades de la inyección mecánica pero ya se empezaba a tener un control independiente sin necesidad de tener conexiones a un eje de levas o al cigüeñal.

Inyección Continua

Estos sistemas incorporaban un sensor de flujo de aire, con el cual se regulaba la presión de los inyectores (uno para cada pistón) que se incorporaba a través de un distribuidor de gasolina. Para evitar los problemas de arranque en frío, se incorporaba un segundo inyector que solo funcionaba en estas condiciones, ayudando a enriquecer la mezcla. Debido a su complejidad nunca fueron utilizados extensivamente pero aún se utilizan en los aviones con motores reciprocantes.

Inyección electrónica monopunto

este sistema de inyección, similar al de puerto central, utiliza una unidad central que calcula la inyección de combustible, pero que al mismo tiempo mezcla la gasolina con el aire, tal como lo haría un carburador.
La razón para tener solo un inyector, es el costo de fabricación, y la sencillez del sistema comparado con una inyección multipunto.

Inyección electrónica multipunto

En la inyección multipunto, se evoluciona del modelo anterior a tener un inyector por cada cámara de combustión, lo que hace que se pueda controlar de manera secuencial que inyector debe agregar combustible. El inyector se localiza en el múltiple de admisión de cada cilindro mejorando la eficiencia de entrega de combustible.

inyección de gas natural vehicular comprimido

el gas natural presenta un menor potencial calórico por unidad de volumeno, por lo cual es necesario que los inyectores incrementen su diámetro. La evolución de dichos inyectores ha sido parecida a los inyectores de gasolina, siendo los últimos avances la inyección secuencial, superior a la inyección continua y a la carburación de gas natural de sistemas previos. Al adecuar un sistema de gas, se deben emular algunos de los sensores para acomodarse a la relación estequimetrica con gas. Otro componente que debe usarse es un regulador de la presión, ay que la presión del tanque empieza a variar de acuerdo a cuanto gas hay comprimido en el tanque.

Bombas de inyección

Como se describió anteriormente, una parte importante de los sistemas a inyección es mantener una alta presión en el sistema de combustible, reduciendo así el tiempo de inyección y mejorando la atomización.
En los sistemas diesel, la bomba muede llegar a presiones de 100MPa, debido a las grandes presiones que se generan dentro de la cámara de combustión y de deben ser vencidas por la presión del combustible. Estas bombas pueden ser del tipo lineal, de desplazamiento positivo que por medio de válvulas comprimen el sistema de inyección a la presión deseada.
En algunos sistemas la bomba se isntala directamente antes de los inyectores, mientras que en otros se instala antes y se lleva a todos los inyectores el fluído presurizado en el mismo riel de inyectores. En los sistemas de bomba rotativa, se utilizan diferentes discos y compeurtas para lograr una bomba más pequeña y eficiente.

Sistemas de inyección directa

Se dice inyección directa cuando el combustible se inyecta directamente a la cámara de combustión. Este sistema se ha utilizado predominantemente en los motores diesel, pero se dice que es la siguiente generación para motores a gasolina. El inyector estará sujeto a mayores presiones y temperaturas por lo cual se espera un incremento en el costo, pero se logra una mayor eficiencia en la combustión a través de una distribución más homogénea debido a la forma del pistón y de la cámara.
En un motor diesel, el inyector abierto, y el pistón con una forma optimizada para distribuír el combustible. Se requiere una sonda caliente que ayuda a promover la combustión.

Sensores en un sistema de inyección

En un sistema de inyección, se deben medir todas las variables que aseguren que el flujo de combustible es el correcto. La mayoría de sensores funcionan con una resistencia variable, que luego puede ser leída por la computadora (ECU) y realizar los cálculos pertinentes de mezcla. En sistemas de carburación la gasolina se vaporizaba proporcionalmente al aire que entraba al motor, por lo tanto se debe medir esta y otras variables con ayuda de los siguientes sensores:

Sensor MAF (Mass airflow sensor)

Uno de los sensors mas importantes, ya que mide el flujo de entrada de aire al motor. El coputador calcula entonces la cantidad de combustible que debe inyectar, para mantener una relación aire combustible deseada (enriqueciendo con el motor frío o oaceleraciónes súbitas, empobreciendo la mezcla en velocidad crucero). La masa de aire no se puede medir directametne, pero si variables dependientes en los 2 siguientes tipos de sensores MAF:

Sensor VAF

Este sensor mide el flujo con ayuda de una compuerta (mecánica) que se mueve proporcional al flujo. La compuerta ofrece una resistencia al flujo por lo que sufrirá una presión de arrastre. Al estar conectada a un potenciómetro, se puede calcular el flujo de aire en el motor.

Sensor Hot Wire

Este sensor incorpora un cable al que se suninistra una corriente constante. Cuando el flujo de aire es alto, el aire realiza una transferencia de calor convectiva sobre el cable, enfriándolo.
la resistencia utilizada no sigue la ley de ohm, siendo más alta entre mas caliente se encuentre el cable, por lo que se logra medir indirectamente el flujo de aire.

Existen también otros sensores de flujo, entre ellos midiendo las variaciones capacitivas de un circuito en el flujo de aire (Cold Wire Sensor de GM) o sensores Kármán, que utiliza las propiedades del flujo laminar en una superficie cilíndrica, lo que produce ondas cuyos diferenciales de presión pueden ser medidos por una sonda de presión. Este tipo de sensores envían una señal a la ECU en forma de frecuencia, que luego deberá ser interpretada en relación al flujo de aire. Un nuevo sistema consiste en un sensor de membrana, que mide el perfil calórico a través de dos laminas a diferentes temperaturas, considerando que a menor flujo habrá una mayor transferencia entre las 2 membranas.

Sensor TPS (throttle position sensor)

Este sensor se encarga de enviar la información sobre la posición de la compuerta del acelerador (throttle) a la ECU. Esto permite enriquecer la mezcla para intentar mejorar la respuesta cuando se requieren aceleraciones súbitas, o empobrecer la mezcla cuando se levanta el pie del acelerador, e incluso, cortar completamente la inyección, por ejemplo, cuando se está utilizando la compresión del motor como freno en un descenso. Normalmente es un potenciómetro conectado directamente a la compuerta.

Sensor MAP (manifold absolute pressure)

Este sensor es un barómetro ubicado en el múltiple de admisión que cumple la función de medir indirectamente el flujo de aire con la presión de velocidad del aire en el motor. En algunos diseños, reemplaza al sensor MAF.

Sensor ECT (engine coolant temperature)

Mide la temperatura del refrigerante, con lo cual se mide la temperatura del refrigerante lo que le indica a la ECU que la temperatura de operación del motor ha sido alcanzada.

Sensor  CPS  (crankshaft position sensor)

Este sensor se utiliza para medir la posición y velocidad del cigüeñal. Se utilizan sensores inductivos, ópticos y de efecto hall (campo magnetico). Estos sensores le dicen a la ECU a cuantas RPM está girando el motor. Al saber la posición la ECU puede controlar la chispa de cada cilindro, siendo de vital importancia para el motor.

Sensor lambda

Este sensor mide la cantidad de oxígeno en el escape, lo que ayuda a controlar la relación aire combustible y reducir las emisiones

Mecánica de materiales - Ensayo de tensión y propiedades básicas

Cada material tiene propiedades específicas, y cuando nos referimos a la mecánica de materiales, encontramos distintos diagramas de esfuerzo-deformación que son muy importantes en el estudio de la mecánica y resistencia de materiales. Estos diagramas se pueden realizar de manera experimental a través de distintos ensayos.

ENSAYO DE TENSION   

Un material se dice resitente cuando soporta cargas sin romperse, o deformarse de manera excesiva. A través del ensayo de tendión podemos conocer el comportamiento de este material al esfuerzo y la deformación que sufre el material en condiciones específicas.
Para el ensayo de tensión, se utiliza una probeta con forma estandarizada, y se colocan marcas entre la brecha que se va a deformar. Esta longitud se dice calibrada y es la que nos va a mostrar la deformación que sufre por unidad de longitud.
Se aplica una carga axial para estirar la pieza muy lentamente, hasta que se rompe.
la carga y la elongación se miden con este método por medio de un extensómetro.

Luego se traza el diagrama de esfuerzo-deformación, que puede describirse de 2 maneras:
El esfuerzo nominal o de ingeniería, esta dado por la fuerza sobre el area transversal inicial de la figura


También encontramos la deformación nominal o de ingeniería, que es la longitud del calibrador dividida entre la longitud original

Si se grafican ambos, podemos encontrar el diagrama de deformación unitaria. Este diagrama no se afecta por la longitud o forma del material, y por lo tanto es una propiedad intensiva del material.
El comportamiento elástico de un material es cuando la deformación y el esfuerzo ocurren de forma lineal, de manera linealmente elástica, y cuando se detiene la carga, el material vuelve a su longitud original.
La fluencia, es cuando el material sobrepasa el límite de comportamiento elástico y se empieza a deformar de manera permanente, creando dislocaciones en su estructura interna.
La deformación plástica es, entonces, cuando el material sufre elongaciones permanentes tras pasar el esfuerzo de fluencia.
Al terminar la fluencia, el material sufre un endurecimiento por deformación, donde las dislocaciones disminuyen y el material se hace mas resistente y frágil, hasta llegar al esfuerzo ultimo de tensión (o fractura) donde el material se rompe.
La formación del cuello o estricción se da cuando hay un concentrador de esfuerzos en la probeta (puede ser incluso una dislocación) que hace que la reducción del area no sea constante en toda la probeta sino que se genere un encuellamiento.
También podemos crear un diagrama de esfuerzo/deformación unitaria real, donde consideramos que la probeta conserva un volumen constante, y que cuando se estira, se reduce proporcionalmente el area. Este diagrama coincide con el otro cuando la deformación es pequeña, pero cuando llegamos a fluencia puede cambiar significativamente el uno del otro.


MATERIALES DUCTILES Y FRAGILES

Dependiendo de las curvas de esfuerzo/deformación, podemos hacer una distinción entre los diferentes comportamientos. Si un elemento se deforma bastante antes de la rotura, decimos que es ductil.

Si por el contrario su deformación plástica es casi inexistente, decimos que es frágil.
Los materiales dúctiles son útiles en ingeniería ya que en caso de impacto o un esfuerzo muy grande, se  pueden absorber impactos o deformaciones en lugar de romperse o crear una falla catastrófica.
El porcentaje de elongación es
 

Y se da en porcentaje. Para la reducción de area es

También en porcentaje.
Af en este caso es el area de fractura, para el acero dulce, por ejemplo, se encuentra cerca del 60%
Los materiales frágiles exhiben poca fluencia antes de la fractura. En general, estos materiales se agrietan por una imperfección y fallan. Cuando se someten a comrpesión axial, estos elementos soportan mas carga y son mucho mas resistentes. Algunos materiales frágiles son el hierro colado y el acero.

LEY DE HOOKE:

establece la proporción entre elongación y esfuerzo durante la fase elástica de un material.
La relación se conoce como modulo de Young y es específico para cada material. Cabe resaltar que esto solo aplica durante la fase elástica y cuando se llega a la fluencia deja de existir esta proporcionalidad.


ENDURECIMIENTO POR DEFORMACION:

Cuando un material se deforma permanentemente, y luego se libera la carga, también aumenta a su vez la resistencia y fragilidad, además de aumentar el punto de fluencia. Esto puede ser aprovechado cuando se trabaja en frío un material.