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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
3.3. Aceleracion medida e interpolada en el ciclo Short Jojo A en el intervalo
[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
3.6. Aceleracion medida e interpolada en el ciclo Short Jojo A en el intervalo
[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
CAPITULO 1. INTRODUCCION
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
CAPITULO 1. INTRODUCCION
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
CAPITULO 1. INTRODUCCION
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
CAPITULO 1. INTRODUCCION
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
CAPITULO 1. INTRODUCCION
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.
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CAPITULO 2. BASES TEORICAS
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
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CAPITULO 2. BASES TEORICAS
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
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CAPITULO 2. BASES TEORICAS
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
CAPITULO 2. BASES TEORICAS
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
CAPITULO 2. BASES TEORICAS
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
CAPITULO 2. BASES TEORICAS
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
CAPITULO 2. BASES TEORICAS
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
CAPITULO 2. BASES TEORICAS
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
CAPITULO 2. BASES TEORICAS
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
CAPITULO 2. BASES TEORICAS
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
CAPITULO 2. BASES TEORICAS
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
CAPITULO 2. BASES TEORICAS
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
CAPITULO 2. BASES TEORICAS
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
CAPITULO 2. BASES TEORICAS
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
CAPITULO 2. BASES TEORICAS
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
CAPITULO 2. BASES TEORICAS
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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.
Figura 3.3: Aceleracion medida e interpolada en el ciclo Short Jojo A en el intervalo [76
- 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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
(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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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.
Figura 3.6: Aceleracion medida e interpolada en el ciclo Short Jojo A en el intervalo [79
- 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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
(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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
(a) Vista isometrica.
(b) Vista en planta.
Figura 3.14: Modelo CAD del banco de condensadores en configuracion hexagonal.
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CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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:
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CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
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CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
67
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
Figura 3.35: Perfiles simulados de aceleracion, velocidad y posicion respecto del tiempo
70
CAPITULO 3. EXPERIMENTACION
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
CAPITULO 4. DISCUSION
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
CAPITULO 4. DISCUSION
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
CAPITULO 4. DISCUSION
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
80
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
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
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
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
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
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
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
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
Figura A.4: Modelo CAD del elemento “Base”.
85
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
Fig
ura
A.5
:P
lano
del
elem
ento
“Bas
e”.
86
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
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
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
Figura A.7: Plano del elemento “Perno”.
88
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
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
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
Fig
ura
A.9
:P
lano
del
elem
ento
“Aga
rre”
.
90
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
Fig
ura
A.1
0:P
lano
del
elem
ento
“Rio
stra
”.
91
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
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
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
Fig
ura
A.1
1:P
lano
del
elem
ento
“Bar
rade
cobre
”.
93
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
Fig
ura
A.1
2:P
lano
del
elem
ento
“Puen
te”.
94
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
Fig
ura
A.1
3:P
lano
del
elem
ento
“Aco
ple
”.
95
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
Fig
ura
A.1
4:P
lano
del
elem
ento
“Tac
oai
slan
te”.
96
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
Fig
ura
A.1
5:P
lano
del
elem
ento
“Sop
orte
fijo
”.
97
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
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
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
Fig
ura
A.1
7:P
lano
del
sub
conju
nto
“Bar
ras
de
conex
ion”.
99
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
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
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
Fig
ura
A.1
9:P
lano
del
elem
ento
“Tap
a”.
101
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
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
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
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
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
Fig
ura
A.2
2:P
lano
del
elem
ento
“Sop
orte
mov
il”.
104
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
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
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
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
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
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
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
Figura A.26: Renderizado del montaje completo.
108
APENDICE A. MODELOS CADS Y PLANOS
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
• Alimentado a 3.3 V y con conexion a GND.
• Salida del eje X conectada al pin 1.
Shield microSD
• Alimentado a 3.3 V y con conexion a GND.
• 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()
APENDICE B. ADQUISICION DE DATOS
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 ();
APENDICE B. ADQUISICION DE DATOS
112
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