La investigación en ingeniería E-Book

Eliel Eduardo Montijo Valenzuela

• Herausgeber: Editorial Autores de Argentina
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Spanisch
• Veröffentlichungsjahr: 2020

Beschreibung

La investigación es el trabajo necesario para descubrir, innovar o dar solución a una problemática. Por otra parte, ingeniero deriva de la etimología latina "ingeniun" traducida como "ingenio", por lo que la ingeniería, proporciona al mundo el talento humano que diseña y construye día con día tecnología de vanguardia para el bienestar humano a través de la ciencia y la investigación. Esta obra, resume en once capítulos, investigaciones de ingeniería realizadas desde el aula de clase, mostrando los procesos metodológicos que se emplean en las Universidades e Institutos Tecnológicos en México, con la intención de que el lector pueda adentrarse e imaginar los alcances que se pueden lograr desde la impartición de la cátedra en distintas áreas disciplinares de la ingeniería, a través de herramientas teóricas y el uso de tecnología moderna.

Leseprobe

nombre autor

La investigación en ingeniería

Análisis y solución de casos desde el aula

Editorial Autores de Argentina

Montijo Valenzuela, Eliel Eduardo

La investigación en ingeniería : análisis y solución de casos desde el aula / Eliel Eduardo Montijo Valenzuela. - 1a ed . - Ciudad Autónoma de Buenos Aires : Autores de Argentina, 2020.

Libro digital, EPUB

Archivo Digital: online

ISBN 978-987-87-0680-1

1. Investigación de Campo. 2. Ingeniería. I. Título.

CDD 620.007

Editorial Autores de Argentina

www.autoresdeargentina.com

Mail: [email protected]

Diseño de portada: Justo Echeverría

Diseño de maquetado: Maximiliano Nuttini

Queda hecho el depósito que establece la LEY 11.723

Impreso en Argentina – Printed in Argentina

Eliel Eduardo Montijo Valenzuela, es Maestro en Gestión y Auditorías Ambientales por el Instituto Politécnico Nacional (2019), Experto Universitario en Energías Renovables y Eficiencia Energética por la Universidad de Cantalunya (2017), Especialidad en Robótica y Manufactura (2013) e Ingeniero en Mecatrónica por el Instituto Tecnológico de Hermosillo (2012).

Su docencia e investigación se centran en temáticas de diseño mecánico, diseño asistido por computadora, procesos de manufactura, termodinámica, mecánica de fluidos, ciencias de la física como la cinemática y la dinámica, la aplicación de la simulación con elementos finitos, desarrollo tecnológico, competencias universitarias y mejora continua en el aprendizaje a nivel superior.

Es autor del libro Simulación en Ingeniería: Casos Prácticos (ISBN 978-620-0-03067-2) y coautor de cuatro capítulos de libro. Ha colaborado con la publicación de artículos en revistas arbitradas nacionales e internacionales (Revista de Investigación Académica sin Fronteras ISSN: 2007-8870, Avances de Investigación en el Estado de Sonora ISSN: 2448-7473, etc.) y presentado investigaciones en congresos nacionales e internacionales (Memorias del XLI Congreso Nacional de Ingeniería Biomédica ISSN:2395-8928, Publicaciones del Congreso Internacional de Investigación Academia Journals ISSN 1946-5351, etc.).

Actualmente se desempeña como profesor en la Universidad Estatal de Sonora campues Hermosillo en el área de ingeniería en mecatrónica y en el Tecnológico Nacional de México/Instituto Tecnológico de Hermosillo en el departamento de metal-mecánica, donde además es coordinador de la carrera de ingenieria mecatrónica.

Índice

Introducción

Capítulo 1.Aumento de la dureza del acero mediante tratamientos térmicos

Introducción

Marco Teórico

Descripción del método

Resultados y conclusiones

Agradecimientos

Capítulo 2.Esfuerzos máximos permisibles en placas de acero. Una aproximación teórica y simulada mediante análisis de elementos finitos

Introducción

Desarrollo

Análisis de la sección 1-1’:

Análisis de la sección 2-2’:

Cálculos teóricos Cálculos de la sección 1-1’

Cálculos de la sección 2-2’

Análisis en simulación

Resultados de simulación

Discusión y análisis de resultados

Conclusiones

Capítulo 3.Diseño computarizado de engranes planetarios para aplicación en generadores eólicos

Introducción

Fundamento teórico

Nomenclatura básica de engranes y ecuaciones

Metodología

Resultados

Conclusiones

Capítulo 4.Tecnología de nanofiltración, una alternativa para la purificación de aceites lubricantes. Evaluación de su rendimiento mediante la norma ISO 4406.

Introducción

Fundamento teórico.

Nanotecnología y nanofibras de filtrado

Lubricantes

Aditivos

Oxidación en lubricantes

Norma de limpieza ISO 4406:1999

Materiales y métodos

Resultados

Conclusiones

Capítulo 5.Un análisis de las competencias en programación básica multidisciplinaria en alumnos de nuevo ingreso al nivel superior

Introducción

Metodología

Resultados

Conclusiones

Capítulo 6.Competencias de los alumnos de ingeniería mecatrónica del Instituto Tecnológico de Hermosillo desde un enfoque de la industria local

Introducción

Materiales y métodos

Resultados y discusión

Conclusiones

Capítulo 7.Un caso de simulación en la transferencia de calor en materiales de construcción. El tereftalato de polietileno, un material para construcciones ecológicas sustentables.

Introducción

Desarrollo

Resultados

Conclusiones

Agradecimientos

Capítulo 8.Dispositivos electrónicos en el ámbito de la salud. Propuesta de pulsera digital para la medición de signos vitales

Introducción

Desarrollo

Resultados

Conclusiones

Capítulo 9.Energía sustentable. Propuesta y diseño de un sistema para alimentación de baterías en DRONES

Introducción

Desarrollo

Ecuaciones Seebek-Peltier

Descripción del método

Pruebas y resultados

Conclusiones

Agradecimientos

Capítulo 10.Separadores de material particulado. Diseño y modelado de ciclones mecánicos tipo Stairmand

Introducción

Desarrollo

Resultados

Conclusiones

Capítulo 11.Sistemas de gestión ambiental en la actividad empresarial. Importancias y ventajas.

Epílogo

Referencias

Introducción

El ingeniero debe de realizar un análisis a profundidad de los conocimientos científicos y tecnológicos básicos y especializados que van surgiendo a través del tiempo, para ello, es indispensable que desde el aula de formación, pueda adquirir la habilidad de investigar, y poder solucionar problemáticas acorde a su perfil profesional, de tal forma que puedan superar las expectativas de egreso, y pueda insertarse de forma efectiva en el campo laboral, con amplias posibilidades de despertar en ellos, una iniciativa de innovación y desarrollo, con enfoques multidisciplinares.

La investigación en ingeniería, va más allá del planteamiento de una metodología para el descubrimiento de “algo”, si no que se debe de profundizar en los conocimientos de una disciplina específica, y poderlos interconectar con otros tipos de conocimientos, formando una “red neuronal”, que, trabajada de forma adecuada, dé como resultado un producto de interés. Las interconexiones pueden ser a nivel individual, o, en la medida de lo posible, conjuntar a varios actores en el desarrollo del conocimiento, formando productos integrales y con un mayor espectro de posibilidades y soluciones.

El aula dentro del área de las ingenierías, es un potenciador destinado a la gestión de la enseñanza y el aprendizaje, prácticamente es un mundo inmerso en donde los profesores y los estudiantes, tienen la posibilidad de crear haciendo y aprendiendo.

En el capítulo uno, se aborda el tema de los tratamientos térmicos aplicados a los metales, específicamente el acero, para el mejoramiento de sus propiedades mecánicas, ya que, en su estado elemental, no tiene aplicaciones tecnológicas industriales. Esta investigación demuestra, que el tratamiento térmico de temple en aceros, incrementa de forma considerable su dureza, por lo que puede ser aplicado en la manufactura de elementos de máquinas.

En el capítulo dos, se analiza una herramienta de corte, para determinar los esfuerzos que va a soportar, mediante el uso de la mecánica teórica y el uso de simulador de elementos finitos.

En el capítulo tres, se propone una metodología para el dibujo de engranes planetarios, mediante asistencia computacional y el apoyo de los cálculos teóricos del sistema de engranes, tomando en cuenta los parámetros y consideraciones dimensionales iniciales.

En la investigación del capítulo cuatro, se evalúa el rendimiento de la nanofiltración para el alargamiento de la vida de los lubricantes en maquinaria pesada, mediante el análisis y pruebas de laboratorio, bajo el criterio de la normalización ISO 4406. La investigación se compone de un fundamento teórico sobre la nanotecnología, las nanofibras de filtrado, lubricantes, aditivos, oxidación de los lubricantes y la norma de limpieza en aceites lubricantes; la ISO 4406:1999.

En el capítulo cinco y seis, se aborda un análisis de las competencias adquiridas dentro y fuera del aula del Instituto Tecnológico de Hermosillo. En el capítulo cinco, se determina el nivel de competencia de programación, adquiridas por un grupo de 37 alumnos de diferentes áreas disciplinares, al finalizar un curso propedéutico, y en el capítulo seis, tiene por objetivo, analizar el grado de competencias genéricas y especificas desarrolladas por los alumnos de ingeniería mecatrónica desde una perspectiva industrial, evaluada en el noveno semestre cuando cursan el programa de residencias profesionales.

En el capítulo siete, se presenta un caso de estudio con enfoque a la transferencia de calor de un ladrillo fabricado con materiales ecológicos, adaptado a los fundamentos de la arquitectura sustentable, sobre todo en el área de la eficiencia energética, mediante la selección e implementación de materiales que permitan consumir menor energía desde la etapa de diseño, mediante el cálculo analítico utilizando la ley de Fourier, y el uso de simulación térmica con análisis de elemento finito.

El capítulo ocho, aborda una propuesta de un dispositivo para medir signos vitales para personas mayores, en relación con su frecuencia cardiaca y la respiración principalmente. El dispositivo incluye también un sistema GPS (Sistema de Posicionamiento Global) y un botón de ayuda, que se puede activar si el usuario se cae o necesita una ayuda especial, monitoreando de forma remota la actividad del usuario. La metodología empleada para realizar el análisis y selección del modelo, está basada en el programa de Células de Innovación de la Confederación de Cámaras Industriales de los Estados Unidos Mexicanos (CONCAMIN). Como producto final, se presenta un concepto con características de innovación de mercado local.

En el capítulo nueve, se da una propuesta y diseño de un prototipo para el sistema de generación y suministro de energía del proyecto impulsado por el Instituto Tecnológico de Hermosillo, llamado dron amo-esclavo, mediante la implementación del efecto termoeléctrico.

En el capítulo diez, se muestran y analizan los cálculos teóricos de diseño para un ciclón de alta eficiencia tipo Stairmand, para la separación de material particulado en un proceso de cal, en donde se quiere limpiar de forma mecánica, el aire contaminado a partir del proceso, por lo menos en un 75%.

En el último capítulo, se realiza un análisis de la importancia y ventajas de implementar sistemas de gestión ambiental en el sector empresarial, como un preámbulo a la generación de conciencia sustentable.

Este trabajo, es la recopilación de 11 capítulos destinados al análisis de problemáticas referentes a la ingeniería, cada uno de ellos con enfoques metodológicos diferentes, cuyo objetivo es adentrar a los lectores interesados, en el análisis crítico, como una herramienta de solución.

Capítulo 1.

Aumento de la dureza del acero mediante tratamientos térmicos

Resumen— Los tratamientos térmicos son una serie de operaciones de calentamiento y enfriamiento de un metal en estado sólido para cambiar sus propiedades, como por ejemplo las del tipo mecánico, principalmente la dureza, por medio de la transformación de la estructura cristalina del metal; una cualidad que presentan los materiales como el hierro y el carbono, denominada alotropía. El hierro, en su estado elemental, no tiene una presencia de aplicación en la industria, ya que no cumple con las “características” ideales para ser tecnológicamente aplicable. Sin embargo, el acero (combinación de hierro y carbono), cumple con las necesidades tecnológicas industriales, por lo que su aplicación es extensa en el ramo de la ingeniería de la construcción, la ingeniería mecánica, los procesos de elaboración de herramientas y muchas otras aplicaciones. En esta investigación, se realiza la aplicación de proceso de temple a dos tipos de aceros (D2 y 1045), para incrementar su dureza y poder ser aplicado en la manufactura de elementos de máquinas.

Introducción

La ciencia de los materiales, tiene como objetivo principal, conocer la estructura interna, las propiedades y la creación de materiales, interesada principalmente por el empleo del conocimiento fundamental y aplicado acerca de los diferentes materiales, de modo que puedan ser transformados en productos útiles para la humanidad (Güemes Gordo y Martín Piris, 2012). Por otro lado, la ingeniería de los materiales, aplica los conocimientos de la ciencia de los materiales, para la fabricación de los mismos.

Si observamos nuestro alrededor, nos podremos dar cuenta que la mayor parte de las cosas están elaboradas con algún tipo de metal, desde los vehículos que utilizamos para transportarnos, hasta las mega construcciones de edificios, aeropuertos y puentes, por mencionar algunos. Ahora bien, si analizamos a detalle los materiales con los que fueron fabricados, nos podremos dar cuenta que en su mayoría son aleaciones de acero; un material versátil, principalmente dentro de los materiales estructurales, que presenta gran resistencia mecánica, dureza, poco peso, facilidad de fabricación y otras propiedades convenientes (McCormac et al., 2012).

Para este trabajo de investigación se utilizan como prueba dos tipos de acero; acero D2 (familia AISI) y acero 1045 (familia SAE). El acero D2 tiene una composición química (en porcentaje) de; 1.5 C (carbono), 0.6 Mn (manganeso), 0.60 Si (silicio), 12.0 Cr (cromo), 1.0 Mo (molibdeno) y 1.0 V (vanadio), y sus aplicaciones convencionales son para trabajo en frío, principalmente utilizado en la industria metal mecánica para la fabricación de matrices y punzones, herramientas para plegado, moldes para formación de piezas cerámicas y moldes de inyección de plástico (GGD Metals, 2019a). El acero 1045 presenta una composición porcentual de 0.43-0.50 C, 0.60-0.90 Mn, 0-0.40 Si, 0-0.04 P (fósforo), 0-0.05 S (azufre), y sus aplicaciones convencionales son aquellas en las que se requiere una resistencia mecánica mayor que los aceros bajos en carbono convencionales; ejes, pines, tornillos y pernos (GGD Metals, 2019b).

A estas dos muestras, primeramente, se les realizó una prueba de dureza, mediante el uso del durómetro digital Wizhard serie 810 calibrado. Posteriormente se les aplicó un tratamiento térmico de temple en los hornos eléctricos del tipo Batch marca Lindberg. Después del proceso de temple, se realizaron nuevamente pruebas de dureza en cada uno de los especímenes templados, documentando nuevamente los resultados encontrados.

Marco Teórico

Todos los materiales presentan propiedades que los diferencian desde su nivel molecular hasta las posibles aplicaciones que pueden tener a nivel industrial, uno de estos materiales son los metales. Los metales presentan propiedades y características que los hacen únicos, entre estas propiedades se encuentran las propiedades mecánicas, que representan las reacciones ante los esfuerzos externos (Barroso Herrero e Ibáñez Ulargui, 2014).

A nivel ingeniería, estas propiedades son muy importantes, ya que dependiendo de las funciones del producto que se va a fabricar, se debe de elegir el material más adecuado. Una propiedad mecánica de importancia en los metales, es la dureza, y esta se define como una la propiedad de un material a ser penetrado (Askeland, Askeland y Wright, 2017 y Alonso Manjares, 2015) y deformado (Serrano Sánchez, Mejías Sanguino y Rodríguez Dorado, 2013).

Esta propiedad es muy compleja, y se relaciona con la estructura cristalina y la presencia de átomos extraños en la red o partículas dispersas en el sistema cristalino (Barroso Herrero, Gil Bercero y Camacho López, 2015). Este es el caso del acero, una aleación de hierro, carbono y otros elementos presentes en pequeñas cantidades como el silicio, azufre y oxígeno, que le aportan ciertas características específicas.

Las proporciones del carbono en el hierro, están entre 0.008% y 2%, por debajo de 0.022% se considera como acero dulce, que presenta propiedades de maleabilidad y capacidad de deformación, por encima de estos valores, adquiere mayor dureza, pero a su vez mas fragilidad (Fernández, 2009).

La base para la clasificación de los aceros en proporción a su contenido de carbono, se referencia prácticamente desde la transformación eutectoide, concretamente desde una concentración de 0.022% a los 6.69% de carbono, así los aceros con un 0.77% de carbono se denominan aceros eutoctiodes, los que tienen un contenido superior hipereutectoides, y los de contenido menor, hipoeutectoides (Montes Martos, Gómez Cuevas y Cintas Físico, 2014).

El hierro, componente principal del acero, presenta propiedades alotrópicas; capacidad del material en estado sólido, de existir en varias estructuras cristalinas (Santos, 2006), estas fases se muestran en la figura 1 y están representadas por hierro alfa (α) o ferrita, hierro gamma (γ) o ausentita y hierro delta (δ).

El hierro α es la forma en estado alotrópico que presenta el hierro hasta los 911 °C con red cristalina de sistema cubico centrado en el

cuerpo, el hierro γ es la forma que presenta el hierro puro de los 911 °C y los 1400 °C y presenta red cristalina cubica centrada en las caras, y el hierro δ es la forma alotrópica que está presente entre los 1400 °C y los 1539 °C, con sistema de cristalización cubico centrado en el cuerpo al igual que hierro α, sin embargo, presenta mayor tamaño (Urda Fernández-Bravo y García Castro, 2016).

Figura 1. Fases alotrópicas del hierro. De izquierda a derecha; hierro α, hierro γ y hierro δ.

El acero, también presenta cambios de fase y sus constituyentes principales son la ferrita (componente también del hierro, elemento muy blando entre los aceros), la cementita (se forma por debajo de los 727 °C, cuando se excede el límite de solubilidad del carbono en la ferrita), la perlita (constituyente formado en capas delgadas de cementita y ferrita, con concentraciones del 0.89% de carbono), la austenita (solución solida de carburo de hierro en hierro γ, con concentraciones de carbono entre 0 y 0.2% y estabilidad a temperaturas de 730 a 1500 °C), la martensita (es característica de los aceros templados, formándose cuando la ausentita se enfría de forma rápida, se compone de hierro α y austenita) y oros constituyentes intermedios (Domínguez Soriano y Ferrer Ruiz, 2017).

El factor temperatura y el porcentaje de carbono de los aceros, implica cambios en sus propiedades mecánicas. En términos de dureza, la ferrita presenta 90 Brinell (HB), la cementita 700 HB, la perlita 250 HB y la austenita 300 HB (Barroso Herrero e Ibáñez Ulargui, 2014).

En los aceros, el uso de los tratamientos térmicos es un procedimiento para mejorar las propiedades mecánicas de los materiales (Aranguren, L., López, G., y Figueroa, Y., 2017), por ejemplo, el aumento de la dureza, eliminación de tensiones internas, eliminar la acritud de un trabajo en frio, mayor resistencia mecánica y a agentes químicos externos, o incluso variar alguna característica física externa del material (Jiménez Padilla, 2012).

La templabilidad es una propiedad que presentan las aleaciones ferrosas como el acero, y se describe como la capacidad de endurecer una aleación por medio de un tratamiento térmico, o la medida de profundidad de dureza adquirida por un metal mediante calentamiento y templado subsecuente (Kalpakjian, Schmid y Espinoza Limón, 2008).

Los tratamientos térmicos son procesos que incluyen el calentamiento de los metales a temperaturas determinadas, con un posterior enfriamiento programado, produciendo cambios en su estructura molecular. Dentro de los tratamientos térmicos, el más usado para aplicaciones del acero es el temple (De la Torre, Berenguer, Oliva y Millán, 2014; Mazuera Robledo y Ortiz Cárdenas, 2011; Higuera Cobos, Moreno Téllez y Suárez Tovar, 2010).

El temple es un tratamiento térmico aplicable al acero para aumentar su dureza y límite elástico, calentando el acero a una temperatura de su punto crítico (superior a los 723 °C), y enfriándolo controladamente en líquidos, el aire u otro material, si el enfriamiento de la pieza es muy rápido se le conoce como temple duro, de lo contrario, se le denomina temple suave (Urda Fernández- Bravo y García Castro, 2016).

Los tres principales factores que hay que considerar en el proceso del temple son la temperatura, el calentamiento y la velocidad de enfriamiento, con ello, a partir de una velocidad de enfriamiento real, se obtiene una estructura cristalina resultante y los valores de resistencia a la dureza alcanzados en el proceso; por ejemplo, al enfriar el material a una velocidad critica superior, se obtiene una estructura de acero martensita, en cambio si la velocidad es inferior, no se logra esta estructura (Caballero Stevens y Figueroa Cuervo, 1999). Después del proceso de temple se realiza una prueba de dureza correspondiente a la penetración o al rayado (Mago Romos et al., 2017), generalmente utilizando equipo electrónico de precisión.

Descripción del método

El método empleado en este caso de estudio, consistió de cinco etapas principales:

1. Selección de los materiales. Se buscaron las dos piezas de acero correspondientes al tipo D2 y 1045, mismas que se cortaron en las siguientes dimensiones. Acero 1045, forma cilíndrica, diámetro 2.54 cm, longitud 5 cm. Acero D2, forma cuadrada, diámetro 2.54 cm, longitud 5 cm.

2. Medición de dureza antes de tratamiento térmico. Para ambos materiales se les aplicó una prueba de dureza con el durómetro digital Wizhard serie 810 (ver figura 2). Para cada piza se realizaron 5 medidas en diferentes partes del cuerpo de la pieza, para obtener un promedio de la dureza inicial (ver figura 3 y 4). Las tomas de medición fueron realizadas en la escala de dureza HCR (Rocwell).

3. Calentamiento de piezas. Para ambos especímenes, se calentaron en el horno eléctrico Batch marca Lindberg (ver figura 5). Para el acero D2 se utilizó la siguiente metodología; precalentamiento de 600 °C para primer normalizado, posteriormente un segundo normalizado a 780°C, finalización de calentamiento de 995°C durante 45 minutos para temple de austenización (Aceros SISA, 2012). Para el acero 1045, la temperatura de templado fue de 850°C durante una hora (GGD Metals, 2019b).

4. Enfriamiento de piezas. Para ambas piezas se utilizó como elemento de enfriamiento agua, a temperatura de 28 °C (ver figura 6 y 7).