Resumen. Abstract INTRODUCCIÓN.

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1 METODOLOGÍA PARA SELECCIÓN DE MATERIALES EN INGENIERÍA MECATRÓNICA, William E. Diaz Moreno, Universidad Militar Nueva Granada Nelson F. Velasco Toledo, Universidad Militar Nueva Granada Resumen Durante el proceso de diseño en ingeniería, uno de los puntos críticos es la selección de los materiales para la construcción de prototipos. En el presente artículo se examinan tres de las técnicas más comunes para seleccionar los materiales de ingeniería y se describe el enfoque metodológico en la implementación de un exoesqueleto para miembros inferiores. Abstract INTRODUCCIÓN. La ingeniería mecatrónica se entiende como la combinación sinergética de varias disciplinas de la ingeniería como la electrónica, la mecánica y la tecnología informática. El componente mecánico es el principal encargado de ejecutar el movimiento además de ser la estructura o soporte de los demás componentes; para el desarrollo de dispositivos mecatrónicos, la selección de los materiales y los procesos para transformar esos materiales en las partes móviles o estructurales del sistema, es uno de los pilares que garantizan el correcto funcionamiento del componente mecánico diseñado. Lo anterior obliga a que ese proceso de selección de los materiales deba seguir una metodología rigurosa, que permita lograr un diseño con elevados estándares de calidad mientras que los costos de diseño, fabricación, operación y mantenimiento del dispositivo permitan mantener los niveles de competitividad del desarrollador. Un ingeniero o diseñador busca el material ideal para los elementos diseñados, ese material debe cumplir con características como, disponibilidad para su remplazo, económico, rígido, dimensionalmente estable a diferentes temperaturas, liviano, resistente a la corrosión y al desgaste, que no tenga efectos sobre el medio ambiente o las personas [9]. El cumplimiento total de los requerimientos hace que el diseñador o ingeniero tenga dificultad en seleccionar el material ideal. Por esto es que se usan métodos no tan exactos, que permiten realizar una aproximación del material para la aplicación. La selección del tipo de material para una aplicación determinada, es una etapa fundamental dentro del diseño conceptual[7], en la cual se establecen el tipo y magnitud de los esfuerzos aplicados y la forma geométrica [8] entre otras variables. La mayoría de métodos parten de la disponibilidad de una amplia variedad de

2 materiales para las cuales se entra a analizar las propiedades exigidas por el elemento a diseñar y fabricar, criterios como disponibilidad, facilidad de obtención, vida de servicio, factores ambientales y costos, entre otros. Dentro del esquema mencionado se tiene el método tradicional donde el diseñador escoge el material más adecuado, con base en la experiencia con partes que tiene una función similar [1]. Este método tiene buena aceptación ya que se tiene seguridad a la hora de seleccionar sobre la base de múltiples pruebas. El uso de este método, conduce a serios problemas ya que se deja de un lado el estudio del ambiente de trabajo [2] lo cual puede ser decisivo a la hora de seleccionar el material. El método gráfico se apoya en mapas de materiales [3], sobre ellos se puede realizar una aproximación a la selección del material teniendo como base las relación de las propiedades más sobresalientes que debe poseer el elemento a diseñar o fabricar. Usualmente las propiedades más utilizadas son el módulo elástico y la densidad como se puede observar en la gráfica # 1. En estos mapas, más conocidos como diagramas de Ashby [4], se seleccionan propiedades como resistencia, módulo elástico, densidad, tenacidad, conductividad térmica y costos. Gráfica # 1 Diagrama de Ashby La selección del material adecuado por medio de este método, requiere además de cálculos de resistencia y aplicación de análisis de fallas [5] de acuerdo a los esfuerzos aplicados en el elemento. Con esto se logra una preselección que da paso a la selección definitiva teniendo en cuenta otros criterios de selección como costo, disponibilidad del material, efectos ambientales, etc. Otro enfoque se basa en la utilización de bases de datos de propiedades de materiales de ingeniería. De ellas existe una gran variedad disponible en textos e internet, las cuales son el resultado de investigaciones con ensayos de materiales [6]. Una base de datos que ha obtenido gran reconocimiento gracias a la cantidad de datos y variedad de materiales que maneja, puede ser consultada en 1. MATERIALES Y METODOS. Teniendo en cuenta el número de factores que afectan la selección de materiales, el diseñador o ingeniero determina cuales son las propiedades más relevantes y con base en ellas se hace la selección Aplicación en el exoesqueleto.

3 Durante el diseño y construcción de un exoesqueleto para miembros inferiores, se tuvo en cuenta el tercer método (método con ayuda de base de datos) para la selección de los materiales adecuados a la hora de su fabricación. Teniendo en cuenta criterios como disponibilidad del material, resistencia mecánica, su peso, que sean resistentes a la corrosión y que no tengan efectos sobre el medio ambiente o las personas. Para el diseño y construcción del exoesqueleto, se propusieron como materiales los siguientes acrílicos (polímeros), fibra de vidrio y fibra de carbono (materiales compuestos), aluminio y acero (metales y aleaciones). Tomando como referencia propiedades mecánicas de los materiales como: resistencia a la flexión, cizallamiento, torsión, dureza y densidad del material. Se realizó una tabla comparativa de las propiedades mecánicas de los materiales preseleccionados como se puede observar en las tablas # 1, luego de comparar cada uno de los materiales y con base en el diseño [10] propuesto se realizaron simulaciones mediante análisis por elementos finitos para determinar las cargas soportadas por la piezas. Tabla # 1 Propiedades mecánicas del los materiales preseleccionados [11] PROPIEDAES MECANICAS DE LOS MATERIALES. Material Peso Resistencia a la torsión Resistencia a la flexión Resistencia a la compresión Limite elástico Limite de elongación Dureza Aluminio puro % 10 HB Aluminio aleado % 15 HB Acero % 131 HB Fibra de carbono Fibra de vidrio %

4 Acrílico Rockwell Luego de ver cada una de la propiedades mecánicas de los materiales se realizó una comparación entre las ventajas y desventajas de cada material previamente preseleccionados, Luego se realizó un proceso de ponderación de cada uno de los criterio de selección tomando (1) como el mas relevante y (0) el menos relevante, a parte de esto se realizó una calificación de cada uno de los materiales para ver si cumplía con los criterios de selección establecidos, esta calificación va en una escala de 1 a 5 donde (1) no cumple el criterio y (5) cumple el criterio a satisfacción. Esta ponderación se realiza con el fin de seleccionar el material más adecuado para cada una de las partes del exoesqueleto para miembros inferiores, la ponderación se realizó con una sumatoria del producto entre el dato de la ponderación y la escala de calificación de cada uno de los materiales a seleccionar como se puede observar en la tabla # 2. Tabla # 2 Ponderación de cada uno de los materiales a seleccionar Criterio de selección Ponderación Aluminio Acero Acrílico Fibra de vidrio Fibra de carbono Esfuerzos mecánicos Esfuerzo a fatiga Toxicidad Peso Reciclabilidad Costo Disponibilidad del material Total de la

5 ponderación. Al analizar la tabla # 3, a pesar de que el acero tiene mejores propiedades mecánicas que el aluminio se escoge como material adecuado, para la realización de los eslabones que representan el fémur y el peroné, el aluminio, gracias a un parámetro de diseño como lo es el peso de la estructura y su facilidad al mecanizar. Teniendo en cuenta la ponderación realizada, se puede observar que le material más adecuado para la fabricación de la cadera, el soporte del sistema embebido y las laminas que simulan el muslo y la pantorrilla es la fibra de vidrio, pero debido a su difícil manipulación, no se considera este material para estas partes. A pesar de que el segundo material que mejo6r cumple los criterios de selección es la fibra de carbono, no se escogió debido a su difícil adquisición y a su elevado costo en la industria. Entonces como material para la construcción de las partes ya mencionadas se escogió el acrílico, a pesar de que no cumple con algunos de los criterios de selección es un material adecuado para la realización de estas partes, ya que estas no están sometidas a grandes esfuerzos, su densidad es baja y tiene un bajo costo. 2. RESULTADOS. Teniendo en cuenta que al aplicar fuerzas externas o cargas a los elementos estos presentan tensiones internas llamadas esfuerzos, los cuales crean deformaciones en la estructura es decir cambios en el tamaño y forma que puedan superar el límite elástico del material y así ocasionar una falla en el mismo. Al realizar un análisis por elementos finitos, gracias a la teoría de Von Misses se puede observar la distribución de las cargas, deformaciones y desplazamientos que presenta cada elemento diseñado, estas simulaciones se realizaron por medio del programa SOLIDWORKS. 2.1 Análisis de cargas y esfuerzos de los elementos. Para el análisis de la pantorrilla o peroné se tuvo en cuenta las sujeciones en las ranuras, la fuerza de gravedad y la masa que soporta desde la cadera, luego se definió un factor de seguridad de 1.5, para someter la estructura a una mayor carga, teniendo como resultados una tensión máxima de y un desplazamiento máximo de e-005 mm., en la grafica # 2 se puede observar las restricciones que se tuvieron en cuenta.

6 Para la representación del muslo o fémur, se tiene en cuenta la torsión que hace el movimiento de la cadera por medio de un rodamiento, como parámetros para el análisis se tiene: las sujeciones en las ranuras, la gravedad, el peso de la cadera y la pantorrilla o peroné, para poder aplicar la fuerza en las perforaciones y se le colocó un factor de seguridad de 1.5, teniendo como resultados una tensión máxima de , un desplazamiento máximo de mm y una deformación unitaria de , en la gráfica # 3 se puede observar las restricciones que se tuvieron en cuenta. Para representación de la cadera, se tiene en cuenta la torsión la torsión que hace el movimiento rotacional de la cadera junto al muslo, como parámetros para el análisis se tiene: sujeciones en las ranuras, el peso del elemento y se coloco un factor de seguridad de 1.5, teniendo como resultados una tensión máxima de , un desplazamiento máximo de mm y una deformación unitaria de ,, en la gráfica # 4 se puede observar las restricciones que se tuvieron. Para los eslabones que representan el fémur y el peroné, se tiene en cuenta la torsión que realiza el movimiento rotacional de la rodilla, como parámetros para el análisis se tiene: las sujeciones en las perforaciones donde entran los tornillos prisioneros, la gravedad, y el peso que soporta de la cadera, se coloco un factor de diseño de 1.5, teniendo como resultados una tensión máxima de , un desplazamiento máximo de mm y una deformación unitaria de , en la gráfica # 5 se puede observar las restricciones que se tuvieron en cuenta. Para el soporte del sistema embebido que consta de dos partes las cuales van unidas por medio de unas (L) fabricadas en acrílico gracias a sus propiedades termoformables. Para el primero se tuvo en cuenta el peso del sistema embebido y las sujeciones en las perforaciones. De esta manera se tiene un valor máximo de tensión de , un desplazamiento máximo de mm y una deformación unitaria de , en la gráfica # 6 se puede observar las restricciones que se tuvieron en cuenta. Por ultimo se analizó el cuadrante hueco en aluminio, que tiene como parámetros las sujeciones en los huecos donde entran los tornillos avellanados, la gravedad, el propio peso del elemento se coloco un factor de seguridad de 1.5. De esta manera se tiene un valor máximo de tensión , un desplazamiento máximo de mm y una

7 deformación unitaria de , en la gráfica # 7 se puede observar las restricciones que se tuvieron en cuenta. Como ya se ha visto en cada uno de los elementos analizados, no se pasa del límite elástico y a la resistencia de fluencia lo que quiere decir que los materiales seleccionados, sirven para la construcción de cada una de las piezas del exoesqueleto en su forma pasiva. las gráficas que se mencionan acá están en la ultima página antes de las conclusiones y referencias