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Proyecto fin de carrera para laconsecucion del tıtulo de Ingeniero

Aeronautico

Desarrollo de equipo de sinterizacion por

descarga electrica en microgravedad

Escuela Tecnica Superior de Ingenierıa

Universidad de Sevilla

Autor: Lissen Perez, Ricardo

Tutores: Dr Don Jose Marıa Gallardo Fuentes

Dona Eva Marıa Perez Soriano

Sevilla, Febrero de 2014

Dedico este trabajo mi familia y mis amigos

que me acompanaron en esta aventura.

Y sobre todo a ti, que llegaste al final,

y que me acompanas hacia nuestro futuro.

Indice general

Indice general I

Lista de figuras III

Lista de tablas VI

Agradecimientos VII

Objetivo VIII

Resumen IX

1. Introduccion 1

1.1. Conceptos generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2. Filosofıa del modelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3. Consideraciones previas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2. Bases teoricas 7

2.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2. Sinterizacion de materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.1. Consolidacion de polvos metalicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2.2. Consolidacion por descarga electrica . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2.3. Aplicaciones industriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3. Microgravedad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3.1. ¿Que es la microgravedad? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3.2. Aspectos fundamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3.3. Metodos para obtener condiciones de microgravedad . . . . . . . . . 16

2.4. Microgravedad y CDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3. Experimentacion 24

3.1. Simulacion del lanzamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.1.1. Planteamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

i

INDICE GENERAL ii

3.1.2. Modelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.1.3. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.2. Equipo de sinterizacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2.1. Introduccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2.2. Fundamentos del equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2.3. Elementos basicos del equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.2.4. Ensayo a escala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.2.5. Montaje final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.3. Torre de caıda libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.3.1. Caracterısticas generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.3.2. Consideraciones para el diseno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4. Discusion 72

4.1. Discusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.2. Lıneas de trabajo futuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5. Conclusiones 76

5.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Bibliografıa 78

A. Modelos CADs y planos 81

A.1. Equipo de sinterizacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

A.1.1. Condensador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

A.1.2. Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

A.1.3. Pernos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

A.1.4. Cuna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

A.1.5. Barras de conexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

A.1.6. Tapa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

A.1.7. Montaje de la probeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

A.2. Torre de caıda libre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

A.2.1. Contenedor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

A.3. Montaje completo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

B. Adquisicion de datos 110

B.1. Proposito del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

B.2. Codigo del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

B.3. Codigo del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

Lista de figuras

1.1. Datos de aceleracion recogidos durante la caıda en el ciclo Short Jojo A. . 4

1.2. Datos completos de aceleracion adaptados del ciclo Short Jojo A. . . . . . 5

2.1. Metodos existentes para la consecucion de las condiciones de microgravedad

segun el tiempo y la calidad de la microgravedad. . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2. Instalaciones terrestres para conseguir condiciones de microgravedad. . . . 17

2.3. Perfil de un tramo parabolico de un vuelo de la ESA. . . . . . . . . . . . . 19

3.1. Modelo - Capsula y muelles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.2. Aceleracion medida e interpolada en el ciclo Short Jojo A en el intervalo

[79 - 81.5] s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27


[76 - 81] s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.4. Resultados de la simulacion para el primer perfil de aceleracion, K = 30

N/m2 y tiempo de lanzamiento 3.85 s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.5. Tendencia del intervalo en condiciones de microgravedad en primera apro-

ximacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31


[79 - 81.5] s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.7. Tendencia del intervalo en condiciones de microgravedad con el nuevo perfil

de aceleracion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.8. Tendencia segun las diferentes longitudes iniciales de los muelles. . . . . . . 36

3.9. Esquema unifilar del circuito del equipo de descarga. . . . . . . . . . . . . 40

3.10. Transformadores acoplados en el montaje del equipo. . . . . . . . . . . . . 41

3.11. Diodo rectificador utilizado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.12. Banco de condensadores en configuracion rectangular. . . . . . . . . . . . . 42

3.13. Montaje para el ensayo a escala. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.14. Modelo CAD del banco de condensadores en configuracion hexagonal. . . . 46

3.15. Instantanea del banco de condensadores en configuracion hexagonal. . . . . 47

3.16. Barras de conexion de los condensadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.17. Esquema auxiliar para el conexionado de los cables. . . . . . . . . . . . . . 49

iii

LISTA DE FIGURAS iv

3.18. Vista lateral de la “Cuna”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.19. Modelo CAD del banco conexionado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.20. Modelo CAD de la probeta de ensayos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.21. Modelo CAD del soporte fijo para la probeta de ensayos. . . . . . . . . . . 53

3.22. Soporte movil para la probeta de ensayos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.23. Montaje anterior utilizado para la probeta de ensayos. . . . . . . . . . . . . 55

3.24. Esquema del circuito de carga simulado en Matlab Simulink. . . . . . . . . 56

3.25. Curva de tension en el banco frente al tiempo para una carga de 10 segundos. 57

3.26. Curva de tension en el banco frente al tiempo para una carga de 30 segundos. 57

3.27. Curva de intensidad en el banco frente al tiempo para una carga de 10

segundos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.28. Curva de intensidad en el banco frente al tiempo para una carga de 30

segundos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.29. Relacion entre el intervalo de tiempo en condiciones de microgravedad y la

altura de lanzamiento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.30. Aproximacion al factor de desaceleracion en funcion de la altura de frenado. 61

3.31. Alternativa basada en raıles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.32. Estimacion de la fuerza de desaceleracion para una cuerda “Simond Outdoor”. 67

3.33. Placa Arduino Mega. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.34. Instalaciones terrestres para conseguir condiciones de microgravedad. . . . 69

3.35. Perfiles simulados de aceleracion, velocidad y posicion respecto del tiempo 70

A.1. Esquema de elementos del subconjunto “Equipo de Sinterizacion”. . . . . . 82

A.2. Renderizado del subconjunto “Equipo de Sinterizacion”. . . . . . . . . . . 83

A.3. Modelo CAD del elemento “Condensador”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

A.4. Modelo CAD del elemento “Base”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

A.5. Plano del elemento “Base”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

A.6. Modelo CAD del elemento “Perno”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

A.7. Plano del elemento “Perno”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

A.8. Modelo CAD de la “Cuna”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

A.9. Plano del elemento “Agarre”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

A.10.Plano del elemento “Riostra”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

A.11.Plano del elemento “Barra de cobre”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

A.12.Plano del elemento “Puente”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

A.13.Plano del elemento “Acople”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

A.14.Plano del elemento “Taco aislante”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

A.15.Plano del elemento “Soporte fijo”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

A.16.Modelo CAD del subconjunto “Barras de conexion”. . . . . . . . . . . . . 98

A.17.Plano del subconjunto “Barras de conexion”. . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

A.18.Modelo CAD del elemento “Tapa”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

A.19.Plano del elemento “Tapa”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

A.20.Esquema de elementos del subconjunto “Montaje de la probeta”. . . . . . . 102

A.21.Modelo CAD del subconjunto “Montaje de la probeta”. . . . . . . . . . . . 103

A.22.Plano del elemento “Soporte movil”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

A.23.Esquema de elementos del conjunto “Torre de caıda libre”. . . . . . . . . . 105

A.24.Esquema de elementos del conjunto “Torre de caıda libre”. . . . . . . . . . 106

A.25.Modelo CAD del subconjunto “Contenedor”. . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

A.26.Renderizado del montaje completo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

v

LISTA DE TABLAS

Lista de tablas

3.1. Relacion entre aceleracion y tiempo de lanzamiento para los resultados

iniciales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.2. Relacion entre aceleracion y tiempo de lanzamiento para la segunda tanda

de simulaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.3. Ruta de conexionado entre los condensadores y las barras de conexion. . . 50

vi

AGRADECIMIENTOS

Agradecimientos

Me gustarıa agradecer a mis tutores, Jose Marıa y Eva, por su gran colaboracion y

guıa durante el Proyecto. Sin sus conocimientos transmitidos, su ayuda prestada y sus

valiosos consejos, este Proyecto no habrıa salido adelante. Ademas, debo agradecerles su

infinita paciencia durante todo el proceso y el excelente ambiente de trabajo en el que se

ha desarrollado el Proyecto.

A Enrique y Juanma por los trabajos realizados previamente en este area y a las

diligentes y excelentes explicaciones que han permitido que este Proyecto tenga una base

solida y consistente.

A los tecnicos de Laboratorio, Mercedes, Jesus y Miguel, por su absoluta disponibilidad

y paciencia en las explicaciones de todo el trabajo experimental que han sido necesarias.

Al profesor Alfonso Valenzuela del Departamento de Ingenierıa Aeroespacial y Mecani-

ca de Fluidos, por compartir su experiencia en la realizacion de experimentos en Micro-

gravedad y su disponibilidad para ilustrarme y aconsejarme sobre dicha area.

A Juan Manuel Ayllon del Area de Ingenierıa Mecanica por su inestimable ayuda en

el mundo del programa MD Adams.

Al tecnico Agustın Dıaz del Grupo de Ingenierıa Electronica por el prestamo de los

equipos a su disposicion para la toma de medidas.

A todos los amigos que me han apoyado durante este Proyecto y durante toda la

carrera.

A mi familia que ha sido el apoyo mas importante durante toda la carrera y en la

realizacion de este Proyecto.

Y a todos los que no estan aquı nombrados, pero que han contribuido a la finalizacion

de este Proyecto.

Muchas gracias a todos.

vii

OBJETIVO

Objetivo

El objetivo fundamental de este Proyecto Fin de Carrera es la definicion de un equipo

que permita realizar procesos de sinterizacion de polvos metalicos en condiciones de mi-

crogravedad. Dichas condiciones se pueden alcanzar, por ejemplo, en la torre “El Desafıo”

situada en las instalaciones del parque tematico “Isla Magica” situado en la ciudad de

Sevilla o mediante una torre de caıda libre de construccion propia.

La conveniencia de utilizar estas condiciones especiales para realizar este tipo de pro-

cesos se encuadra en la obtencion de propiedades adicionales a las obtenidas cuando se

realizan este tipo de procesos en condiciones tradicionales. En la pieza resultante estas

propiedades serıan baja densidad, alta conductividad termica y electrica y alto nivel de

porosidad.

viii

RESUMEN

Resumen

De cara a la consecucion de los objetivos descritos se sigue un proceso en varias etapas

encaminadas a demostrar la viabilidad teorica, definir los equipos y el montaje necesa-

rio, ası como realizar un conjunto de experimentos suficientes para obtener resultados

satisfactorios.

La primera etapa es la realizacion de simulaciones para comprobar la validez del mon-

taje que se emplea y la obtencion teorica de las condiciones de microgravedad deseadas.

Esta primera etapa parte del procesamiento de los datos experimentales recogidos por

el Grupo de Metalurgia e Ingenierıa de los Materiales de la Escuela Tecnica Superior

de Ingenierıa (ETSI) de Sevilla en la atraccion “El Desafıo” del parque tematico “Isla

Magica” de Sevilla.

Como segunda etapa se encuadra la adecuacion de los equipos de sinterizacion existen-

tes en el Departamento, la adquisicion de nuevos elementos y la preparacion del montaje

necesario para la realizacion de los experimentos.

Como tercera etapa se recoge el estudio de la consecucion de las condiciones de mi-

crogravedad deseadas mediante el uso de una torre de caıda libre. Se distinguen dos

posibilidades principales, el uso de la atraccion “El Desafıo” o la construccion de una to-

rre de caıda libre propia, siendo esta ultima la opcion elegida por motivos que se recogen

en dicho capıtulo.

Como etapa final se tendrıa la realizacion de un cierto numero de experimentos en

las instalaciones desarrolladas para obtener resultados concluyentes sobre las propiedades

mecanicas y metalograficas de los productos obtenidos de la sinterizacion.

ix

CAPITULO 1. INTRODUCCION

Capıtulo 1

Introduccion

1.1. Conceptos generales

Como paso previo a comentar la filosofıa que se va a seguir en el modelo utilizado, es

necesario ilustrar una serie de conceptos importantes que llevan a su definicion.

En primer lugar, es fundamental definir correctamente la sinterizacion por descarga

electrica. Por una parte la sinterizacion es aquel proceso que permite que finas partıculas

de un compuesto en polvo se unan entre sı formando una unica pieza mediante la accion

de la temperatura. La sinterizacion se encuentra normalmente como la etapa esencial del

conformado por compactacion de polvos metalicos con aplicacion de calor. Entendiendo

como compactacion de polvos metalicos el proceso por el cual las finas particulas de un

material en polvo se unen mutuamente por la accion de una fuerza exterior, con o sin la

aplicacion de calor, para formar una pieza cohesionada.

Por otra parte, la descarga electrica es uno de los metodos que permiten alcanzar

elevadas temperaturas en estos materiales a traves de los cuales se induce una corriente

electrica que incrementa su temperatura. Existen otros metodos que se pueden utilizar

de manera combinada o individual, como pueden ser la aplicacion de presion o el uso

de hornos industriales. Sin embargo, como se puede observar en las referencias [1] y [2],

la sinterizacion por descarga electrica constituye una alternativa en alza a los procesos

tradicionales.

En segundo lugar, es necesario definir que se entiende por microgravedad en esta

situacion. En general, se describe como un estado en el que se aprecia una situacion de

peso nulo, en la cual el cuerpo se encuentra bajo el efecto de una aceleracion negativa de

1g. Esta g se corresponde con la aceleracion de la gravedad, la cual se considera con el

valor estandar aproximado de 9.80665m/s2.

Estas condiciones de microgravedad se pueden obtener mediante diferentes tecnicas:

vuelos parabolicos, torres de caıda libre o experimentos en orbita.

1


Los experimentos en orbita quedan descartados por su elevado coste y complejidad,

mientras que en relacion a los vuelos parabolicos ya se han realizado actividades similares

dentro del programa de vuelos parabolicos de la ESA por parte de un grupo de alumnos

de Ingenierıa Aeronautica de anteriores promociones.

De tal forma, la opcion que parece factible en este caso es la del uso de la torre

caıda libre “El Desafıo” situada en las instalaciones del parque tematico “Isla Magica” de

Sevilla.

A traves de un estudio previo realizado por miembros del Grupo de Metalurgia e Inge-

nierıa de los Materiales en dichas instalaciones [3] se observa que el tiempo disponible en

condiciones de microgravedad en la atraccion es reducido o nulo segun el ciclo considerado.

Por lo que atendiendo a la necesidad de mayor tiempo en las condiciones buscadas,

es necesario utilizar un sistema auxiliar disenado y construido ad hoc para potenciar las

mismas. De acuerdo con la bibliografıa consultada sobre otras instalaciones y experiencias

de microgravedad, como pueden ser las publicaciones [4] y [5], las soluciones habituales

consisten en el uso de montajes mecanicos de gran tamano y masa que aumenten la

robustez y resistencia del sistema.

En este caso, estas soluciones distan de las realizables, por lo que se plantea la po-

sibilidad de realizar el diseno de una capsula ligera y de tamano reducido en la que se

encuentren los polvos en suspension hasta alcanzar las condiciones necesarias para la

ejecucion del proceso.

Por lo que como punto de partida para el montaje, se considera el uso de muelles como

agentes para potenciar dichas condiciones buscadas, ası como sujetar la capsula durante

la caıda hasta alcanzar las condiciones cinematicas optimas para realizar la descarga.

Es necesario realizar un estudio detallado mediante herramientas de simulacion de los

diferentes factores implicados y la influencia de los mismos sobre el tiempo en condiciones

de gravedad reducida.

1.2. Filosofıa del modelo

El modelo considerado inicialmente consta de un marco metalico rectangular al que

va unido una capsula en la que se encuentra el metal al que se va a someter al proceso

metalurgico bajo estudio.

Esta capsula se encuentra ligada al marco mediante cuatro muelles, dos en la parte

superior y dos en la inferior. La intencion del uso de muelles es que mediante el ajuste de

sus parametros caracterısticos (longitud inicial, precarga y constante elastica) se maximice

el tiempo en las condiciones buscadas debido al efecto de las fuerzas elasticas desarrolladas.

2


Las razones para este tipo de diseno se derivan de estudios previos realizados dentro

del Grupo de Metalurgia e Ingenierıa de los Materiales que se observan en [6].

La idea fundamental es anclar este marco junto con la capsula, el banco de conden-

sadores necesarios para realizar la descarga y un conjunto de sensores en la plataforma

existente en el interior de la gondola de la torre “El Desafıo”.

De tal forma que de manera autonoma y habiendo fijado previamente el valor optimo

de aceleracion (que se medira y evaluara a traves de un equipo de analisis instalado

junto con el marco), la capsula sera liberada en el momento en el que se alcancen dichas

condiciones.

Tras lo cual se iniciara el proceso de descarga del banco de condensadores y se reali-

zara la sinterizacion del polvo metalico contenido en la capsula.

1.3. Consideraciones previas

Para poder trabajar con los resultados obtenidos en los estudios previos realizados

en “Isla Magica” es necesario procesar y filtrar los datos obtenidos por los acelerometros

instalados, ya que estos adquirieron los datos con un ratio de muestreo de 10 000 muestras

por segundo, lo cual supone una cantidad de datos demasiado elevada para su correcto

procesamiento mediante las herramientas disponibles.

3


0 10 20 30 40 500.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Short JoJo - A

tiempo / s

Gra

veda

d / m

/s^2

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

Figura 1.1: Datos de aceleracion recogidos durante la caıda en el ciclo Short Jojo A.

En la Figura 1.1 se observan los datos recogidos durante uno de los ciclos de la torre

caıda libre. En el eje horizontal se recoge el tiempo expresado en segundos, mientras que

en el eje vertical se recoge el valor de la gravedad expresado en unidades de aceleracion.

Es necesario realizar una breve explicacion sobre la forma de capturar los datos por

parte de los acelerometros. En situacion de equilibrio estatico, estos registran un valor de

1g, lo que se debe interpretar como que el cuerpo esta en reposo y su aceleracion real es

de valor nulo.

Sin embargo, cuando se encuentra cayendo bajo la accion de la gravedad y sin ser

sometido a ninguna otra fuerza, el valor registrado es de 0g, que debe ser interpretado

como una aceleracion sobre el cuerpo de -9.8m/s2

4


Figura 1.2: Datos completos de aceleracion adaptados del ciclo Short Jojo A.

Los datos de los tres acelerometros instalados son promediados para los diferentes ciclos

estudiados y se les aplica un filtro logarıtmico de 10 Hz para reducir el ruido existente en

los mismos. Para el tratamiento de esta cantidad ingente de datos y su estudio estadıstico

se utilizan los programa Origin Pro 8 y Matlab v2009a.

Asimismo, en la Figura 1.2 se observan los datos completos y procesados en forma de

la aceleracion real que se sufre el movil. Estos datos provienen de uno de los ciclos de

operacion realizados en la torre de caıda libre de “El Desafıo”

Para la obtencion de la funcion de aceleracion que se introducira en el programa

de simulacion, se centran los esfuerzos en a aquellos intervalos de tiempo en los que se

alcanzan unas condiciones mas favorables. Se muestrean los resultados tomando uno de

cada 100 valores para reducir la carga de procesamiento sin perder precision apreciable.

Se trasladan los valores de los intervalos optimos desde el programa Origin a Excel,

donde se utiliza una macro en Visual Basic para obtener una aproximacion polinomica de

grado alto y gran precision.

El requerimiento de gran precision viene dictado por los problemas que aparecen en el

entorno de simulacion del programa MD Adams 2003 escogido para realizar la simulacion

cuando el numero de decimales de la funcion interpolada es reducido.

5


6

CAPITULO 2. BASES TEORICAS

Capıtulo 2

Bases teoricas

2.1. Introduccion

En este capıtulo se van a ilustrar las bases teoricas que soportan el desarrollo teorico

practico de este Proyecto Fin de Carrera.

En primer lugar, se desarrollan los conceptos fundamentales asociados con la sinte-

rizacion de materiales metalicos y en particular la tecnica de sinterizacion por descarga

electrica.

En segundo lugar, se ofrece al lector una introduccion al entorno de la microgravedad,

sus aspectos fundamentales, ası como las tecnicas mas utilizadas para su consecucion.

En tercer lugar, se esbozan las potenciales sinergias de combinar la tecnica de sinteri-

zacion por descarga electrica y el estado de microgravedad.

2.2. Sinterizacion de materiales

La sinterizacion de materiales ha sido una de las tecnicas de procesado de materia-

les que mayor auge han sufrido durante todo el pasado XX. Por lo tanto, la evolucion

tecnica que se ha ido alcanzando con el paso de los anos constituye una valiosa fuente de

informacion sobre las caracterısticas de este proceso.

Para ello ha resultado de especial interes la obra [7], en la que es posible observar las

patentes mas importantes en este campo durante ese intervalo de tiempo. Asimismo, en

las publicaciones [8] y [9] se recogen las principales tecnicas utilizadas en la ultima decada.

Ademas, en el anterior Proyecto [10] se resumen las principales caracterısticas historicas

de la sinterizacion.

7


2.2.1. Consolidacion de polvos metalicos

La compactacion de polvos es un proceso por el cual las finas partıculas de un material

en polvo se unen mutuamente por la accion de una fuerza exterior, con o sin la aplicacion

de calor, para formar una pieza cohesionada. Este procedimiento de fabricacion se conoce

tradicionalmente con el nombre de conformado por compactacion.

En aquellos tipos de conformado por compactacion en los que sı se aplica calor (si-

multaneamente o con posterioridad a la aplicacion de la presion), la etapa esencial es, sin

duda, la sinterizacion. Entendiendo la misma como el proceso por el cual las finas partıcu-

las se unen entre sı formando una pieza, simplemente por accion de la temperatura.

Es necesario tener en cuenta que la sinterizacion no es exclusiva de los procesos de

conformado por compactacion y, de hecho, no requiere que el polvo haya sido previamente

compactado.

La aplicacion de tecnicas de sinterizacion se remonta hasta hace varios miles de anos.

Se estima que los egipcios ya empleaban materiales sinterizados (tanto metalicos como

ceramicos) desde el 3000 a.C. En la India se realizaban monumentos a partir de polvo de

hierro desde el 300 d.C. Ademas, como aplicacion fundamental se han acunado monedas

de manera regular mediante la sinterizacion de polvos de cobre, plata y plomo.

La edad moderna de la sinterizacion comienza con Coolidge, quien popularizo el uso

de polvo de wolframio para la fabricacion de filamentos duraderos para las lamparas.

Posteriormente, durante la decada de 1930, se elaboraron con esta tecnica bujıas, carburos

cementados, cojinetes de bronce poroso, aislantes electricos y contactores electricos de

grafito-cobre. Durante la decada de 1940, la sinterizacion se utilizo para la fabricacion de

aleaciones de wolframio, ferreas y refractarias, la preparacion de combustible nuclear de

dioxido de uranio y la produccion de contactores electricos.

En la ultima parte del siglo XX, se ha extendido la aplicacion de la sinterizacion,

especialmente para la creacion de ceramicas tecnicas. Se han dedicado grandes esfuerzos

a la busqueda de materiales con alta resistencia mecanica a elevada temperatura, de

materiales con alta resistencia a la fractura, con alta resistencia al desgaste o con nuevas

propiedades electronicas.

Hoy dıa, la sinterizacion se emplea en un amplio y diverso rango de productos entre

los que se incluyen: implantes dentales, toberas de cohetes, alas de aeronaves pesadas,

transductores, turbocargadores, substratos semiconductores, palos de golf, etc. La mayorıa

de aplicaciones modernas estan orientadas hacia la consecucion de los siguientes factores:

economıa de fabricacion, mejora de propiedades y nuevas composiciones.

Aunque se observa que los materiales en polvo se aplican en muy diversos campos,

este trabajo se encuentra dentro del campo de la pulvimetalurgia, la cual es la rama de la

8


metalurgia que estudia la fabricacion y el procesado de los polvos metalicos. Esta rama

engloba multiples modalidades de procesado, entre las que destacan en los ultimos tiem-

pos las tecnicas F.A.S.T. (Field-Assisted Sintering Techniques). Siendo su caracterıstica

fundamental la rapidez de todas las tecnicas que se engloban bajo este acronimo.

Una de las tecnicas mas estudiadas tanto experimentalmente como teoricamente en

los ultimos anos por diversos investigadores es la denominada S.R.E. (Sinterizacion por

Resistencia Electrica). Esta consiste fundamentalmente en la aplicacion de una corriente

electrica alterna de baja tension y alta intensidad a traves del polvo contenido en una

matriz aislante, en tanto que, simultaneamente, se aplica presion. Dado que los requeri-

mientos electricos (baja tension y alta intensidad) son perfectamente satisfechos por un

equipo de soldadura por resistencia, este puede servir de base para la implementacion de

dicha tecnica.

La tecnica que se ha optado por utilizar en este proyecto es la denominada como

C.D.E. (Consolidacion por Descarga Electrica). Pese a no ser una tecnica muy extendida,

los potenciales beneficios que se estiman y las caracterısticas de las piezas resultantes

hacen interesante su estudio.

2.2.2. Consolidacion por descarga electrica

En esta modalidad la corriente electrica que atraviesa el polvo tambien es de elevada

intensidad, pero a diferencia del proceso de S.R.E. la tension puede alcanzar valores muy

superiores. Esta combinacion (alta intensidad y alta o moderada tension) puede lograrse

mediante la descarga de la energıa almacenada en un banco de condensadores, mediante

un proceso sencillo basado en la carga de los condensadores a un nivel de tension elevado

y su posterior carga al cortocircuitarlos con el polvo a traves de una tension e intensidad

que tienen un caracter exponencialmente decreciente con el paso del tiempo.

En los anteriores Proyectos [10] y [11] se dispone de analisis en profundidad sobre

los mecanismos fısicos que se producen durante el proceso de sinterizacion, ası como la

variacion de las propiedades fısicas de los materiales durante el mismo.

Esta tecnica es ampliamente conocida dentro del mundo de la soldadura electrica,

donde se conoce como soldadura por puntos. Se fundamenta en que el fluir de la corriente

electrica por el polvo provoca la generacion de microsoldaduras en un perıodo muy breve

de tiempo, del orden de los milisegundos. Esta rapidez del proceso constituye una de sus

principales ventajas, ya que permite no utilizar atmosferas de vacıo o protectoras u hornos

de alto consumo, reduciendo de manera importante el consumo energetico.

Por otra parte, otra gran ventaja que se atribuye a esta tecnica es que se preserva

la nanoestructra inicial inherente a los polvos de partida, siendo esta una consecuencia

9


directa del reducido tiempo caracterıstico del proceso. Esta cualidad hace posible la fa-

bricacion rapida de piezas destinadas a aplicaciones magneticas con propiedades nunca

antes conseguidas, lo cual ofrece posibilidades derivadas muy importantes.

Otra importante ventaja que ofrece esta tecnica es la potencial eliminacion de la

capa superficial de oxido o hidroxido que envuelve a las partıculas de polvo. Se trata

de una importante virtud, ya que estas partıculas dificultan el proceso de sinterizacion

(comunmente se dice que empeoran la “sinterizabilidad” del polvo). Generalmente, el

prensado en frıo al que se someten previamente los polvos es suficiente para retirar en

parte estos oxidos. El tratamiento tradicional consistıa en someter a los polvos a un

complejo y costoso proceso de extrusion que requerıa disponer de equipos adicionales.

Aunque no existe un acuerdo claro, diversos autores senalan que la eliminacion de

las pelıculas de oxido mediante esta tecnica se fundamente al uso del nivel de tension

empleado. Al alcanzar valores altos o moderados se provoca la ruptura dielectrica de

las capas, haciendolas conductoras y permitiendo el paso de una elevada intensidad. En

siguiente lugar, el elevado aumento de temperatura causado por el paso de la corriente,

lleva asociado un reblandecimiento (o incluso fusion en algunos puntos) del metal sobre

el que habıa crecido el oxido, de tal forma que este se fractura. Los subsiguientes procesos

de reordenacion provocan la eliminacion de los restos de las pelıculas superficiales.

El proceso descrito es viable y efectivo incluso sin la aplicacion de presion, basta au-

mentar el nivel de tension aplicado a los polvos. Esto permite que las piezas consolidadas

por esta tecnica tengan un alto grado de porosidad. Esta posibilidad representa la di-

ferencia fundamental con la tecnica de S.R.E.. Ya que en dicha tecnica, los polvos con

resistencias electricas muy elevadas son muy difıciles de procesar, lo cual es causado por-

que la intensidad de corriente que consigue atravesar el agregado de polvo toma valores

muy reducidos.

Existe otra ventaja de esta tecnica no comentada hasta el momento. Los polvos obte-

nidos mediante molienda mecanica de larga duracion estan endurecidos en un grado muy

elevado, haciendo que su consolidacion en frıo sea extremadamente difıcil. De tal forma

que las tecnicas convencionales son inoperantes, salvo que se utilicen aglomerantes que

provoquen la contaminacion del polvo en mayor o menor medida. Por lo que la tecnica de

C.D.E. se constituye como una ruta valida para la consolidacion de este tipo de polvos (o

como una etapa preliminar a la aplicacion de tecnicas de sinterizacion en horno).

Ademas, frente a la sinterizacion convencional, fundamentada en el prensado en frıo

y la sinterizacion en horno, esta tecnica ofrece un ahorro energetico muy significativo

derivado de su enorme rapidez. Ası como la no necesidad de una etapa de recalibrado final;

de igual forma que el resto de tecnicas de conformacion en caliente (a las que pertenece

en cierta manera la C.D.E.), ya que la forma que adquiere la pieza tras el proceso es la

definitiva.

10


Atendiendo a los estudios realizados en [12] y [13] en relacion con la S.R.E., la principal

ventaja que puede argumentarse es que los equipos de descarga por condensadores son, en

general, de un precio inferior que las maquinas de soldadura por resistencia. Asimismo,

pueden aducirse otras razones de ındole mas tecnica: como la energıa se toma de un

banco de condensadores y no de un transformador, la energıa maxima que el equipo es

capaz de suministrar no dependera tanto de la acometida energetica de que se disponga

y sı del dimensionamiento del mismo. Esto permite adecuar facilmente el montaje a las

caracterısticas concretas deseadas.

2.2.3. Aplicaciones industriales

Anteriores estudios como [14] han demostrado que no se dispone de equipos industriales

para la aplicacion de esta tecnica, sin embargo la elaboracion de este tipo de equipos

resulta relativamente asequible y rentable analizando los beneficios potenciales.

Esta tecnica no se encuentra actualmente implantada en la industria, pero se conside-

ra que puede resultar ventajosa para la fabricacion de pequenas piezas pulvimetalurgicas

destinadas a la joyerıa, filtros e implantes/protesis porosos y piezas destinadas a aplica-

ciones magneticas. Ofrece resultados especialmente favorables cuando se buscan piezas

finales con un alto grado de porosidad o cuando sea totalmente necesario preservar la

nanoestructura inherente de los polvos de partida.

A continuacion, se enumeran los beneficios que se recogen en diversos estudios como

[15] del uso la tecnica C.D.E. en el caso de aplicarse a la fabricacion de piezas de interes

industrial:

Fabricacion de piezas para joyerıa-bisuterıa.

Las especiales caracterısticas de las piezas resultantes de la aplicacion de esta tecnica

en combinacion con presion simultanea, parecen especialmente recomendables para

la fabricacion de grandes tiradas de pequenas piezas de polvos muy caros (lo cual es

especialmente representativo en el caso de los metales preciosos, incluido el titanio).

Ademas, esta piezas no suelen disponer de requisitos mecanicos especialmente ele-

vados, por lo que obtenerlas con alta porosidad constituye un considerable ahorro

en la produccion, ya que se reduce la cantidad de polvo de partida. Por otra parte,

una ventaja adicional es que las piezas salientes de este proceso bajo presion requie-

ren un acabado final no diferente del que se requiere con los actuales procesos de

moldeo.

Salvo en el caso de los antiguos incas, no se ha aplicado de manera significativa la

tecnologıa pulvimetalurgica a la fabricacion de joyas.

11


Fabricacion de filtros porosos.

Otra posible aplicacion del proceso del C.D.E. puede ser la elaboracion de pequenos

filtros (por ejemplo, de acero inoxidable o de bronce). Las tecnicas pulvimetalurgicas

convencionales (de prensado en frıo y de sinterizacion en horno) no resultan posibles

para este tipo de piezas, pues tras el prensado en frıo, las piezas han de tener

una cierta consistencia (que se denomina resistencia en verde) para que puedan

ser manipuladas, sin perjuicio en la etapa siguiente de sinterizacion. El problema

reside en que, para alcanzar el nivel de resistencia buscado, es necesario reducir la

porosidad, lo que directamente elimina la posibilidad de obtener piezas altamente

porosas, como un filtro.

Mediante la tecnica de C.D.E., el polvo podrıa ser consolidado con la aplicacion

de una reducida carga de compresion. El resultado es una pieza con alto grado de

porosidad, pues es la corriente electrica la que provoca las uniones entre las partıculas

del agregado de polvo (de manera analoga al caso de las microsoldaduras).

El tamano del poro del filtro resultante se puede controlar eligiendo la granulometrıa

adecuada del polvo inicial, controlando la porosidad final del compacto (variando la

propia fuerza de compresion) y el espesor de la propia pieza final.

Fabricacion de piezas porosas destinadas a implantes o protesis.

En determinadas piezas destinadas a implantes, es necesario alcanzar un cierto nivel

de porosidad, ya que esta favorece el agarre con las estructuras organicas.

De igual manera que en el caso previo, esta tecnica permite obtener piezas con alto

grado de porosidad. En este caso, solo la potencia electrica del equipo de descarga

supondra un factor limitante para el tamano de las piezas.

Fabricacion de piezas magneticas mejoradas obtenidas a partir de polvos nanocris-

talinos o amorfos.

Existe un alto numero de pequenas piezas magneticas de pequeno tamano que son

susceptibles de fabricarse mediante la tecnica de C.D.E. en combinacion con la apli-

cacion de presion y que ademas verıan mejoradas sus propiedades. Estas mejoras se

fundamentan en la gran rapidez de la tecnica que permite dejar inalterada la na-

noestructura inicial de los polvos. Este es un hecho significativo ya que la naturaleza

nanocristalina en materiales magneticos duros mejora su coercitividad, incremen-

tando su dureza magnetica. De manera adicional, es posible que tambien se viera

mejorada su remanencia, lo que posibilitarıa la reduccion de tamano y consiguien-

temente de peso.

12


Por otro lado, un material magnetico blando amorfo, serıa mucho mas permeable

que su homologo cristalino. Ademas, su caracter amorfo aumentarıa la resistividad

electrica, lo que lo harıa potencialmente indicado para las aplicaciones de radiofre-

cuencia y tambien para su uso en nucleos de transformadores, que verıan mermadas

sus perdidas por corrientes parasitas y mejorado su rendimiento de transformacion.

Es posible conseguir polvos con naturaleza nanocristalina o amorfos mediante una

molienda mecanica de alta energıa. El problema surge durante el proceso de consoli-

dacion. Con las tecnicas tradicionales, se logra una buena cohesion de las partıculas,

pero se deteriora sustancialmente la nanoestructura del polvo de partida. De tal for-

ma que el proceso de C.D.E. parece especialmente indicado para dar respuesta a

esta necesidad.

2.3. Microgravedad

En este apartado se va a desarrollar el metodo concreto utilizado para alcanzar las

condiciones de microgravedad requeridas para la realizacion del ensayo. Como base para

esto se ha partido de la informacion disponible de dos de las principales agencias espaciales,

la europea ESA (Agencia Espacial Europea) y la norteamericana NASA (Administracion

Nacional de la Aeronautica y del Espacio). Las principales referencias para ello han sido

[16], [17] y [18].

Para ello, se realiza en primer lugar una pequena introduccion al concepto de microgra-

vedad. En segundo lugar, se esbozan sucintamente las diferentes tecnicas que se emplean

en el ambito cientıfico para realizar experimentos que requieran de estas condiciones,

ası como las instalaciones existentes y los experimentos mas comunmente realizados. A

continuacion, se describe razonadamente y al detalle el metodo escogido.

2.3.1. ¿Que es la microgravedad?

Para introducir el concepto de microgravedad, es necesario primero definir correcta-

mente la gravedad: La gravedad es una de las cuatro fuerzas fundamentales existentes en

la naturaleza. Es la fuerza de atraccion entre dos masas causadas por la gravitacion.

Por otra parte, la gravitacion fue estudiada y definida por Sir Isaac Newton 1 en la Ley

de gravitacion universal como: dos cuerpos de masas m1 y m2 se atraen entre ellos con una

fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al

cuadrado de la distancia d que les separa:

1(1643-1727) Cientıfico, matematico y filosofo ingles. Realizo multiples estudios y avances en las di-

versas areas de la Fısica y las Matematicas, entre las que destacan la Ley de gravitacion universal, las

Leyes de la dinamica o el establecimiento del calculo diferencial.

13


F = Gm1 ·m2

d2(2.1)

A partir de estas definiciones, se puede definir correctamente lo que se considera como

microgravedad. Se considera microgravedad como un estado propio de aquellos cuerpos

sobre los cuales los efectos de la gravedad son muy pequenos, casi nulos, pero nunca cero

(es casi imposible conseguir que los efectos desaparezcan por completo, ya que pese a

disminuir con la distancia la fuerza de gravitacion, esta tiene alcance infinito).

Esta situacion se alcanza sometiendo al objeto a un estado de caıda libre. Por ejemplo,

este se observa en una nave espacial que orbita alrededor de la Tierra, en la cual hay

microgravedad causada por el estado de caıda libre constante y no por la distancia a la

Tierra como pudiera pensarse.

A comienzos del siglo XX, Albert Einstein 2 durante el estudio de la teorıa general de

la relatividad, puso de nuevo en boga el concepto de peso aparente, ya que se dio cuenta

de que un objeto en caıda libre no dispone de peso aparente. Aunque el peso de un objeto

depende de la intensidad del campo gravitatorio g, pero las condiciones que afectan al

cuerpo pueden cambiar.

Un ejemplo de esta situacion se observa al medir el peso de una persona dentro de un

ascensor con una bascula. Cuando el ascensor esta detenido o desplazandose a velocidad

constante el peso aparente de la persona es el peso real. Sin embargo, en el caso de que

las cuerdas se rompieran, el ascensor descenderıa con la aceleracion de la gravedad, por

lo que el peso aparente de la persona serıa despreciable al no presionar la bascula. De tal

forma, que se puede establecer la equivalencia entre microgravedad y un peso aparente

muy pequeno.

El uso de condiciones de microgravedad esta permitiendo alcanzar diversos avance

cientıficos, como las mejoras en medicamentos, ası como en las propiedades de algunos

materiales.

Estos avances son posibles ya que en condiciones de microgravedad algunos procesos

fısicos y quımicos se producen con una cinetica distinta y se eliminan variables inducidas

por el ambiente terrestre y sus caracterısticas (gravedad, vibraciones, atmosfera, etc.) Se

consigue, en definitiva, un producto mas puro y con mejores propiedades.

Se listan a continuacion los principales campos en los que se aplica a microgravedad:

Biotecnologıa

Se consiguen producir proteınas y virus mas rapidamente, lo cual permite crear

antibioticos de forma mas rapida y eficiente.

2(1879-1955) Fısico teorico que destaco por desarrollar la teorıa general de la relatividad y determi-

nados aspectos de la mecanica cuantia. Recibio el premio Nobel de Fısica en 1921.

14


Combustion

En microgravedad se aprovecha para investigar combustibles, procesos de quemado,

etc. que permitan reducir la contaminacion y aumentar la seguridad.

Fluidos

Es un campo muy amplio que va desde el estudio de la circulacion de la sangre

hasta la creacion de cosmeticos. La microgravedad permite evaluar como circulan

los fluidos en dichas condiciones, lo cual permite disenar apropiadamente tanques

de combustibles para naves espaciales, geles, espumas, etc.

Fısica fundamental

En microgravedad se estudian los puntos de transicion crıticos de los estados de

un material, ası como los comportamientos de atomos individuales y la teorıa de

gravitacion de Einstein.

Ciencia de los materiales

Se han logrado mejoras en metales, aleaciones, dispositivos electronicos, materiales

ceramicos y polimericos; lo cual ha redundado en aumentar la calidad de aeronaves,

ordenadores, etc.

2.3.2. Aspectos fundamentales

Previamente a describir los diferentes metodos utilizados para alcanzar las condiciones

de microgravedad, es necesario definir aquellas propiedades mas importantes a tener en

cuenta durante la realizacion de un experimento de estas caracterısticas.

Tiempo de microgravedad. Se define como el intervalo de tiempo en el que el objeto

bajo estudio se mantiene en condiciones de microgravedad.

Calidad de la microgravedad. Es una caracterıstica que se define teniendo en cuenta

las perturbaciones introducidas en la aceleracion que percibe el objeto debido al

metodo empleado para aproximarse a condiciones de gravedad nula o microgravedad.

Coste del metodo. Es un factor fundamental para cualquier proyecto de ingenierıa

y que en este caso se incrementa sustancialmente con la masa y volumen del objeto,

ası como con el tiempo de microgravedad requerido.

Estos tres factores deben estar claramente definidos previamente al inicio de los es-

tudios sobre un potencial experimento en microgravedad con un objeto. Tal y como se

15


observa en la Figura 2.1 cada metodo para obtener microgravedad tiene bien diferenciados

cada uno de estos aspectos.

Figura 2.1: Metodos existentes para la consecucion de las condiciones de microgravedad

segun el tiempo y la calidad de la microgravedad.

Se observa que, por ejemplo, las torres de caıda libre disponen de muy buena calidad de

microgravedad, pero en contra, disponen de un tiempo muy limitado; al contrario ocurre

con los vuelos parabolicos, en los que se dispone de un mayor intervalo de tiempo, pero

de peor calidad. Asimismo, se dispone de la posibilidad de realizar el experimento en el

espacio, lo cual ofrece intervalos de tiempo elevados con gran calidad de microgravedad,

pero tambien lleva asociado un gran coste. Por lo tanto es fundamental decidir que factor

es mas importante para los resultados que se pretenden obtener del experimento.

2.3.3. Metodos para obtener condiciones de microgravedad

Tras detallar las caracterısticas mas importantes que se deben tener en cuenta para la

eleccion de uno de los metodos, pasamos a enunciar las caracterısticas positivas y negativas

de cada uno de ellos. Si se desea ampliar la informacion aquı descrita, se recomienda la

consulta del documento de la ESA [17] y el Proyecto [19].

16


Instalaciones en tierra

Estas instalaciones permiten alcanzar condiciones de microgravedad al soltar, de forma

controlada para no danarlo, el objeto bajo experimentacion desde lo alto de un cilindro

hueco.

Este cilindro puede situarse una torre sobre el suelo propiamente dicha como la del

ZARM (acronimo en aleman que se corresponde con Centro de Tecnologıas Aplicadas al

Espacio y la Microgravedad) en Bremen o la del INTA (Instituto Nacional de Tecnica

Aeroespacial) que se puede observar en la Figura 2.2a. Pero tambien puede ser colocado

en el interior de la tierra en un agujero, por ejemplo para reutilizar una antigua mina,

como es el caso de las instalaciones del JAMIC (Japan Microgravity Center) en Japon,

cuyo esquema se puede observar en la Figura 2.2b.

(a) Torre de caıda libre del INTA. (b) Instalaciones del JAMIC.

Figura 2.2: Instalaciones terrestres para conseguir condiciones de microgravedad.

En estas instalaciones no se consiguen mas de 10 segundos de microgravedad en el

mejor de los casos, ya que existe una relacion cuadratica entre el intervalo de tiempo en

microgravedad y la altura necesaria de la torre. De tal forma que los valores normales se

encuentran entre los 3 y los 5 segundos.

17


Esto no es obice para que este sistema presente multiples ventajas: necesita de una

inversion inicial no demasiado elevada comparada con el resto de metodos, el coste ope-

rativo es bajo, es posible realizar multiples experimentos con poca separacion temporal,

la seguridad en las operaciones es practicamente total y la calidad que se puede alcanzar

es muy buena (generalmente inferior a 10−5 g).

Existe un sistema parecido a las torres de caıda libre, aunque de dimensiones mas

reducidas, denominado drop tube (tubo de caıda libre). Este sistema es apropiado para

probar modelos a escala que se vayan a utilizar en sistemas de lanzamiento mas impor-

tantes, ası como realizar estudios que por sus tiempos caracterısticos sean susceptibles de

realizarse en un breve periodo de tiempo. Entre estos ultimos destacan los estudios de las

propiedades de materiales y la solidificacion de microestructuras.

Para conocer mas informacion acerca de este tipo de infraestructuras se recomienda

consultar las referencias [19] y [20]

Vuelos parabolicos

En este metodo se emplean aeronaves que realizan trayectorias en forma de curvas

parabolicas con una amplitud de unos 2500 metros, de tal forma que se consiguen unos 20

segundos de microgravedad durante cada una de las parabolas, de las cuales se realizan

entre 15 y 40 en cada vuelo.

Este metodo ofrece algunas ventajas significativas frente a las torres de caıda libre,

como pueden ser la obtencion de un mayor intervalo en condiciones de microgravedad y

la posibilidad de interactuar con el experimento. Sin embargo, la principal desventaja que

ofrecen es que la calidad es inferior (entre 10−2 y 10−4 g) debido a las vibraciones del

motor y el aire exterior a la estructura. Ademas, el coste operativo y de infraestructura

es significativamente superior.

Las aeronaves utilizadas para estas misiones son fundamentalmente el KC-135, un

Boeing 707 debidamente modificado por la NASA, y el A300 utilizado por la ESA, cuyo

perfil de mision tıpico puede observarse en la Figura 2.3.

18


Figura 2.3: Perfil de un tramo parabolico de un vuelo de la ESA.

Cohetes sonda

Los cohetes sonda constituyen otra plataforma alternativa para permitir alcanzar con-

diciones de microgravedad y que han sido utilizados desde mediados de los anos 50. Aun-

que se usaron originalmente para la realizacion de estudios meteorologicos y de las capas

superiores de la atmosfera, se comenzaron a emplear como plataforma de experimenta-

cion en microgravedad desde finales de los anos 70 por parte de las principales agencias

espaciales.

Estas plataformas se componen esencialmente de tres partes principales: el sistema

propulsivo, los sistemas de servicio (p.e. modulo de telemetrıa o sistema de recuperacion)

y la carga util cientıfica (seccion en la cual se encuentran los instrumentos que permiten

la realizacion de experimentos).

Estos cohetes son lanzadores suborbitales que son incapaces de alcanzar la orbita

terrestre, lo cual no es obice para que puedan proporcionar entre 3 y 13 minutos de

ambiente en microgravedad para la realizacion de experimentos. Para ello siguen una

trayectoria parabolica desde el lanzamiento hasta el aterrizaje, el cual, se realiza con la

ayuda de sistemas de recuperacion como pueden ser los paracaıdas.

Los cohetes sondas resultan una alternativa bastante interesante como etapa de desa-

rrollo de equipos que esten destinados a un uso final en el espacio, de tal manera que

se puedan verificar facilmente sus caracterısticas de funcionamiento en condiciones muy

semejantes de las de operacion. Asimismo, ofrece una alta versatilidad respecto al tipo

de disciplinas que pueden aprovechar sus caracterısticas de operacion, destacando princi-

palmente una calidad de microgravedad del orden de las 10−4g, un acceso relativamente

19


rapido tras la aprobacion del experimento y las mınimas condiciones de seguridad reque-

ridas que permiten una alta implicacion por parte de los usuarios.

Capsulas recuperables

Las capsulas recuperables utilizadas exclusivamente para motivos cientıficos son gene-

ralmente derivadas de las capsulas desarrolladas para los diversos programas tripulados

existentes a lo largo del pasado siglo XX.

Estas capsulas ofrecen una duracion de entre 12 y 18 dıas de exposicion a condicio-

nes espaciales de microgravedad con niveles de gravedad del orden de 10−5 g; reducidas

restricciones de cara a la realizacion de experimentos en comparacion con una mision

tripulada equivalente, lo que permite la implicacion de los usuarios en el desarrollo de

los equipos embarcados, la preparacion y la ejecucion de los experimentos; los tiempos

de acceso al espacio son intermedios respecto al resto de plataformas. Ademas, la amplia

experiencia existente en la preparacion de sistemas en orbita baja permite aumentar las

posibilidades de exito de la mision.

Desde la ESA se han realizado en las dos pasadas decadas (continuando con la existen-

te experiencia sovietica) sucesivos lanzamientos de las capsulas Foton. Estas son capsulas

recuperables derivadas del diseno de la nave tripulada Vostok y de los satelites de recono-

cimiento militar Zenit. Se lanzan en orbitas casi circulares de baja altitud, consiguendo

niveles de gravedad inferiores a 10−5g con duraciones alrededor de las dos semanas. Su

uso cientıfico se concibio originalmente para investigaciones relacionadas con la ciencia de

materiales y actualmente se utilizan tambien para experimentos del campo de la mecanica

de fluidos, la biologıa o la dosimetrıa de radiacion.

Este tipo de capsulas ofrecen condiciones ideales para aquellas experiencias que re-

quieran condiciones de microgravedad excelentes y sin perturbar en combinacion con

exposiciones al ambiente espacial del orden de las dos semanas y que busquen profundizar

en los resultados obtenidos mediante experimentos preliminares en plataformas que ofrez-

can una duracion inferior. Aunque no se obtengan periodos de microgravedad tan largos

como los obtenidos con las estaciones espaciales, sı se pueden obtener datos cientıficos

de importancia, actuan como plataformas de investigacion en microgravedad de duracion

intermedia alta, permitiendo el acceso a condiciones espaciales con un coste inferior y mas

rapidamente. Ademas, el uso de capsulas recuperables permite realizar tambien estudios

sobre la reentrada en la atmosfera.

Estaciones espaciales

A lo largo del proceso conocido como “Carrera espacial” entre los EEUU (Estados

Unidos) y la antigua URSS (Union de Republicas Socialistas Sovieticas), se realizaron

20


numerosos intentos por mantener una mision tripulada permanente en el espacio, siendo

los mas famosos la MIR sovietica y la ISS (Estacion Espacial Internacional), siendo esta

ultima la unica que permanece operativa actualmente.

Disponer de una estacion espacial tripulada permanentemente permite cubrir los si-

guientes objetivos:

Actuar como un laboratorio tripulado en orbita para la realizacion de investigaciones

a largo plazo en un ambiente espacial.

Acelerar la innovacion en tecnologıa e ingenierıa de cara a aplicaciones directas en

la Tierra.

Estudiar los efectos sobre seres humanos por vivir y trabajar en el espacio durante

largos periodos de tiempo, actuando por lo tanto como la piedra angular de la

exploracion espacial tripulada.

Promover la colaboracion entre la industria y los diferentes institutos de investiga-

cion.

Contribuir a la divulgacion cientıfica de alto nivel, influenciando en los caminos

educacionales escogidos por las futuras generaciones.

Sostener y reforzar la industria aeroespacial caracterizada por su alto nivel tec-

nologico.

Asimismo, el uso de estaciones espaciales tripuladas ofrece numerosas ventajas, como

pueden ser la capacidad de realizar experiencias en microgravedad (del orden de 10−6g)

durante un periodo de tiempo que puede llegar a ser de aproximadamente unos 6 meses;

la actualizacion y modificacion de los experimentos durante su propia realizacion gracias

a las naves que visitan regularmente la estacion; el uso de los recursos disponibles a bordo

y la presencia de la tripulacion durante la propia realizacion del experimento, lo cual

permite realizar procedimientos establecidos o atender a potenciales problemas.

Actualmente, la ISS ofrece un amplio rango de instalaciones en un ambiente unico,

de tal forma que su uso depende mayoritariamente de las necesidades de cada usuario

individual. Estas pueden ir desde el simple flujo de informacion de telemetrıa proveniente

de la estacion, hasta el uso de grandes racks de investigacion dentro del espacio presuri-

zado, pasando por dispositivos que se dejan expuestos durante un determinado tiempo al

ambiente espacial o al uso de multiples recursos embarcados para la realizacion de una

determinada experiencia.

21


2.4. Microgravedad y CDE

A nivel industrial, no existen equipos comerciales especıficos para poner en practica

esta tecnica de sinterizacion, por lo que el presente proyecto contempla el diseno, desarrollo

e implementacion del equipo experimental necesario para poder aplicar esta tecnica en

las condiciones de microgravedad deseadas.

Este equipo experimental se usara como banco de pruebas y ensayos para el estudio,

experimentacion y desarrollo de la tecnica C.D.E. en condiciones de microgravedad.

22


23

CAPITULO 3. EXPERIMENTACION

Capıtulo 3

Experimentacion y resultados

3.1. Simulacion del lanzamiento

3.1.1. Planteamiento

Atendiendo a los resultados conocidos en base a los antecedentes, se observa la necesi-

dad de comprobar las simulaciones realizadas previamente y refinar el modelo empleado.

De cara a tener una solida base de resultados simulados antes de pasar a la fase de

construccion y experimentacion.

Estas simulaciones se realizan utilizando el entorno para simulacion de la dinamica

de problemas de varios cuerpos MD Adams 2003, que ofrece la capacidad de realizar

disenos CAD sencillos a los que aplicar analisis de elementos finitos para obtener soluciones

numericas de precision razonable.

El objetivo de las simulaciones es determinar el valor optimo y la configuracion mas

adecuada del montaje de cara a maximizar el intervalo de tiempo en condiciones de micro-

gravedad. Para esta configuracion optima se busca fijar el mejor instante de lanzamiento

para obtener el valor de aceleracion asociado para que se obtiene el mayor intervalo en

condiciones de micogravedad, que serıan aquellas relacionadas con las mejores condiciones

para el proceso de sinterizacion.

3.1.2. Modelos

De cara a desarrollar un equipo que pueda ser instalado en la torre de caıda libre de

“Isla Magica”, es necesario evaluar que configuracion del montaje ofrece la mejor respuesta

ante las condiciones de aceleracion existente en la atraccion “El Desafıo”.

Esta torre presenta una altura total de 62 metros, siendo la altura real de caıda de solo

57 metros. Aunque se estima que el tiempo de caıda es de 3.4s, el tiempo real es menor

debido al intervalo de tiempo empleado en el frenado del movil. Esta atraccion tiene la

24


posibilidad de realizar diferentes ciclos de subida y bajada dentro de su fin ludico. Cada

uno de estos presenta diferentes perfiles de altura y velocidad.

Dentro de los estudios realizados previamente en dichas instalaciones y que pueden

consultarse en [3], se pueden observar en detalle las caracterısticas de cada uno de estos

ciclos y los metodos empleados para su caracterizacion.

Para eliminar las posibles diferencias entre ambos modelos debidas a variaciones en la

construccion del propio diseno de CAD y de cara a minimizar las variables que influyan

de manera diferente en los resultados, se considera un unico modelo de simulacion que se

observa en la Figura 3.1.

Este modelo esta formado por varios elementos:

Marco metalico.

Muelles superiores.

Capsula.

Muelles inferiores.

El marco metalico tiene forma cuadrada con un lado de 1m y una profundidad de 0.1m,

se ha utilizado como material para el modelado acero, aunque esto carece de influencia

en los resultados obtenidos.

Los muelles superiores se disponen entre los extremos superiores de la capsula y la parte

interior de la barra superior del marco. Mientras que los muelles inferiores se disponen de

manera analoga entre los extremos inferiores de la capsula y la parte interior de la barra

inferior del marco.

Respecto a los parametros de los diferentes muelles, se considera que disponen de una

longitud natural de 0.4m y una constante elastica de 30N/m. Sin embargo, estos valores

son susceptibles de optimizacion como se demostrara mas adelante.

Por otra parte, la capsula se modela como un prisma rectangular de dimensiones 0.3m

x 0.1m x 0.1m con una masa de 600g. Esta masa se corresponde de manera aproximada

con la que tendra la capsula real en la que se realizara el proceso de sinterizacion.

25


Figura 3.1: Modelo - Capsula y muelles.

Tras definir correctamente el modelo de CAD, es necesario insertar dos caracterısticas

adicionales en el mismo: la aceleracion del marco y una ligadura que pueda variar con el

tiempo para definir el tiempo de suelta de la capsula de manera optima.

En primer lugar, la aceleracion del marco viene dada por los resultados obtenidos en

[3], seleccionando el movimiento de la torre de caıda libre de la atraccion “El Desafıo”

que ofrece un mayor intervalo de tiempo en las condiciones deseadas.

Dentro de este movimiento introducimos en el programa una funcion polinomica que

permite reproducir con gran precision y con un coste computacional razonable, la acele-

racion que sufre el marco durante la caıda en el intervalo considerado de interes, tal y

como se observa en la Figura 3.2

26


Figura 3.2: Aceleracion medida e interpolada en el ciclo Short Jojo A en el intervalo [79

- 81.5] s.

En la Figura 3.2 se observa en lınea continua la medida obtenida mediante combina-

cion, filtrado y muestreo de las medidas tomada de los diferentes acelerometros. Mientras

que los asteriscos senalan puntos del polinomio interpolador utilizado como funcion de

aceleracion en el programa.

En segundo lugar, la ligadura viene a definir el instante en el que se suelta la capsula

y se le deja caer libremente respecto a su posicion de equilibrio en el centro del mar-

co. Como se ha observado en los antecedentes estudiados, este tiempo de liberacion es

crıtico de cara a obtener un intervalo de tiempo en condiciones de microgravedad que

sea lo suficientemente elevado como para permitir la realizacion correcta del proceso de

sinterizacion.

3.1.3. Resultados

Metodologıa

Atendiendo a todo lo comentado hasta el momento, se tiene que la gondola llega hasta

valores de aceleracion de -0.9g como mınimo, de tal forma que se hace evidente el uso de

algun mecanismo adicional para que el intervalo en condiciones de microgravedad al que

se somete la capsula sea el necesario para la realizacion del proceso de sinterizacion.

De cara a la obtencion de resultados, existen diferentes parametros fundamentales del

modelo cuya influencia sobre el intervalo es conocida y sobre los que es necesario realizar

un estudio parametrico para determinar los sus valores mas adecuados:

27


La constante elastica de los muelles, que influye directamente en la fuerza que sufre

la capsula una vez liberada del montaje.

Tiempo de liberacion de la capsula.

Precarga de los muelles.

Para realizar las diferentes pruebas, se lleva a cabo un conjunto de simulaciones en

las que se varıa uno de los parametros anteriores, de tal forma que se pueda establecer de

manera cualitativa la tendencia del intervalo de tiempo en microgravedad para la capsula.

Resultados iniciales

Generalidades. En una primera aproximacion, se usan los datos de aceleracion ob-

tenidos para el ciclo Short Jojo A en el intervalo de tiempo [76 - 81] s (Figura 3.3),

variandose unicamente dos parametros: constante elastica de todos los muelles y tiempo

de lanzamiento.


- 81] s.

Es interesante representar en una tabla la relacion entre el instante de lanzamiento y

la aceleracion medida por los acelerometros en dicho momento, ya que esta supondra real-

mente la variable de disparo del proceso de liberacion y sinterizacion, tal y como se puede

observar en la Tabla 3.1.

28


Tabla 3.1: Relacion entre aceleracion y tiempo de lanzamiento para los resultados iniciales.

Tiempo de lanzamiento [s] Aceleracion [m/s2]

3.60 -1.478

3.65 -2.433

3.70 -3.465

3.75 -4.283

3.80 -4.959

3.85 -5.482

3.90 -6.002

3.95 -6.554

4.00 -7.113

4.05 -7.525

4.10 -8.088

En esta primera tanda de simulaciones se considera que las condiciones de aceleracion

deseables para el proceso de sinterizacion se alcanzan en el intervalo -[0.9 1.10]g, donde g

representa el valor de la aceleracion de la gravedad.

En las simulaciones que se realizan se obtienen los perfiles de aceleracion respecto al

tiempo del marco y de la capsula del montaje, ademas de obtener con relativa precision

el intervalo de tiempo en el que se alcanzan las condiciones de microgravedad buscadas,

como se representa en las Figuras 3.4a y 3.4b.

29


(a) Resultado de la simulacion completa.

(b) Zoom sobre el intervalo en condiciones de microgravedad.

Figura 3.4: Resultados de la simulacion para el primer perfil de aceleracion, K = 30 N/m2

y tiempo de lanzamiento 3.85 s.

Influencia de la variacion de la constante elastica de los muelles. Se realizan

simulaciones para 4 valores de K diferentes y para 11 instantes de lanzamiento diferentes.

De cara a interpretar los resultados obtenidos con mayor claridad se combinan los

diferentes datos obtenidos en dos graficas en las que se representa, respectivamente, el

30


intervalo de tiempo en condiciones de microgravedad para un mismo instante de lanza-

miento y diferentes valores de K y el intervalo de tiempo en condiciones de microgravedad

para un mismo valor de K y diferentes instantes de lanzamiento, esto se observa en las

Figuras 3.5a y 3.5b.

(a) Variacion respecto al instante de lanzamiento.

(b) Variacion respecto a la constante elastica de los muelles.

Figura 3.5: Tendencia del intervalo en condiciones de microgravedad en primera aproxi-

macion.

31


En estas graficas se observan claramente dos hechos que marcan la tendencia global:

Cuanto menor sea la constante elastica de los muelles, mayor es el intervalo de

tiempo en condiciones de microgravedad. De manera que en el extremo en el cual

la constante elastica de los muelles es nula se alcanzan los valores maximos.

Cuanto mas tardıa sea la liberacion de la capsula, mayor es el intervalo de tiempo

en condiciones de microgravedad. Sin embargo, no se aprecia de manera clara que

esta tendencia sea monotona si se liberara la capsula en instantes posteriores, lo

cual resalta la necesidad de realizar simulaciones adicionales una decidido el modelo

a utilizar.

Optimizacion de resultados

Generalidades. De cara a mejorar los resultados obtenidos y fijar con mayor precision

el valor optimo del tiempo de lanzamiento, lo que se traducira en un valor de aceleracion

alrededor del cual se alcanza el mayor intervalo en condiciones de microgravedad, se

modifica el intervalo de tiempo considerado para las simulaciones a [79 81.5]s.


- 81.5] s.

De nuevo, resulta interesante representar en una tabla la relacion entre el instante de

lanzamiento y la aceleracion medida por los acelerometros en dicho momento, ya que esta

supondra realmente la variable de disparo del proceso de liberacion y sinterizacion, tal y

como se puede observar en la Tabla 3.2.

32


Tabla 3.2: Relacion entre aceleracion y tiempo de lanzamiento para la segunda tanda de

simulaciones.

Tiempo de lanzamiento [s] Aceleracion [m/s2]

0.90 -6.008

0.95 -6.553

1.00 -7.115

1.05 -7.521

1.10 -8.079

1.15 -8.589

Ademas, se realizan ensayos tanto con la constante elastica de los muelles como con la

longitud inicial de los muelles inferiores y superiores, de cara a conocer la tendencia del

intervalo de tiempo en condiciones de microgravedad para estos casos.

Influencia de la variacion de la constante elastica de los muelles. En primer

lugar, se analiza de nuevo la tendencia respecto a la constante elastica de los muelles

con el nuevo perfil de aceleracion obtenido de cara a fijar el lımite optimo del tiempo de

lanzamiento.

Se realizan simulaciones con 3 valores de K diferentes y 6 instantes de lanzamiento

distintos, se reduce el numero de casos respecto a los existentes en la primera tanda de

simulaciones, porque se centran en aquellos valores que ofrecen tendencias mas promete-

doras y no se simulan aquellos resultados que se conoce serıan inferiores.

Representando de manera conjunta los resultados obtenidos (Figuras 3.7a y 3.7b), se

observa de nuevo que a menor valor de la constante elastica mayor es el intervalo de

tiempo en condiciones de microgravedad, ademas de que para un instante de lanzamiento

de alrededor de 1.05 se alcanzan los valores mas elevados del mismo.

33


(a) Variacion respecto al instante de lanzamiento.

(b) Variacion respecto a la constante elastica de los muelles.

Figura 3.7: Tendencia del intervalo en condiciones de microgravedad con el nuevo perfil

de aceleracion.

Influencia de la variacion de la longitud inicial de los muelles. En segundo lugar,

se analiza la influencia de la variacion de la longitud de los muelle superiores e inferiores

sobre el intervalo de tiempo en condiciones de microgravedad. De cara a una correcta

34


interpretacion de las graficas obtenidas es necesario tener en cuenta que la longitud natural

de los muelles con la configuracion descrita se corresponde con 0.40m.

Se trabaja con la longitud inicial de los muelles en lugar de con la precarga de los mis-

mos, por mayor simplicidad a la hora de introducirse en el programa, mejor interpretacion

fısica y mas sencilla traslacion al montaje practico.

Tomando como parametros fijos:

Longitud natural de los muelles: 0.40 m.

Instante de lanzamiento: 1.05 s.

Constante elastica de todos los muelles: 20 N/m.

Se realizan simulaciones en 4 casos diferentes:

1. Variacion de la longitud inicial de los muelles superiores y longitud natural de los

muelles inferiores.

2. Variacion de la longitud inicial de los muelles inferiores y longitud natural de los

muelles superiores.

3. Variacion de la longitud inicial de los muelles inferiores y longitud mas prometedora

(L = 0.40 m) de los muelles superiores.

4. Variacion de la longitud inicial de los muelles superiores y longitud mas prometedora

(L = 0.42 m) de los muelles inferiores.

Los resultados obtenidos se representan de manera conjunta en la Figura 3.8, en la

que se observa que el valor mas elevado del intervalo de tiempo en condiciones de micro-

gravedad se alcanza cuando se dispone un pequeno alargamiento inicial (entre el 2 % y el

5 %) sobre los muelles inferiores, siendo el aumento obtenido en el intervalo de tiempo en

condiciones de microgravedad practicamente despreciable.

Solo se representan 3 curvas, pese a haberse estudiado cuatro configuraciones distintas,

porque el valor mas prometedor de la longitud de los muelles superiores es la longitud

natural de los mismos, lo cual hace que los casos (2) y (3) coincidan.

35


Figura 3.8: Tendencia segun las diferentes longitudes iniciales de los muelles.

Datos relevantes para el montaje real

Atendiendo a los resultados obtenidos, se pueden extraer diferentes datos relevantes

de cara a la realizacion del montaje practico y la posterior ejecucion de los ensayos sobre

los valores mas adecuados de los diferentes parametros del modelo.

En primer lugar, debe buscarse una configuracion en la que los muelles dispongan del

menor valor posible de constante elastica, por ejemplo, mediante el uso de cables que

restrinjan la caıda de la capsula y los posibles danos derivados.

Ademas, sera necesaria la instalacion de algun sistema de amortiguamiento pasivo en

la parte interior de la barra inferior del marco de cara a reducir la fuerza de impacto entre

capsula y marco.

En segundo lugar, se observa que el valor de aceleracion optimo para el lanzamiento de

la capsula se encuentra en el entorno de -7.5m/s2, lo cual permite definir una condicion

para su liberacion de manera remota, en la que habra que tener en cuenta la relativa

precision del programa de simulacion empleado y los diferentes retrasos existentes en la

ejecucion de la sinterizacion.

Teniendo en cuenta que se busca realizar la sinterizacion en condiciones de micrograve-

dad sera necesario ajustar este valor de manera experimental para tener en cuenta todos

los posibles tiempos que se acumulan y obtener en la practica el mayor intervalo posible

en condiciones de microgravedad.

36


En tercer lugar, se contempla que la variacion de la longitud inicial de los muelles

no tiene una influencia significativa sobre los resultados, luego se desprecia su uso en el

montaje final. Lo cual ademas no era posible atendiendo a la configuracion optima de los

muelles dictada por el analisis de la influencia de la constante elastica.

3.2. Equipo de sinterizacion

3.2.1. Introduccion

A continuacion, tras las conclusiones obtenidas durante la etapa de simulacion sobre

las condiciones mas favorables en las que se deben llevar a cabo los experimentos, se pasa

a la descripcion del montaje utilizado para la realizacion de los mismos.

Es necesario tener en cuenta que llegados a este momento de la evolucion del Proyecto

se produce un cambio en las condiciones del mismo que obliga a la redefincion de sus

elementos, alguno de ellos de caracter crıtico.

Este cambio producido fue la anulacion de la posibilidad de realizar los experimento

en las instalaciones del parque tematico “Isla Magica” y la consecuente reorientacion del

diseno hacia la construccion de una torre de caıda libre disenada y montada ad hoc para

el lanzamiento del equipo de sinterizacion.

Se opta por el diseno de una capsula lo mas compacta posible donde se encuentre

el equipo de sinterizacion completo (exceptuando los transformadores necesarios para la

carga). Para posteriormente lanzar esta capsula en el montaje construido a tal efecto.

Para aprovechar las sinergias de cada uno de estos elementos se promueve un desarrollo

concurrente que ayude a evitar posible problemas durante la realizacion fısica del montaje.

En primer lugar, es necesario describir someramente los elementos basicos necesarios

para la realizacion de los experimentos, ası como resenar el estado de partida de los

diferentes elementos existentes y cual ha sido el grado de aprovechamiento de cada uno

de ellos.

3.2.2. Fundamentos del equipo

De cara a describir adecuadamente los elementos necesarios, se considera util dividirlos

segun su objetivo.

Parte electrica: provocar la fusion del material mediante la descarga electrica.

Parte mecanica: alcanzar las condiciones de microgravedad deseadas.

37


Parte electrica

Dentro de la parte electrica del montaje es fundamental la existencia de una fuente

de potencia electrica capaz de alcanzar los requisitos existentes para la obtencion de la

descarga. Estos son:

Alcanzar una elevada tension electrica entre los terminales del equipo, de tal forma

que sea posible vencer la resistencia que ofrece inicialmente el material al paso de

la corriente y provocar la descarga.

Proporcionar una elevada intensidad de descarga durante un periodo de tiempo del

orden de los milisegundos que permita la fusion del material y la obtencion una

nueva microestructura en el mismo.

Estas caracterısticas se obtienen mediante el uso de un banco de condensadores de

alto voltaje, en el que se consigue la alta intensidad mediante el conexionado en paralelo

de los mismos.

Ademas, es necesario tener en cuenta los elementos necesarios para la carga de este

banco de condensadores, ya que al tratarse de condensadores de alto voltaje sera necesario

el uso de transformadores para adecuar la senal proveniente de la red electrica a los niveles

necesarios para la carga de los mismos.

Una vez dispuesto el banco de condensadores como fuente de energıa, es necesario

definir como se realizara la conexion entre la misma y la probeta del experimento, ası como

los elementos intermedios que se encargaran de realizar el disparo de la descarga sobre la

muestra.

Se distinguen dos opciones fundamentales. Por un lado, un cierre manual del circuito

entre el banco y la probeta, que conlleva el uso directo de un interruptor que provoque la

descarga. Este sistema se considera util cuando se dispone de acceso rapido y constante

al montaje, aunque puede suponer un riesgo adicional de seguridad para el operario.

Por otra parte, el uso de un sistema de disparo automatico conlleva el uso de un de

sistema de control que cierre mediante el uso de reles el circuito cuando se alcancen las

condiciones buscadas para la realizacion del experimento.

Este sistema permite el accionamiento de los interruptores sin la interaccion humana,

permitiendo el funcionamiento remoto del experimento. Es este sistema el escogido para

la realizacion del montaje.

Por ultimo, es importante comentar algunos aspectos de interes sobre la conexion entre

el banco de condensadores y la probeta. Ya que debido a las caracterısticas electricas de

alto voltaje y alta intensidad, se busca reducir al mınimo posible la longitud de los cables

38


utilizados, de tal forma que se minimicen las perdidas calorıficas causadas por el paso de

la corriente.

Un aspecto importante del circuito electrico lo constituye la union fısica entre las

probetas donde se situara el material y los extremos positivo y negativo del circuito.

Esta debe caracterizarse por presentar un facil manejo que permita el rapido acceso a la

probeta ya experimentada para su sustitucion por una nueva.

Ademas, es necesario tener siempre en cuenta que la rapidez a la hora de acceder a la

recuperacion de la probeta ya experimentada, no debe ser obice para mantener un nivel

de seguridad adecuado que impida la descarga accidental debida a la carga remanente en

el banco de condensadores tras la descarga principal.

Parte mecanica

En este grupo de elementos se encuadran todos aquellos necesarios para la consecucion

de las condiciones dinamicas deseadas para la realizacion del experimento. Se distingue

ademas entre los elementos que forman parte del subsistema de lanzamiento y aquellos

que forman parte del subsistema de frenado.

Atendiendo al objetivo fundamental de realizar el experimento en condiciones de mi-

crogravedad, es necesario concebir el montaje completo como resistente a dicha caıda libre

y al posterior frenado necesario para la conservacion del montaje para futuros experimen-

tos.

Para reducir la magnitud de los impactos y tensiones que puede sufrir el equipo se

considera recomendable el uso de materiales ligeros y de un montaje que sea lo mas

compacto y rıgido posible para facilitar su manejo y disminuir las posibles averıas en las

partes moviles del mismo.

3.2.3. Elementos basicos del equipo

Para la realizacion del montaje se parte de un conjunto de elementos provenientes

tanto de las actividades llevadas a cabo por el grupo de experimentacion en Microgravedad

(2007), como diferentes las pruebas y experimentos llevados a cabo posteriormente por

doctorandos y alumnos de Proyecto fin de carrera del Departamento de Ingenierıa y

Ciencia de los Materiales y del Transporte.

Se enuncian en este apartado las caracterısticas de las que disponıa el montaje existente

en el laboratorio de Ciencia de los Materiales.

39


Esquema unifilar

En la Figura 3.9 se muestra el esquema unifilar detallado del circuito utilizado como

equipo de descarga para el proceso de sinterizacion.

Figura 3.9: Esquema unifilar del circuito del equipo de descarga.

Este equipo se debe alimentar con una toma de corriente alterna de 230V a 50Hz.

A continuacion se utilizan dos transformadores para elevar la tension hasta los 800V

necesarios para cargar el banco de condensadores (indicados como B.C. en el esquema

unifilar) y realizar la descarga a los niveles de intensidad deseados.

Se indican a continuacion los parametros relevantes de los diferentes elementos que se

integran en dicho circuito.

Fuente de alimentacion

Se utiliza una fuente de alimentacion externa (tıpicamente la red electrica) de 230V.

La alimentacion se controla mediante un interruptor [I0] situado entre la red electrica y

los transformadores del equipo.

Este es un interruptor convencional del fabricante “Merlin Gerin” y modelo “MULTI9-

40N”, el cual ofrece una tension nominal maxima de 400V y una intensidad de corte de

25A; caracterısticas las cuales son adecuadas para el desarrollo de nuestro equipo.

Transformadores

Se utilizan dos transformadores enlazados que permiten elevar la tension desde los

230V de la red hasta los 800V necesarios para realizar en condiciones optimas la carga

del banco de condensadores. Cada uno de estos transformadores consta de una potencia

de 500VA en condiciones nominales.

40


Figura 3.10: Transformadores acoplados en el montaje del equipo.

En la Figura 3.10 se observa el montaje de ambos transformadores junto con el diodo

rectificador utilizado. Otro dato relevante de cara a determinar las caracterısticas del

conjunto completo es que el peso de cada uno de lo transformadores es de 7.5kg.

Diodo

Se trata de un diodo comercial de la marca “Semikron” y modelo “SKN 20/12” que

se puede observar en la Figura 3.11 cuyas caracterısticas lımites de funcionamiento son

una intensidad de corriente de 20A y una tension maxima entre sus bornes de 1200V. El

uso de este diodo es fundamental para rectificar la onda senoidal amplificada proveniente

de los transformadores y cuyo destino es la carga del banco de condensadores.

Figura 3.11: Diodo rectificador utilizado.

41


Banco de condensadores

La parte fundamental del montaje la constituye el banco de condensadores escogido,

este se compone por 44 condensadores de 25µF cada uno, que proporcionan una capacidad

total de 1.1mF. Estos condensadores se encuentran conectados en paralelo, de tal forma

que caen sobre todos ellos 800V de tension.

Originalmente, estos condensadores se encontraban fısicamente ordenados en 6 filas,

4 de ellas con 7 condensadores y 2 de ellas con 8 condensadores, tal y como se observa en

la Figura 3.12. Esta configuracion fısica provoca que cada condensador sufra el paso de

toda la corriente que recorre su rama, aumentando las perdidas calorıficas y el desgaste

del mismo.

Figura 3.12: Banco de condensadores en configuracion rectangular.

Cada uno de estos condensadores pertenece a la serie PEC MKP de la marca “Lifasa”,

con referencia PECA1100250A. Esta serie esta formada por condensadores secos auto-

regenerantes no impregnados con dielectrico de polipropileno metalizado. En concreto los

condensadores usados soportan una tension nominal de 1000V, una tension maxima de

pico de 1250V y una intensidad maxima de pico no repetitiva de 101 A. Ademas, la masa

de cada uno de ellos se encuentra alrededor de los 456 gramos.

Rele de descarga

42


Para controlar la descarga se dispone un rele de estado solido controlado mediante un

circuito electronico de control que se encarga de realizar el cierre del circuito cuando se

alcanzan las condiciones deseadas para el ensayo.

3.2.4. Ensayo a escala

Como paso intermedio a la realizacion del complejo montaje global se pasa por realizar

un montaje de menor complejidad, de cara a familiarizarse con el equipo y comprobar su

correcto funcionamiento a pequena escala. Ello proporciona ademas una valiosa experien-

cia sobre su comportamiento y actuando como base para incrementar la complejidad del

montaje progresivamente.

Este reducido montaje se centra en la parte electrica del conjunto, constando unica-

mente de los elementos necesarios para realizar ensayos de carga y descarga basicos con

un unico condensador. Estos elementos son el par de transformadores necesarios para

elevar la tension de la red electrica hasta los 800 V, un diodo o rectificador de puente

para controlar la carga del transformador, una resistencia de 1 kΩ y un condensador.

Ademas, se dispone de dos interruptores que permiten controlar la carga del condensador

y la descarga sobre la resistencia.

La resistencia de descarga es una resistencia de hilo bobinado de 1kΩ y puede disipar

300W de potencia (a 25oC), ya que consta de un disipador termico. Esta potencia disipada

se traduce en que la intensidad maxima que puede recorrer esta resistencia es de 0.55A.

Su fabricante es “ARCOL” con referencia HS300-1KJ, esta familia de grandes resis-

tencias tiene una tension nominal de limitacion es de 2500V, de tal forma que siempre

que no se exceda este valor, la sobrecarga permitida es :

2 veces el nominal durante 3min.

5 veces el nominal durante 5s.

10 veces el nominal durante 1s.

No exceder mas de 10 veces el nominal, aunque la duracion de la sobrecarga sea

inferior a 1s.

Ademas, hay que tener en cuenta que esta resistencia un cierto caracter inductivo del

orden de los 167mH.

43


Figura 3.13: Montaje para el ensayo a escala.

El procedimiento de funcionamiento del equipo que se observa en la Figura (3.13) es

el siguiente:

1. Colocar los sensores de medicion en aquellos puntos deseados.

2. Asegurar que el interruptor secundario se encuentra en posicion “Cerrado”.

3. Conectar el equipo a la red electrica.

4. Activar el interruptor principal. Esperar durante 30 segundos hasta que se produzca

la carga completa del condensador y desactivar dicho interruptor.

5. Alterar la posicion del interruptor secundario para realizar la descarga del conden-

sador sobre la resistencia de prueba.

6. Esperar 5 segundos y devolver dicho interruptor a su posicion original.

3.2.5. Montaje final

A partir de los elementos disponibles y atendiendo a las consideraciones descritas

previamente, se pasa a continuacion a describir el montaje escogido, detallando cada uno

de sus elementos y las interfaces existentes.

Es importante destacar que de cara a probar las diferentes configuraciones posibles se

ha empleado el programa CATIA en su version v5r21 para probar las diferentes posibi-

44


lidades, ası como desarrollar los planos de aquellos elementos que los requieren por sus

caracterısticas constructivas.

Para el diseno y realizacion del montaje se ha tenido como idea principal la minimiza-

cion del tamano del montaje, ası como de las perdidas calorıficas producidas por el paso

de la corriente.

Banco de condensadores

Para cumplir con el primer objetivo, se ha optado por desacoplar el modulo de trans-

formadores del banco de condensadores, de tal forma que se disponga de un equipo mas

compacto y ligero para la realizacion de las pruebas.

Ademas, se ha elegido una nueva disposicion hexagonal de los condensadores enca-

minada igualmente a la reduccion del espacio ocupado por el banco, la cual se puede

observar en su modelo virtual y en la realidad en las Figuras 3.14 y 3.15 respectivamente.

45


(a) Vista isometrica.

(b) Vista en planta.

Figura 3.14: Modelo CAD del banco de condensadores en configuracion hexagonal.

46


Figura 3.15: Instantanea del banco de condensadores en configuracion hexagonal.

Alrededor de esta configuracion hexagonal se van anadiendo el resto de elementos que

anaden las funcionalidades buscadas en el equipo. En primer lugar, la base hexagonal a

la que se atornillan los condensadores, la cual se esta compuestas de dos placas de fibra

de vidrio y aluminio de 2mm de espesor cada una. Mientras que la fibra de vidrio es

un material especialmente adecuado teniendo en cuenta las condiciones de baja densidad

y tenacidad buscadas, por otra parte la placa de aluminio de menor espesor permite

aumentar la rigidez del conjunto y actua como tierra comun de los condensadores.

Atendiendo al objetivo de reducir las perdidas electricas y garantizar que se alcanzan

los niveles requeridos de intensidad y tension sobre la pieza, se ha optado por aumentar

la seccion de los cables utilizados desde los 2.5mm2 hasta los 4mm2, ası como evitar

conexiones entre cables.

Para esto ultimo se han utilizado unas barras de cobre como puntos de conexion de los

diferentes condensadores. Esto permite que la intensidad de todo el banco no recorra por

un unico cable, si no por un conductor con baja resistividad y gran seccion transversal,

permitiendo reducir las perdidas energeticas.

47


Figura 3.16: Barras de conexion de los condensadores.

En la Figura 3.16 se observa la configuracion utilizada para las barras; es caracterıstico

el uso de dos barras, que hemos denominado “‘Puentes”, para cada polo de cara a que

cada par se encargue de reunir la corriente que proviene de la mitad de los condensadores

del banco. Esto permite que la longitud de los cables sea la mınima posible, reduciendo a

la par tanto las perdidas calorıficas como las de tension.

Se pueden asimismo observar otras piezas de teflon que se utilizan para aislar y aumen-

tar la rigidez del conjunto. Por un lado las piezas de acople de las barras, que permiten

conectar mediante pernos situados en su parte inferior las barras de cobre con la base del

conjunto. Mientras que se observan tambien dos pequenas piezas en forma de T situadas

sobre las barras interiores, las cuales se destinan a garantizar el aislamiento entre ambos

polos positivo y negativo del montaje.

De cara al conexionado entre cada mitad del banco y su correspondiente par de ba-

rras se ha estudiado la configuracion que reduce la longitud de cada conexion, la cual

48


se presenta en la Tabla 3.3. Esta tabla en combinacion con la Figura 3.17 permite reali-

zar el conexionado de una manera estandar y sencilla, atendiendo a las consideraciones

comentadas.

Figura 3.17: Esquema auxiliar para el conexionado de los cables.

En la Figura 3.17 se pueden observar los dos bloques definidos del conjunto de con-

densadores y las barras interior y exterior de cada polo, ası como cada puente de union.

Mientras que en la Tabla 3.3 esta tabla se distingue en primer lugar entre los dos

bloques existentes. Cada cable se encuentra etiquetado de forma unıvoca para indicar

directamente en que borne y a que condensador va conectado.

Por una parte, la denominacion de la columna “Cable” es equivalente a la existente

en las etiquetas de cada cable y se debe interpretar teniendo en cuenta que:

La primera letra representa el bloque al que pertenece dicho cable.

La segunda letra representa el signo del borne al que debe conectarse.

Las dos ultimas cifras representan el condensador asociado a dicho cable. Debe

entenderse que los condensadores 1 a 7 son los situados en la fila 1, del 8 a 13 en la

fila 2, del 14 al 18 en la fila 3 y del 19 al 22 en la fila 4.

Por otra parte, la denominacion de la columna “Destino” se debe interpretar teniendo

en cuenta que:

49


El signo indica a la barra a la que pertenece el nodo de destino.

El numero indica el nodo de la barra, contando de izquierda a derecha.

La letra (S o I) indica la posicion del nodo a la que conectar dicho cable, siendo la

posicion S la superior y la posicion I la inferior.

Tabla 3.3: Ruta de conexionado entre los condensadores y las barras de conexion.

BLOQUE A

Cable Destino Cable Destino

AN01 -01S AP01 +01S

AN02 -03S AP02 +03S

AN03 -03I AP03 +03I

AN04 -06S AP04 +06S

AN05 -09S AP05 +09S

AN06 -09I AP06 +09I

AN07 -11I AP07 +11I

AN08 -01I AP08 +01I

AN09 -04S AP09 +04S

AN10 -05S AP10 +05S

AN11 -07I AP11 +07I

AN12 -08I AP12 +08I

AN13 -11S AP13 +11S

AN14 -02S AP14 +02S

AN15 -04I AP15 +04I

AN16 -06I AP16 +06I

AN17 -08S AP17 +08S

AN18 -10I AP18 +10I

AN19 -02I AP19 +02I

AN20 -05I AP20 +05I

AN21 -07S AP21 +07S

AN22 -10S AP22 +10S

BLOQUE B

Cable Destino Cable Destino

BN01 -01S BP01 +01S

BN02 -03S BP02 +03S

BN03 -03I BP03 +03I

BN04 -06S BP04 +06S

BN05 -09S BP05 +09S

BN06 -09I BP06 +09I

BN07 -11I BP07 +11I

BN08 -01I BP08 +01I

BN09 -04S BP09 +04S

BN10 -05S BP10 +05S

BN11 -07I BP11 +07I

BN12 -08I BP12 +08I

BN13 -11S BP13 +11S

BN14 -02S BP14 +02S

BN15 -04I BP15 +04I

BN16 -06I BP16 +06I

BN17 -08S BP17 +08S

BN18 -10I BP18 +10I

BN19 -02I BP19 +02I

BN20 -05I BP20 +05I

BN21 -07S BP21 +07S

BN22 -10S BP22 +10S

Hasta el momento se ha descrito como se distribuyen los condensadores sobre la base

50


y cual es su union con las barras de conexion. Este montaje a su vez se coloca sobre un

subconjunto denominado “Cuna”, del cual se puede observar una vista lateral en la Figura

3.18. Esta compuesto por perfiles en U de acero cuyo objetivo es rigidizar el conjunto,

aumentar su resistencia y ofrecer espacio para el anclaje de cara al lanzamiento.

Figura 3.18: Vista lateral de la “Cuna”.

Este conjunto montado se observa en la Figura 3.19 en su maqueta virtual.

51


Figura 3.19: Modelo CAD del banco conexionado.

Conexion a la probeta

Una vez definida la configuracion del banco de condensadores, es necesario definir

como se realiza la conexion entre dicho banco y la probeta de prueba y con el conjunto

de transformadores necesarios para realizar la carga del equipo.

Para ello se coloca una tapa al conjunto anterior, sobre la cual se deben colocar la placa

de control, los acelerometros, el rele de estado solido, el enchufe hacia los transformadores

y por ultimo, pero fundamental, el montaje donde se coloca la probeta. Esta constituye

el elemento central del montaje y se puede observar en la Figura 3.20.

52


Figura 3.20: Modelo CAD de la probeta de ensayos.

En primer lugar, es necesario definir como se obtienen a partir de los dos puentes

(positivo y negativo) los dos terminales necesarios para transferir la tension al montaje

de la probeta. Por un lado, el polo positivo se transmite mediante un terminal fijo que

permite el acoplamiento mecanico de la base de la probeta de sinterizacion.

Figura 3.21: Modelo CAD del soporte fijo para la probeta de ensayos.

Por otra parte, el polo negativo se transmite mediante un cable de gran seccion conec-

tado mediante un taladro al puente negativo. A continuacion este cable tiene que pasar

por el rele de estado solido controlado electronicamente que inicia la descarga electrica.

Y, por ultimo, el cable saliente del rele cable se suelda al interior de un pequeno tubo de

53


cobre que se rosca a otra base ajustable que permite la conexion con un terminal movil y

que constituye la otra mitad del acoplamiento mecanico de la probeta. En la Figura 3.22

se puede observar esta pieza y sus elementos.

Figura 3.22: Soporte movil para la probeta de ensayos.

El uso de este adaptador mecanico con un cierto juego permite el uso de diferentes

tipos y tamanos de probetas. Ademas, con pequenas modificaciones, se podrıa sustituir

este montaje para la probeta por otro que ofreciera unas caracterısticas mas adecuadas.

Ademas, este adaptador mecanico permite su facil y rapida colocacion, ası como la retirada

de cara a realizar los diferentes experimentos.

Este tipo de montaje para la probeta se basa en disenos anteriores, como el que se

puede observar en la Figura 3.23, pero buscando corregir y mejorarlo. Para ello se reduce

el numero de elementos existentes para que sea mas ligero y sencillo de construir. Ademas,

mediante el acoplamiento mecanico utilizado se aumenta la presion sobre la probeta du-

rante las experiencias, disminuyendo las posibilidades de que esta salga despedida durante

el movimiento.

54


Figura 3.23: Montaje anterior utilizado para la probeta de ensayos.

Control de la descarga

Como ya se ha comentado brevemente en el apartado anterior, es necesario disponer de

un dispositivo de control que permita ejecutar la descarga del banco cuando se alcancen

las condiciones deseadas.

Se consideran dos posibilidades diferentes segun la funcionalidad requerida en cada

momento. En primer lugar, el uso de un interruptor que soporte una gran intensidad de

corriente y una tension elevada permitirıa cerrar el circuito de manera directa y provocarıa

la realizacion de la descarga al actuar sobre el interruptor.

En segundo lugar, el uso de un rele de estado solido comandado mediante una placa

Arduino permite la automatizacion del proceso y el cierre del circuito en diferentes condi-

ciones segun esten reflejadas en el programa cargado. Para descargas de prueba se pueden

utilizar rutinas que realicen el cierre del circuito para determinados valores de tiempo o

mediante el uso de pulsadores. De cara al funcionamiento deseado del equipo en caıda

libre, se dispone de dos acelerometros combinados que permiten cerrar el circuito cuando

se alcancen las condiciones deseadas de caıda libre.

Conexion a los transformadores

Otro aspecto fundamental es como realizar la conexion a los transformadores para

realizar la carga del banco de condensadores. Se opta por utilizar una conexion indepen-

diente al circuito de descarga debido a los diferentes niveles de intensidad que recorren

cada uno de ellos. La forma de proceder es extraer los polos positivo y negativo mediante

dos cables de seccion reducida conectados mediante taladros a los dos puentes existentes.

Estos dos cables colocados se conectan por el otro extremo a un enchufe hembra

de proteccion capaz de soportar la tension de 800V existente entre los extremos de los

transformadores y la intensidad de 1A que se estima como maxima durante el proceso

55


de carga. A este enchufe debe conectarse un enchufe macho proveniente de los bornes del

conjunto de los transformadores y el diodo rectificador.

Asimismo, para el conjunto de los transformadores propiamente dicho se opta por

reutilizar el conjunto ya existente, el cual eleva la tension desde los 220V proporcionados

por la red electrica a los 800V necesarios para realizar la carga del banco de condensadores.

Este conjunto de transformadores permite realizar la carga del banco al 100 % en

menos de 10 segundos en condiciones de trabajo, atendiendo a simulaciones realizadas

con el programa Matlab Simulink.

En la Figura 3.24 se observa un esquema del circuito que se ha utilizado para la

simulacion de la carga en Simulink. Ademas, en las Figuras 3.25 y 3.26 se observan dos

resultados de la tension entre los bornes del banco y el tiempo de carga obtenidos mediante

simulacion.

Figura 3.24: Esquema del circuito de carga simulado en Matlab Simulink.

56


Figura 3.25: Curva de tension en el banco frente al tiempo para una carga de 10 segundos.

Figura 3.26: Curva de tension en el banco frente al tiempo para una carga de 30 segundos.

Asimismo, se pueden obtener curvas que muestran la evolucion de la intensidad que

recorre el circuito durante el proceso de carga. En las Figuras 3.27 y 3.28 se muestra esta

informacion para dos periodos de carga diferentes.

Se observa que la intensidad de corriente inicial que recorre el circuito esta en torno a

1A, pero disminuye exponencialmente con el tiempo. De tal forma que transcurridos 10s, la

57


intensidad se ha reducido en un 80 % y tras 30s la reduccion es del 90 % aproximadamente

del valor inicial, alcanzando valores en torno a los 100mA.

Figura 3.27: Curva de intensidad en el banco frente al tiempo para una carga de 10

segundos.

Figura 3.28: Curva de intensidad en el banco frente al tiempo para una carga de 30

segundos.

58


3.3. Torre de caıda libre

3.3.1. Caracterısticas generales

El uso de una torre de caıda libre para la realizacion de los experimentos deseados

parece la solucion optima entre los diferentes metodos posibles para alcanzar las con-

diciones de microgravedad. Esta plataforma es la que presenta un coste inferior y una

preparacion tecnica mas sencilla de entre todas las estudiadas. Ademas, atendiendo al

objetivo de poder realizar un numero de experiencias elevado a lo largo del tiempo es la

unica alternativa posible atendiendo al coste por experiencia.

Una vez decidido el uso de una torre de caıda libre, es necesario estudiar las diferen-

tes posibilidades existentes. En primer lugar, se disponıa inicialmente de la posibilidad

de utilizar la torre existente en las instalaciones de “Isla Magica”, con nivel y tiempos

adecuados de microgravedad.

Esta alternativa, aunque prometedora atendiendo a los diferentes estudios realizados,

debido a razones externas al Proyecto hicieron que se retirara la autorizacion para la

realizacion de experimentos, por lo que esta opcion tuvo que ser descartada. Este hecho

supuso un punto de inflexion durante la realizacion del proyecto, ya que creo la necesidad

de volver a estudiar y disenar gran parte de los avances realizados hasta el momento para

poder adaptarse a las nuevas circunstancias existentes.

Debido a los hechos relatados, la solucion pasaba por emplear un torre de caıda libre

existente o construida a tal efecto. El uso de las instalaciones que ofrece la ESA para

estudiantes es una posibilidad, aunque sus requisitos de seguridad, los costes indirectos y

el tiempo requerido para su preparacion harıan que esta alternativa no fuera optima en

un primer enfoque.

Sin embargo, cuando el equipo haya alcanzado la madurez adecuada y se disponga de

resultados preliminares, el uso de instalaciones como las que ofrece la ESA en el ZARM

de Bremen permitirıa profundizar en los resultados obtenidos y perfeccionar la tecnica de

lanzamiento y sinterizacion.

Por lo tanto, la unica opcion que permanece factible es la construccion de una torre

de caıda libre que permita la realizacion de los experimentos buscados. En nuestro caso,

el unico requisito que se le impone a la misma es que debe disponer de un intervalo de

tiempo en microgravedad del orden de 0.5 segundos.

En la Figura 3.29 se puede observar la relacion entre el intervalo de tiempo en condicio-

nes de microgravedad y la altura de lanzamiento necesaria. Se senala que para conseguir

que para conseguir la duracion mınima deseada, la altura de lanzamiento es de 1.875

metros.

59


Figura 3.29: Relacion entre el intervalo de tiempo en condiciones de microgravedad y la

altura de lanzamiento.

Sin embargo, este intervalo en condiciones de microgravedad no es el unico intervalo

de tiempo que es necesario tener en cuenta, ya que tambien hay que considerar el pequeno

lapso de tiempo que transcurre desde el instante en el que el cuerpo se suelta hasta que se

alcanzan condiciones de microgravedad. Este lapso se considera segun la ESA en aproxi-

madamente en 80 microsegundos, atendiendo a las diversas experiencias en microgravedad

realizadas a lo largo de las ultimas decadas.

Ademas, hay que considerar el retraso que se produce desde que los sensores detectan

que se han alcanzado las condiciones de microgravedad hasta que realmente el equipo de

control envıa la senal de cierre del circuito que provocara la descarga electrica. Ası como

la distancia requerida por el tramo de frenado que se relaciona directamente con el factor

de desaceleracion que puede soportar el equipo.

El factor de desaceleracion constituye un parametro fundamental de cara a definir la

altura a partir de la cual se comenzara el frenado del conjunto durante su caıda. Tal y

como se observa en la Figura 3.30 cuanto menor es esta altura, mayor es el factor de

deceleracion que sufre el conjunto. Esto es logico ya que al comenzar el frenado mas cerca

del suelo, la velocidad alcanzada es mayor y el efecto del frenado es de mayor intensidad.

60


Figura 3.30: Aproximacion al factor de desaceleracion en funcion de la altura de frenado.

Para realizar la aproximacion anterior se parte de la definicion del factor de decelera-

cion como la aceleracion negativa que sufre un cuerpo en movimiento al frenar, adimen-

sionalizada con la aceleracion de la gravedad g. Para el caso de un cuerpo en caıda libre,

esto se puede aproximar partiendo de las ecuaciones del movimiento en caıda libre, las

cuales se pueden observar Ecuaciones 3.1 - 3.3.

x = Htot −1

2· g · t2 (3.1)

v = −g · t (3.2)

a = −g (3.3)

A partir de la Ecuacion 3.2 y teniendo en cuenta la altura de frenado se puede obtener

una aproximacion de la velocidad terminal como:

Vter =√

2 · g · (Htot −Hfr) (3.4)

A continuacion, se puede obtener una estimacion de la magnitud de la desaceleracion

utilizando el valor de la desaceleracion media durante la etapa de frenado. Este valor es

superior al real, ya que la velocidad no sigue un perfil lineal durante el tramo, si no que tras

comenzar a frenar la velocidad cae de manera casi instantanea. Ademas, al combinarse dos

metodos de frenado se incrementa la fuerza que se ejerce sobre el objeto, disminuyendo

el tiempo total de frenado.

61


afr ≈Vtertfr

≈ VterHfr

Vfr

≈ VterHfr

0,5 · Vter

(3.5)

Sustituyendo en la Ecuacion 3.5:

afr ≈V 2ter

Hfr

= g · Htot −Hfr

Hfr

(3.6)

Adimensionalizando con la aceleracion de la gravedad se obtiene la aproximacion al

factor de desaceleracion, Ecuacion 3.7.

FD =afrg

=Htot −Hfr

Hfr

(3.7)

Donde Htot es la altura total de lanzamiento y Hfr es la altura a partir de la cual

comienza el frenado del movil.

3.3.2. Consideraciones para el diseno

Atendiendo a las caracterısticas buscadas y el conocimiento de las limitaciones exis-

tentes, es posible agrupar las diferentes consideraciones que es necesario tener en cuenta

de cara al diseno definitivo de la instalacion.

Considerando los requisitos de tiempo en condiciones de microgravedad y los lımi-

tes de desaceleracion que se consideran adecuados para el montaje se decide realizar un

montaje en el exterior del Laboratorio del Area de Ciencia de los Materiales e Ingenierıa

Metalurgica perteneciente al Grupo de Investigacion Metalurgia e Ingenierıa de los Ma-

teriales, situado en la zona de laboratorios de la Escuela Tecnica Superior de Ingenierıa

de Sevilla. Este laboratorio consta de una altura exterior de unos 10 metros aproximada-

mente, lo que le hace perfectamente favorable para el uso pretendido.

Aunque un montaje al aire libre no ofrece los mismos niveles de calidad que las torres

de caıda libre convencionales, su uso permite reducir al mınimo posible el coste de la

instalacion, alcanzando un nivel de calidad de microgravedad aceptable para la etapa de

prototipo en la que se encuentra el montaje. Ademas, permite obtener conclusiones acerca

de la validez del modelo y de la bondad del montaje utilizado para realizar la sinterizacion

de cara a posteriores investigaciones en instalaciones mas complejas.

Sistema de lanzamiento

Las caracterısticas que ofrecen los sistemas empleados en las diferentes instalaciones

existentes de este tipo suelen ser sistemas desarrollados ad hoc para dejar caer con las

menores perturbaciones posibles el movil a traves del tubo de lanzamiento.

62


En este caso, se descarta el uso de un tubo de lanzamiento por su elevado coste y por

la complejidad que anade al conjunto. Se centrara el trabajo en el uso de una estructura

colocada en la parte superior de la torre y en cuyo centro se situe un gancho que se pueda

abrir de forma remota para permitir liberar el conjunto de prueba.

Una vez que se suelta el conjunto, este cae libremente de manera paralela a la pared

del laboratorio hasta alcanzar la altura a la que comienza a actuar el sistema de frenado.

Se consideran principalmente dos opciones, una basada en el uso de raıles y otra en la

que el sistema se deja caer libremente sin ningun sistema auxiliar.

En la opcion basada en raıles, las principales ventajas de esta opcion se derivan del

hecho de que estos soportan el desplazamiento del movil y aseguran la trayectoria de caıda.

Ademas de hacer que el conjunto y, por extension, la probeta de pruebas mantengan una

orientacion constante respecto al suelo.

Por contra, el uso de raıles implica la necesidad de disponer de una infraestructura

fija en el exterior del Laboratorio, con las consiguientes necesidades de mantenimiento

periodico para poder garantizar su buen estado.

Ademas, a nivel operacional, esta alternativa presenta, pese a sus importantes ventajas,

algunos inconvenientes que es necesario tener en cuenta, como pueden ser la introduccion

de perturbaciones sobre la probeta de muestra debidas al carreteo a lo largo de los raıles

y el aumento de la complejidad y coste generales del proyecto. En la Figura 3.31 se puede

observar una imagen virtual de dicha alternativa.

63


Figura 3.31: Alternativa basada en raıles.

En esta figura los raıles se representan con un tamano mayor al real para facilitar

su representacion virtual. De igual forma, tampoco se muestran los rodamientos que se

instalan en las alas de la “Cuna” para permitir que el conjunto ruede a lo largo de los

mismos para simplificar la representacion.

La otra opcion a tener en cuenta consiste en dejar caer libremente el conjunto desde

lo alto del Laboratorio. Es necesario tener en cuenta que tanto el conjunto debe caer de

forma paralela a la pared, como la probeta de ensayos debe caer horizontalmente contra

el suelo para permitir que la dispersion del polvo en su interior sea la optima.

Para alcanzar las condiciones deseadas en el lanzamiento es por tanto necesario asegu-

rar un correcto centrado del conjunto de pruebas. Para ello se debe revisar el equilibrado

del conjunto una vez acoplado al lanzador para comprobar su correcto alineamiento. Para

ello se considera la instalacion de un pequeno indicador de nivel de obra sobre la parte

64


posterior del montaje visible desde la posicion del personal que realice el experimento.

Pese a que esta alternativa no presente los problemas de vibraciones y coste que se

tienen en la alternativa basada en raıles, esto no es obice para que tambien presente

algunos inconvenientes. Por ejemplo, el hecho de que no se asegura la orientacion de

la probeta de muestras respecto al suelo en todo momento, ası como tampoco se puede

asegurar que debido a desequilibrados en la capsula lanzada o agentes externos, la capsula

se desvıe de la trayectoria deseada.

Es necesario un estudio en profundidad de ambas opciones que permita evaluar la

bondad de cada una de ellas antes de tomar una decision objetiva.

Sistema de frenado

Para esta funcion se considera un sistema de frenado hıbrido basado en el uso de una

parte principal convencional fundamentada en el uso de bolas de poliestireno y una parte

auxiliar fundamentada en cuerdas elasticas que reduzcan la velocidad de impacto sobre

la piscina de poliestireno.

Dicha piscina contendra de bolas de poliestireno de tamano reducido, pero adecuadas

al tamano y masa del montaje, ası como a la velocidad terminal alcanzada. Se conside-

ra una piscina de un volumen aproximadamente igual a 1m3 es adecuada para detener

completamente la caıda en combinacion con el sistema auxiliar desarrollado.

El uso de un subsistema auxiliar para la frenada esta presente en varias instalaciones

de microgravedad existentes, reduciendo de forma significativa el factor de desaceleracion

cuando se alcanza la parte principal del sistema de frenado. Esto permite reducir de ma-

nera significativa los requisitos mecanicos sobre el montaje experimental. Generalmente,

esto se traduce en terminos de mayor masa disponible para la realizacion del experimento.

Las soluciones tıpicamente utilizadas pasan por modificar de alguna forma el tubo de

lanzamiento con el objetivo de aumentar la resistencia por friccion con las paredes del

mismo. Ya sea reduciendo el diametro interno del tubo o mediante la colocacion de geles

viscosos en la cara interior del mismo.

El uso de cuerdas no se considera generalmente como una opcion en este tipo de

sistemas, debido a su desgaste y la necesidad de sustituir las mismas tras un numero

relativamente reducido de ensayos, en comparacion con los intervalos de mantenimiento

que tienen el resto de elementos de una instalacion de este tipo.

Sin embargo, se ha considerado que en una instalacion como la propuesta, con caracter

puramente experimental y de prototipo, ofrecen un aliciente extra de seguridad sobre la

operacion y reducen la desaceleracion sufrida por el montaje cuando finalmente alcanza

la altura del sistema de frenado principal.

65


Se deben utilizar dos cuerdas diferentes para este proposito:

En primer lugar, una cuerda dinamica que ofrece elongacion dinamica y estatica

reducida y alta resistencia de choque como sistema ultimo de seguridad en el caso de

que el montaje se desplace de la trayectoria deseada y para impedir danos materiales

sobre otros elementos de las instalaciones.

Esta cuerda debe disponer de una longitud aproximada de 9 metros para permitir la

caıda libre del conjunto dentro de la trayectoria deseada, impedir cualquier posible

desviacion y colaborar en el frenado final de conjunto bajo ensayo. Ademas, serıa

posible instalar un mecanismo de frenado de emergencia en la parte superior basado

en el tensado de esta cuerda en un punto intermedio de la caıda.

En segundo lugar, un par de cuerdas dinamicas que colaboren activamente en el

frenado del conjunto bajo ensayo. Estas cuerdas ofrecen una capacidad de elongacion

dinamica significativa del orden del 35 % de su longitud inicial, en combinacion con

una resistencia suficiente al impacto.

La longitud de estas cuerdas presenta dos lımites fundamentales. Por un lado, el

hecho de que la cuerda debe colaborar activamente en el frenado, de tal forma que

su elongacion maxima debe alcanzarse como maximo justo en la parte superior de la

piscina principal de frenado, aproximadamente a una distancia del suelo de 1 metro.

Por otro lado, el propio lımite resistente de la cuerda que hace que a partir de una

cierta distancia recorrida la energıa cinetica del cuerpo sea tan elevada que no sea

capaz de frenarlo y se fracture.

No se pueden dar indicaciones generales mas detalladas, ya que dependen direc-

tamente de diferentes caracterısticas fısicas de la cuerda: elongacion dinamica y

estatica, resistencia de choque y seccion transversal.

La unica variable que queda libre es la longitud inicial de la cuerda que se va a

utilizar. Por un lado, hay que tener en cuenta que atendiendo a las caracterısticas

de elongacion dinamica y estatica de la cuerda se pueden definir dos longitudes im-

portantes. En primer lugar, la denominada como Lini9, la cual representa la longitud

inicial necesaria para que tras la elongacion se alcancen los 9 metros a los cuales

comienza la piscina de frenado. Por otra parte, la denominada como Lini10, la cual

representa una magnitud analoga pero para que se alcanzasen los 10 metros en la

situacion deformada.

Ademas, hay que tener en cuenta que la fuerza de impacto que sufre la cuerda al

tensarse no puede ser superior a la fuerza de choque que resiste la propia cuerda, ya

que en caso contrario la cuerda se romperıa y podrıa provocar danos en el equipo.

Para determinar que longitud inicial escoger se representan estas variables en una

66


grafica en funcion de la masa del conjunto al lanzamiento, que se encuentra dentro

de un intervalo centrado en 30 kg, segun las estimaciones disponibles. Esta grafica

se puede observar en la Figura 3.32.

Figura 3.32: Estimacion de la fuerza de desaceleracion para una cuerda “Simond Out-

door”.

En la Figura 3.32 se recogen los calculos para una cuerda del fabricante Simond de

10.2 mm de diametro, disenada para su uso en exteriores y disponible en un amplio

numero de establecimientos para su venta por metros.

Se observan dos lıneas rectas que definen los lımites de operacion aproximados.

Horizontalmente se observa la lınea de fuerza de choque maxima resistida por la

cuerda, es necesario mantener una cierta distancia de seguridad con la misma para

garantizar una operacion segura. Por otra parte, se observa una lınea vertical que

representa los valores obtenidos cuando la longitud inicial de la cuerda es aquella

que provoca que la longitud maxima tras la elongacion sea igual a 9m.

Las caracterısticas de este modelo concreto la hacen favorable para el uso buscado,

como caracterısticas fundamentales1 presenta una elongacion dinamica del 30.8 % y

una fuerza de choque maxima de 9kN.

Los calculos realizados tienen en cuenta la elongacion que sufren las cuerdas, ası co-

mo la relacion existente entre la altura a la que se comienza a frenar, en la que la

cuerda se encuentra completamente tensada y estirada y el factor de deceleracion

1Las caracterısticas completas pueden encontrarse en la web: http://www.simond.com/en/cat/

Ropes/prd/10.2mm_Outdoor_Rope

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http://www.simond.com/en/cat/Ropes/prd/10.2mm_Outdoor_Rope

http://www.simond.com/en/cat/Ropes/prd/10.2mm_Outdoor_Rope


que sufre el conjunto. Para abordar el problema desde el lado de la seguridad, se

considera que durante el tensado de la cuerda, el montaje no sufre ninguna decele-

racion, lo cual es falso, ya que lentamente se ira reduciendo la velocidad del mismo,

y que todo el frenado se realiza de forma instantanea en el momento de maxima

tension en la cuerda.

En cualquier caso se observa que incluso en el caso de considerar la mayor masa

posible y la mayor longitud (la cual es Lini9, ya que cualquier longitud superior

provoca que el frenado se realice dentro de la piscina), el factor de seguridad, definido

como el cociente entre la fuerza de deceleracion y la fuerza de choque de la cuerda,

es del orden de 3. Lo cual proporciona un margen de seguridad mas que aceptable.

Adquisicion y descarga de datos

Como elemento central del sistema de adquisicion se dispone de una placa Arduino

Mega que ofrece un microcontrolador ATMega 1280 a 6MHz de reloj junto como 8kB

de SRAM, 4kB de EEPROM, 54 pines de entrada/salida digital (14 de ellos capaces de

proporcionar salidas PWM) y 16 pines de entrada analogicos. En la Figura 3.33 se puede

observar un imagen de dicha placa.

Figura 3.33: Placa Arduino Mega.

Para alimentar este dispositivo y los sensores conectados al mismo se utiliza un con-

junto de 6 pilas AA recargables de 1.2V cada una y 2000mAh de capacidad. Esta baterıa

permite que el conjunto funcione de manera autonoma durante varias operaciones conse-

cutivas del equipo.

68


A esta placa central de control se conectan a su vez una tarjeta de memoria microSD-

que permite guardar y posteriormente descargar los datos adquiridos y dos acelerometros

triaxiales ADXL335 de bajo consumo y rango +/- 3g. El uso de dos acelerometros inde-

pendientes permite tener una medida redundante de la aceleracion dada la criticidad de la

misma para el proceso y permitir el correcto funcionamiento del conjunto incluso en cir-

cunstancias de fallo. Estos elementos se conectan mediante pequenas placas, denominadas

shield, que se pueden observar en las Figuras 3.34a y 3.34b

(a) Micro SD Arduino shield. (b) Arduino shield con acelerometro ADXL335.

Figura 3.34: Instalaciones terrestres para conseguir condiciones de microgravedad.

Por ultimo, es necesario comentar que en el Apendice B se recoge el codigo utilizado

para este proposito.

Simulacion del lanzamiento

Atendiendo a las diferentes caracterısticas fijadas y propuestas para el diseno definitivo

de esta torre de caıda libre, es posible realizar una simulacion cinematica preliminar

para evaluar la evolucion de la aceleracion, velocidad y altura respecto del tiempo. Los

resultados de dicha simulacion se pueden observar en la Figura 3.35.

69


Figura 3.35: Perfiles simulados de aceleracion, velocidad y posicion respecto del tiempo

70


71

CAPITULO 4. DISCUSION

Capıtulo 4

Discusion y futuros trabajos

4.1. Discusion

En este apartado se va a realizar una sucinta descripcion temporal de los diferentes

trabajos realizados durante el transcurso de este Proyecto, introduciendo las diferentes

relaciones existentes entre dichas etapas.

Se inicia el Proyecto con el objetivo de disenar un equipo de sinterizacion adecuado

para ser instalado en la torre de caıda libre “El Desafıo”. Bajo esta premisa se inicia

el desarrollo de un montaje mecanico basado en el uso de muelles para alcanzar las

condiciones de microgravedad deseadas en el que existıa una separacion considerable entre

el banco de condensadores y la probeta a ensayar donde se producirıa la sinterizacion.

De cara a evaluar el comportamiento mecanico del montaje y definir con precision

las caracterısticas del mismo, se realiza una serie de simulaciones empleando el progra-

ma MD Adams para evaluar la influencia de cada uno de los parametros sobre dicho

comportamiento.

Tras analizar los resultados obtenidos en estas simulaciones se pasa a la etapa de de-

finicion del equipo de sinterizacion propiamente dicha. En este punto, el hecho de que

desaparezca la posibilidad de realizar las experiencias en las instalaciones del parque

tematico “Isla Magica”, provoca la necesidad de redefinir las bases que se estaban utili-

zando para el diseno del equipo. Se enfoca el diseno en construir un equipo que reuna las

siguientes caracterısticas fundamentales: compacidad, ligereza, rigidez y robustez.

Es por ello que se busca una distribucion hexagonal de los condensadores que permita

reducir el volumen al mınimo posible. Sobre los mismos condensadores, se colocan un

conjunto de barras de cobre destinadas a reducir la longitud de los cables existentes para

disminuir las perdidas. Cada uno de los condensadores se conectara mediante pequenos

conectores a dichas barras.

72


Siguiendo en la lınea de realizar un diseno lo mas compacto posible, se instala una

pequena base sobre las barras a una pequena distancia suficiente para garantizar el ais-

lamiento del circuito electrico. En la superficie superior de esta base se distribuyen los

diferentes elementos que permiten realizar las experiencias de sinterizacion; desde la pro-

pia probeta de prueba a los contactores fijo y movil utilizados, pasando por el rele de

estado solido que inicia la descarga o la placa Arduino que se encarga de monitorizar la

aceleracion del movil y controlar el rele.

Este montaje es simulado mediante Matlab Simulink para evaluar dos parametros

fundamentales: la intensidad de pico que soporta el conjunto y el tiempo de carga del

banco de condensadores.

Para aumentar la rigidez del conjunto anterior, se instala sobre un soporte de acero en

forma de U que aporta robustez al conjunto y permite protegerlo durante su lanzamiento

en las condiciones buscadas. Este soporte puede adaptarse mediante diferentes elementos

auxiliares para su uso en diferentes instalaciones, como los tıpicos “drop tubes”, vuelos

parabolicos o sistemas propios de caıda libre.

Debido a las restricciones presupuestarias y temporales existentes sobre el Proyecto, la

variante que se elige es la construccion de un sistema propio de caıda libre de bajo coste.

Los fundamentos del mismo son el uso de raıles en vertical para guiar al movil durante la

caıda y un sistema de frenado que combina el uso de cuerdas elasticas con un contenedor

de bolas de poliestireno.

Dentro de este Proyecto se evaluan las caracterısticas fundamentales de los diferen-

tes elementos de la misma, ası como simulaciones preliminares utilizando Matlab de los

perfiles de aceleracion, velocidad y altura a los que se van a someter al conjunto.

4.2. Lıneas de trabajo futuras

En posteriores trabajos se debe completar la definicion de la torre de caıda libre. Desde

el sistema de lanzamiento de la capsula, con la consecuente adaptacion de la misma,

hasta el sistema de frenado basado en cuerdas, que requiere de pruebas previas para su

calificacion favorable.

Ademas, la propia construccion de la torre lleva pareja diferentes circunstancias y

elementos que requieren clarificacion y definicion definitiva. Como pueden ser la union

entre perfiles para la construccion de los raıles, la conexion entre los raıles y su soporte,

la precision requerida en el montaje para que el rozamiento con los raıles no perturbe

excesivamente la experiencia o la colaboracion con el grupo de Experimentacion en el

Espacio y Microgravedad (LEEM) asociado a la Universidad de Sevilla.

73


Otro aspecto tambien susceptible de ampliacion en posteriores proyectos puede ser

la mejora de la monitorizacion de la experiencia. Esto se podrıa conseguir aumentando

el numero de variables que se miden actualmente, por ejemplo, al voltaje en el banco

de condenadores e interruptores o la intensidad de corriente que recorre los diferentes

elementos.

Asimismo, serıa interesante mejorar la robustez del equipo de sinterizacion mediante la

inclusion de paredes de materiales ligeros como la fibra de vidrio y el forrado de las mismas

para impedir el dano sobre los condensadores. Otra mejora en esta lınea serıa la sustitucion

de la tapa por una fabricada en fibra de vidrio y que tapara por completo la parte superior

del conjunto, impidiendo cualquier acceso a su interior sin previo desmontaje.

Como punto culmen de la construccion de la torre de caıda libre, se encuentra la reali-

zacion de diferentes pruebas de lanzamiento para evaluar las capacidades de los diferentes

sistemas antes de realizar experiencias con probetas a sinterizar.

Mediante la realizacion de un numero significativo de experiencias de sinterizacion,

serıa posible evaluar con precision las caracterısticas de las piezas construidas mediante

este metodo y someter a las mismas a toda una baterıa de ensayos de caracterizacion.

74


75

CAPITULO 5. CONCLUSIONES

Capıtulo 5

Conclusiones

5.1. Conclusiones

Durante la etapa de simulaciones se obtiene una idea basica que se ha aplicado en

todo el Proyecto. Esta es que los mejores resultados se obtenıan para el caso en el que los

muelles se consideraran como cables infinitamente rıgidos. Este hecho marca los disenos

posteriores que se orientan hacia las ideas de rigidez y compacidad.

Durante el desarrollo del Proyecto, se ha definido por completo el equipo de sin-

terizacion utilizado para realizar el procesado del material. Este equipo dispone de 44

condensadores en paralelo, alcanzando una capacidad total de 1.1mF. Este permite rea-

lizar descargas sobre la probeta de muestras con un voltaje nominal de 800V y muy alta

intensidad (del orden de los 2000A) durante el proceso de descarga, cuya duracion se

encuentra en el torno de los milisegundos.

Para el control de la descarga se dispone de un rele controlado electronicamente me-

diante una placa Arduino que permite asociar el cierre del circuito con las condiciones de

microgravedad deseadas para la realizacion de la descarga.

Asimismo, para la carga de los condensadores se dispone de una estacion de carga

basada en el uso de dos transformadores que transforman la tension de la red electrica

hasta el nivel de tension necesario para cargar el banco de condensadores.

Por otra parte, debido a aspectos externos al desarrollo del proyecto ha sido necesario

modificar el sistema de lanzamiento que inicialmente se pretendıa utilizar para alcanzar las

condiciones de microgravedad deseadas que proporcionan las caracterısticas buscadas en

el material. Inicialmente, se fundamentaba en el uso de las instalaciones de la atraccion “El

Desafıo”, por lo que el montaje se diseno inicialmente para adaptarse a dicha localizacion.

Sin embargo, la imposibilidad de realizar las experiencias en dicha localizacion supuso una

redifinicion desde sus elementos mas basicos para orientar el montaje al desarrollo de una

capsula que pudiera ser utilizada mediante una instalacion de microgravedad.

76

CAPITULO 5. CONCLUSIONES

Tras el analisis de las diferentes posibilidades existentes, se concluye que la mejor op-

cion es la construccion de un montaje de bajo coste en las instalaciones de los Laboratorios

de la Escuela Tecnica Superior de Ingenierıa de Sevilla. Esta torre de caıda libre debe

ofrecer un intervalo de tiempo en condiciones de microgravedad del orden de 1.1 segundos,

utilizando como sistema de frenado una combinacion entre una piscina de poliestireno y

cuerdas que ralenticen la caıda una vez completado el proceso.

Como trabajos fundamentales a realizar en el futuro quedan la definicion completa de

los sistemas de lanzamiento y frenado de la torre de caıda libre. Ası como su implemen-

tacion fısica y la adaptacion del equipo de sinterizacion para su uso combinado.

Ademas, una vez finalizado el proceso descrito, sera necesario la realizacion de un

numero suficiente de pruebas para caracterizar con precision las piezas obtenidas mediante

el metodo.

77

BIBLIOGRAFIA

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79

APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS

Apendice A

Modelos CADs y planos

Para la realizacion del modelo CAD se utiliza un enfoque modular en el cual diferentes

subconjuntos o piezas individuales se van ensamblando en uno mayor, pero cuya comple-

jidad no permite un enfoque mas directo. Se destacan dos conjuntos principales: “Equipo

de sinterizacion” y “Torre de caıda libre”. Estos se ensamblan en en el conjunto superior,

denominado “Montaje principal”.

A.1. Equipo de sinterizacion

Este conjunto engloba todos aquellos elementos necesarios para la realizacion de la sin-

terizacion, desde el banco de condensadores hasta la propia probeta de muestras, ası como

aquellos elementos utilizados para aumentar la resistencia del conjunto como la propia

“Cuna” ya descrita. Es posible observar un esquema completo de los elementos del mismo

en la Figura A.1.

81


Figura A.1: Esquema de elementos del subconjunto “Equipo de Sinterizacion”.

La principal peculiaridad que tiene la representacion grafica de este subconjunto que

se observa en es que se omite la presencia de cables para simplificar el modelo. Ademas,

se han utilizado los colores para resaltar determinadas piezas, por lo que no siempre se

utilizan aquellos similares a los reales. Por otra parte, el resto de elementos se encuentran

representados combinando la fidelidad a la realidad y la practicidad del diseno de la mejor

manera posible. Se puede observar dicha representacion en la Figura A.2.

82


Figura A.2: Renderizado del subconjunto “Equipo de Sinterizacion”.

A.1.1. Condensador

Las dimensiones de los condesadores utilizados vienen desarrolladas con precision en

el documento de especificacion asociado al modelo, por lo que se muestra unicamente

aquı una imagen del modelo CAD utilizado, Figura A.3.

83


Figura A.3: Modelo CAD del elemento “Condensador”.

A.1.2. Base

La unica variacion de esta pieza virtual respecto a la realidad es que se ha representado

el elemento como formado por una unica pieza, mientras que en la realidad el elemento

esta formado por dos placas de aluminio y fibra de vidrio respectivamente que se encuen-

tran pegadas. Se puede observar el modelo CAD en la Figura A.4 y el plano del elemento

en la Figura A.5.

84


Figura A.4: Modelo CAD del elemento “Base”.

85


Fig

ura

A.5

:P

lano

del

elem

ento

“Bas

e”.

86


A.1.3. Pernos

Por motivos de la representacion grafica observada en la Figura A.6 que realiza el

programa CATIA, no se observa la rosca de la que disponen estos pernos a lo largo de

toda su longitud. Sin embargo, esta rosca si se encuentra correctamente representada en

el plano de la pieza, como se observa en la Figura A.7.

Figura A.6: Modelo CAD del elemento “Perno”.

87


Figura A.7: Plano del elemento “Perno”.

88


A.1.4. Cuna

Este elemento se disena como la union soldada de los elementos basicos “Agarre” y

“Riostra”. Son necesarias dos piezas tipo “Agarre” y cuatro piezas tipo “Riostra” para

montar este elemento.

Se unen las riostras a dos a dos formando una cruz y soldando los puntos en los que se

solapan ambas. Estas cruces soldadas se sueldan a su vez en los extremos a los extremos

y los puntos inferiores de las alas verticales de las piezas de “Agarre”, tal y como se puede

observar en la Figura A.8. Los planos de ambas piezas pueden observarse en las Figuras

A.9 y A.10, respectivamente.

Figura A.8: Modelo CAD de la “Cuna”.

89


Fig

ura

A.9

:P

lano

del

elem

ento

“Aga

rre”

.

90


Fig

ura

A.1

0:P

lano

del

elem

ento

“Rio

stra

”.

91


A.1.5. Barras de conexion

El subconjunto denominado como “Barras de conexion” se compone de varios elemen-

tos diferentes:

Barra de cobre. Se necesitan 4 piezas de este elemento. Cada una de las cuales

dispone de 22 taladros roscados con metrica M6 donde se realiza la conexion de los

cables provenientes de los condensadores. En la Figura A.11 se puede observar el

plano de este elemento.

Puente. Se necesitan 2 piezas de este elemento que se describen en la Figura A.12.

Estas piezas se sueldan sobre las barras de cobre en diagonal dos a dos para maxi-

mizar el tamano disponible de la probeta, tal y como se puede observar en la Figura

A.17.

Acople. Este elemento es un prisma fabricado en teflon y que actua de acople entre

diferentes piezas del montaje. Se necesitan 2 piezas de este elemento para montar

el subconjunto.

En primer lugar, dispone de ranuras que lo atraviesan para permitir acoplar las

diferentes barras de cobre; por otra parte, dispone de 4 taladros en su parte inferior

para colocar los pernos que la conectan con la base y, ademas, 5 taladros en su

parte superior para colocar la tapa del conjunto. Estas caracterısticas geometricas

se pueden observar en la Figura A.13. Todas las uniones a este elemento se realizan

mecanicamente, mediante roscas o por simple presion.

Taco aislante. Este elemento esta fabricado en teflon y proporciona aislamiento

electrico entre los elementos “Puente” y las barras de cobre de diferente tension

para evitar la aparicion de arcos electricos y/o derivaciones causadas por la pequena

distancia existente entre dichos elementos. En la Figura A.14 se puede observar el

plano de este elemento.

Soporte fijo. Este elemento se utiliza para permitir el acoplamiento mecanico y

electrico de las probetas de prueba, para ello esta fabricado de cobre y dispone de

un cajeado interior que se puede observar en la Figura A.15.

Se instala mediante soldadura sobre el puente positivo del subconjunto, como se

puede observar en las Figuras A.16 y A.17. La soldadura no se representa para

simplificar el modelo y facilitar la representacion.

92


Fig

ura

A.1

1:P

lano

del

elem

ento

“Bar

rade

cobre

”.

93


Fig

ura

A.1

2:P

lano

del

elem

ento

“Puen

te”.

94


Fig

ura

A.1

3:P

lano

del

elem

ento

“Aco

ple

”.

95


Fig

ura

A.1

4:P

lano

del

elem

ento

“Tac

oai

slan

te”.

96


Fig

ura

A.1

5:P

lano

del

elem

ento

“Sop

orte

fijo

”.

97


En las Figuras A.16 y A.17 se pueden observar, respectivamente, el modelo CAD y el

plano de este subconjunto.

Figura A.16: Modelo CAD del subconjunto “Barras de conexion”.

98


Fig

ura

A.1

7:P

lano

del

sub

conju

nto

“Bar

ras

de

conex

ion”.

99


A.1.6. Tapa

Este elemento se situa sobre las barras de conexion y se destina a ser la base sobre la

que se instala el soporte de la probeta, el enchufe para la conexion a los transformadores y

el conjunto de sensores y placa de control. El modelo CAD de la misma se puede observar

en la Figura A.18.

Para ello dispone de 6 taladros a traves de los cuales se insertan tornillos para asegurar

su union con las barras de teflon. Ademas, para garantizar el aislamiento y reducir las

vibraciones que se transmiten a la probeta se dispone de 4 tacos de goma atornillados en

las esquinas. El posicionado de los mismos se puede observar en la Figura A.19.

Figura A.18: Modelo CAD del elemento “Tapa”.

100


Fig

ura

A.1

9:P

lano

del

elem

ento

“Tap

a”.

101


A.1.7. Montaje de la probeta

El “Montaje de la probeta” constituye otro subconjunto formado por diversos elemen-

tos unidos, cuyo esquema de conexion se puede observar en la Figura A.20. Ademas, en

la Figura A.21 se puede observar un recreacion del conjunto completo.

Figura A.20: Esquema de elementos del subconjunto “Montaje de la probeta”.

Soporte movil. Esta pieza es un prisma rectangular de teflon para permitir la union

con los elementos “Conector probeta” y “Soporte tirador”. Esta pieza se puede

desplazar longitudinalmente n la misma direccion que el “Tirador” siguiendo la

guıa de la “Base en U”. En la Figura A.22 se puede observar un plano de la misma.

Conector de la probeta. Dentro de este elemento se distinguen varias piezas encami-

nadas a proporcionar rigidez al conector de la probeta y conexion mecanica con el

“Soporte movil”. Ademas de conexion electrica con los condensadores a traves del

cable que se introduce en el tubo de cobre.

Soporte del tirador. Esta pieza permite la conexion entre el “Tirador” y el “Soporte

Movil”. Permitiendo modificar la distancia entre los conectores de la probeta para

su manipulacion.

Tirador. Esta pieza actua como un tornillo sin fin que, mediante su rotacion, permite

desplazar las diferentes piezas en la direccion de su eje.

Base en U. Esta pieza actua como la base de este montaje, permitiendo la union del

mismo con la “Tapa” del conjunto completo y guiando el movimiento del soporte

movil.

102


Tornillos de fijacion. Se utilizan dos piezas como esta para fijar el “Soporte del

tirador” y el “Conector de la probeta” al “Soporte movil”.

Figura A.21: Modelo CAD del subconjunto “Montaje de la probeta”.

103


Fig

ura

A.2

2:P

lano

del

elem

ento

“Sop

orte

mov

il”.

104


A.2. Torre de caıda libre

Este conjunto se utiliza como elemento auxiliar para la definicion preliminar de la

torre de caıda libre. Es por ello que tiene un nivel de detalle reducido y carece de ele-

mentos importantes como el sistema de lanzamiento, ya que todavıa no ha sido definido

por completo. Dentro de este conjunto se ello engloban elementos principales como el

“Contenedor” y los elementos auxiliares “Techo”, “Pared” y “Suelo”.

El esquema de elementos de este subconjunto se puede observar en la Figura A.23.

Por otra parte, en la Figura A.24, se tiene una imagen del modelo CAD de los elementos

que pertenecen unicamente a este conjunto.

Figura A.23: Esquema de elementos del conjunto “Torre de caıda libre”.

105


Figura A.24: Esquema de elementos del conjunto “Torre de caıda libre”.

A.2.1. Contenedor

Este subconjunto reune todos los elementos utilizados para la fabricacion del mismo.

El objetivo del mismo es contener el poliestireno utilizado como freno antes, durante y tras

la realizacion del ensayo. Ademas, debe ser capaz de contener el equipo de sinterizacion

suponiendo que se sumergiera completamente en la piscina de poliestireno.

Para fabricar este elemento se utilizan tres paneles cuadrados de contrachapado con

medidas estandar de 1220 mm de lado y 5 mm de espesor. Estos paneles se unen dos a dos

utilizan tres bisagras que permiten que el conjunto ofrezca un elevado margen de holgura

y se pueda desmontar con facilidad de cara al almacenaje.

En la Figura A.25 se puede observar una imagen digital de este subconjunto.

106


Figura A.25: Modelo CAD del subconjunto “Contenedor”.

A.3. Montaje completo

Este es el conjunto superior del sistema y constituye la union entre los conjunto “Equi-

po de Sinterizacion” y “Torre de caıda libre”. Se utiliza principalmente como maqueta

digital para evaluar posibles problemas que pudieran surgir durante las fases de prepara-

cion, lanzamiento y recogida.

En la Figura A.26 se puede observar una reproduccion digital del conjunto ya montado.

107


Figura A.26: Renderizado del montaje completo.

108


109

APENDICE B. ADQUISICION DE DATOS

Apendice B

Adquisicion de datos

B.1. Proposito del programa

Este programa se encarga de varias funciones fundamentales:

Obtiene la informacion de aceleracion en la direccion de caıda del cuerpo.

Determina cuando se alcanzan las condiciones de caıda libre.

Calcula una senal de aceleracion hıbrida de ambos sensores para reducir el ruido.

Almacena la informacion en una tarjeta microSD para su posterior analisis.

El circuito:

Acelerometro 1

• Alimentado a 3.3 V y con conexion a GND.

• Salida del eje X conectada al pin 0.

Acelerometro 2


• Salida del eje X conectada al pin 1.

Shield microSD


• Pin MIS0(D0) conectado al pin 50.

• Pin M0SI(D1) conectado al pin 51.

• Pin SCLK conectado al pin 52.

• Pin CS conectado al pin 53.

110

/*

ArduinoPFC v1.0

*/

#include < SD.h> // Compila el set de funciones para el manejo

// de tarjetas SD y microSD.

const int chipSelect = 53; // Se corresponde con el pin CS del

// Shield microSD

const int acel_1 = A1; // Pin de acel_X del acelerómetro 1

const int acel_2 = A2; // Pin de acel_X del acelerómetro 2

const int rele = A3; // Pin de control del relé

const int led = 13; // Pin del LED

void setup ()

// Define el pin del LED como OUTPUT

pinMode (led, OUTPUT );

// Inicia las comunicaciones tipo Serie y espera que el

// puerto Serie se abra

Serial .begin (9600);

while (!Serial )

; // Espera al puerto Serie para conectarse

Serial .print ("Inicializando tarjeta SD ..." );

pinMode (53, OUTPUT ); // Requisito para que funcione el protocol

// de transmisión SD

// Comprueba si la tarjeta se encuentra insertada y puede ser

// inicializada

if (!SD.begin (chipSelect))

// Detección de fallo en la tarjeta SD

digitalWrite (led, HIGH); // Enciende el LED integrado

return ; // Detiene la ejecución del programa

void loop()


B.2. Codigo del programa

111

// Se construye una cadena de caracteres vacía para rellenarla

// con los datos:

String dataString = "";

// Lectura de los sensores

int dato1 = analogRead (acel_1);

int dato2 = analogRead (acel_2);

// Combina las medidas para reducir error

int medida = (dato1 + dato2)/2;

// Verificación de condición de caída libre

// El valor 285 proviene de la calibración de los acelerómetros

if (medida<285)

pinMode (rele, OUTPUT );

dataString += String (medida);

// Abre el archivo de LOG.

File dataFile = SD.open("datalog.txt" , FILE_WRITE );

// Escribe en el archivo

if (dataFile)

dataFile.println (dataString);

dataFile.close ();


112

proyecto n de carrera para la consecuci on del t tulo...

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