RESUMEN EJECUTIVO MODULO 1. ASPECTOS GENERALES SOBRE LA INNOVACIÓN Y EL DESARROLLO TECNOLÓGICO DESARROLLADOS 1.1 Información General sobre el Proyecto Titulo del Proyecto: Desarrollo de anillos de fibra de carbono para sistemas de fijación externa Código concedido por COLCIENCIAS 1106-452-21043 CT 511-2008 Empresa que desarrolla el proyecto Universidad del Valle Otras entidades participantes en el desarrollo del proyecto. 1.2 Tipo de Innovación o Desarrollo Tecnológico Realizado Una innovación del proyecto es el diseño y construcción de la máquina para fabricar piezas por el método de enrollado de hilos puesto que anteriormente no se habían producido máquinas de este tipo en el país. Su sencillez y costo relativamente bajo es un desarrollo importante del proyecto. El proceso de fabricación de estos anillos fibroreforzados es muy sencillo puesto que se trata de enrollar la fibra impregnada de resina sobre un molde rotatorio (Figura 1). Este proceso de fabricación tiene la desventaja de orientar las fibras en una sola dirección; a pesar de lo anterior, las propiedades del anillo resultaron satisfactorias.
Figura 1. Proceso de fabricación de los anillos Los anillos de fibra de carbono desarrollados en este proyecto cuentan con las propiedades mecánicas suficientes para ser utilizados en sistemas de fijación externa. Pruebas de compresión en dirección radial mostraron que los anillos de fibra de carbono tienen mayor rigidez que un anillo de acero inoxidable clásicamente utilizado en fijadores externos. En la Figura 2 se muestra la comparación de rigidez entre anillos de fibra de carbono fabricados con tensión de 6 y 20 N y temperatura de curado 30ºC y 65ºC con un anillo de acero inoxidable. Figura 2. Rigidez de anillos de fibra de carbono y acero inoxidable Otra innovación importante, producto de este proyecto, es el método de ensamble entre los anillos y los demás elementos del fijador como alambres y barras. Este ensamble se realizó mediante prensas las cuales se fijan al anillo y a su vez sujetan los alambres que fijan los fragmentos de hueso y las barras que unen los anillos entre sí o los otros fragmentos de hueso. En la Figura 3 se muestra un esquema del ensamble. Tornillos convencionales sirven para unir las dos partes de la prensa y apretarlas contra el anillo.
La sección trapezoidal del anillo evita el giro o deslizamiento de la prensa. Figura 3. Esquema del ensamble entre anillos prensas barras y alambres 1.3 Cumplimiento de los Objetivos Generales El objetivo general de este proyecto es Desarrollar anillos de materiales fibroreforzados con fibra de carbono para ser utilizados en sistemas de fijación externa. Este desarrollo incluye además el diseño, la construcción y la evaluación de equipo necesario para su producción. Este objetivo se ha cumplido en su totalidad puesto que se diseñaron construyeron y evaluaron anillos para sistemas de fijación externa. La evaluación mecánica de los anillos (Figura 2) mostró que estos anillos tienen propiedades mecánicas suficientes para desempeñarse en un sistema de fijación externa. Para la construcción de estos anillos se desarrollo la máquina y el proceso detallado de fabricación. En la Figura 4 se muestra la máquina construida. Figura 4. Máquina para construir anillos de fibra de carbono
1.4 Cumplimiento de los objetivos específicos A continuación se describen cada uno de los objetivos del proyecto y se detalla su grado de cumplimiento: 1.4.1 Desarrollar un equipo para la construcción de anillos de fibra de carbono con base en el proceso de enrollamiento de hilos o cintas. Este desarrollo incluye diseño, construcción, calibración, puesta en marcha y preparación de la documentación. En la Figura 4 se muestra la máquina diseñada y construida. Se realizaron pruebas preliminares utilizando fibra de vidrio, para la calibración y puesta en marcha de la máquina como se muestra en la Figura 5. La documentación técnica del equipo la constituyen los planos y los manuales de mantenimiento y de operación que fueron redactados. Figura 5. Primeras piezas construidas con fibra de vidrio. 1.4.2 Producir anillos fibroreforzados para evaluar su rigidez, resistencia y calidad para determinar la viabilidad de ser utilizados en pruebas clínicas. Esta producción incluye el análisis de parámetros de construcción para mejorar la calidad del producto. En la Figura 2 se muestra la rigidez de los anillos en función de los parámetros de construcción (tensión de la fibra y temperatura de curado) al comparar esa rigidez con la de un anillo de acero inoxidable se encontró que la del fibroreforzado era mayor. Al evaluar la resistencia del anillo fibroreforzado mediante prueba de compresión a carga radial se encontró una caga de ruptura de 7000 N la cual es mucho mayor que la carga a la que están sometidos los anillos en un fijador externo. Por lo anterior se encontró que los anillos fabricados son viables para ser utilizado en fijadores externos. 1.4.3 Generar modelos computacionales para simular el comportamiento mecánico de los anillos construidos. Se utilizó un modelo estático lineal de capas ortotrópicas con el programa de elementos finitos ANSYS R12 para estudiar el comportamiento mecánico de los anillos como se
muestra en la Figura 6. En el caso de los anillos de material compuesto se utilizaron elementos tipo SOLID186 para formar 5 capas por elemento en la dirección radial. Debido a la incompleta información técnica entregada por los proveedores de materiales sobre las propiedades mecánicas de la resina y las fibras, los modelos fueron alimentados con datos calculados empleando las propiedades mecánicas promedio de la resina y las fibras reportadas en la literatura técnica. Además del anterior, se desarrollo un modelo basado en la teoría de vigas curvas, para calcular las deflexiones del anillo. Estos modelos sirvieron para dimensionar los anillos a construir en este proyecto. Figura 6 1.4.4 Generar tecnología nacional para producir materiales modernos de ingeniería como son los fibroreforzados. Este objetivo fue cumplido al poner en marcha la máquina la cual es capaz de producir piezas en material fibroreforzado por el método de enrollado de hilos como se muestra en la Figura 5. 1.5 Obtención de los resultados esperados En cuanto a formación de personal, se esperaba que el proyecto contribuyera con la formación de un estudiante de maestría y dos estudiantes de pregrado en Ingeniería Mecánica. Este resultado fue obtenido satisfactoriamente. Un estudiante de maestría realizó su trabajo de grado el cual consistió en el desarrollo y evaluación de los anillos; el titulo de su trabajo de grado es Evaluación y análisis de anillos de fibra de carbono para sistemas de fijación externa. Un estudiante de pregrado realizó como trabajo de grado el diseño y construcción de la máquina de construir anillos; este estudiante finalizó sus estudios de pregrado con el trabajo titulado Diseño y construcción de una máquina para fabricar piezas en fibra de carbono en forma
de sólidos de revolución. Otro estudiante de pregrado realizó el diseño construcción y evaluación de unas barras para fijador externo construidas en fibra de carbono; el titulo de su proyecto de grado es Diseño, construcción y evaluación de un riel con material compuesto FC/EP para un fijador externo de transporte óseo. En lo referente a publicaciones, los resultados esperados eran un artículo en revista y tres trabajos de grado. Se redactó una artículo titulado Desarrollo de una máquina de embobinado de hilos para construir elementos estructurales utilizando material fibro-reforzado el cual se encuentra en evaluación en la revista Ingeniería e Investigación de la Universidad Nacional de Colombia. Los tres trabajos de grado fueron los obtenidos por los estudiantes de maestría y pregrado descritos en el párrafo anterior. Otros resultados esperados fueron la presentación de dos ponencias, un prototipo de máquina para construir anillos y un anillo. Se realizó una ponencia en la IX semana de la Ingeniería V simposio de investigaciones realizado entre el 23 y 27 de noviembre de 2009 en la Universidad del Valle. El titulo de la ponencia fue Diseño y construcción de una máquina para la fabricación de piezas de revolución con material compuesto. Se presentó una ponencia en el Primer congreso nacional de ciencia e ingeniería en materiales realizado entre el 15 18 de febrero de 2010 en la Benemerita Universidad Autónoma de Puebla (México). El titulo de la ponencia fue Desarrollo de anillos de fibra de carbono para sistemas de fijación externa. El prototipo de máquina es el mostrado en la Figura 4 y se construyeron más de 24 anillos para la evaluación individual y ensamblados en fijadores. En la Figura 7 se muestran algunos anillos. Lo anterior muestra que los resultados esperados fueron cumplidos. Figura 7. Anillos de fibra de carbono.
1.6 Logro de los Impactos planteados El primer impacto esperado era Apropiación de tecnología de elaboración de anillos con sus respectivas pruebas de calidad. Este impacto fue alcanzado al lograr construir exitosamente anillos con fibra de carbono. El procedimiento de fabricación se consigno en una guía o manual para la elaboración de anillos el cual se encuentra en el documento de trabajo de grado Diseño y construcción de una máquina para fabricar piezas en fibra de carbono en forma de sólidos de revolución de Nilson Dosman El segundo impacto fue la máquina de fabricar anillos la cual es mostrada en la Figura 4. Esta máquina está ubicada en el edificio 351 de la Universidad del Valle y fue el equipo precursor para formar el laboratorio de materiales fibroreforzados y pruebas mecánicas de la Escuela de Ingeniería Mecánica. El siguiente impacto planteado fueron los prototipos de anillos mostrados en la Figura 7 y que actualmente se encuentran en el laboratorio materiales fibroreforzados y pruebas mecánicas. Finalmente otro impacto esperado fue introducir al país la metodología de elaboración y evaluación de anillos para fijadores externos la cual se encuentra descrita en el documento de trabajo de grado de maestría Evaluación y análisis de anillos de fibra de carbono para sistemas de fijación externa realizado por el estudiante Jimmy Penagos 1.7 Apego a la metodología El desarrollo del proyecto se realizó de acuerdo a la metodología planteada inicialmente. La máquina se para que fuera capaz de producir anillos y otras piezas de fibra de carbono por el método de embobinado de hilos o cintas como inicialmente se planteo. Los parámetros de diseño y operación de la máquina fueron tomados de la literatura inicialmente citada. La metodología de ensayo de los anillos y fijadores se realizó utilizando las pruebas propuestas inicialmente. 1.8 Cumplimiento del Cronograma Al mes 17 del proyecto se han realizado las publicaciones y se hace entrega del presente reporte después de haber cumplido con todos los objetivos y compromisos del proyecto. También se ha ejecutado en su totalidad el presupuesto del proyecto. Lo anterior es acorde con el cronograma inicialmente planteado a 18 meses. Existe una demora en la entrega de una materia prima (fibra de carbono marca Torayca) y una tarjeta de adquisición de datos National Instruments proveniente de Estados Unidos.
1.9 Divulgación de los desarrollos realizados En el numeral 1.5 de este documento se describen dos ponencias (una nacional y otra internacional) y un artículo que fue presentado a la revista Ingeniería e Investigación de la Universidad Nacional. 1.10 Relación sector académico-investigativo con la empresa 1.11 Resultados o impactos adicionales a los planteados en un inicio Como resultado de la ejecución de este proyecto se evidenció la dificultad que existe en nuestro país para conseguir fibra de carbono incluso si se dispone de los recursos económicos para comprarla, puesto que existen restricciones para su libre comercialización ya que este producto tiene aplicaciones militares. Por lo anterior se planteo un proyecto presentado a la convocatoria 503 de Colciencias con el cual se pretende desarrollar la primera etapa de la producción de fibra de carbono. 1.12 Inconvenientes presentados en el desarrollo del proyecto El principal inconveniente fue la dificultad para conseguir fibra de carbono. Inicialmente los proveedores no estaban dispuestos a vender pequeñas cantidades de producto. Cuando un proveedor se mostró dispuesto a vender, tuvo que realizar un trámite que duró aproximadamente tres meses para obtener la licencia de exportación por parte del gobierno de Estados Unidos. Finalmente en enero de 2010 se tuvo la licencia y se solicitó la compra ante la Vicerrectoría de Investigaciones sin que hasta el momento se haya adquirido efectivamente el producto MODULO 2. IMPACTOS DEL PROYECTO 2.1 Impactos tecnológicos del proyecto En este proyecto no se desarrolló un nuevo producto. Lo que se hizo fue producir localmente un producto ya existente en otros países. Los anillos para sistemas de fijación externa desarrollados en el presente proyecto tiene una mejora con respecto a los existentes en cuanto a su proceso de fabricación el cual es más sencillo y por tanto más económico que los anteriormente existentes.
2.1.1 Desarrollo de nuevos productos o mejoramiento sustancial de los existentes anteriormente 2.1.2 Desarrollo de nuevos procesos o mejoramiento sustancial de los existentes anteriormente 2.1.3 Desarrollo o implantación de tecnologías modernas de gestión 2.1.4 Registro de patentes 2.1.5 Ventas de tecnología por parte de la empresa 2.1.6 Consolidación de la infraestructura de innovación y desarrollo tecnológico de la empresa Se consolido el Laboratorio de Materiales Fibroreforzados y pruebas mecánicas de la Escuela de Ingeniería Mecánica el cual está ubicado en el edificio 351 espacio 1002. 2.1.7 Formación de Recursos Humanos Además de los estudiantes que realizaron su trabajo de grado en el proyecto, descritos en el numeral 1.5, otros tres estudiantes de pregrado han trabajado como monitores y han aprendido el manejo de la máquina y el manejo de materiales fibroreforzados. Están además los tres estudiantes de maestría y tres de pregrado que el segundo semestre de 2009 tomaron el curso Elasticidad Aplicada donde se dictó el tema de mecánica de materiales fibroreforzados. 2.1.8 Fortalecimiento de la Capacidad Tecnológica Regional, Sectorial y de la Cadena Productiva 2.1.9 Otros impactos tecnológicos no considerados anteriormente 2.2 Impactos del proyecto sobre la Competitividad de la Empresa 2.2.1 Penetración de mercados internacionales
2.2.2 Obtención de certificaciones, acreditaciones y sellos de producto 2.2.3 Incremento de la productividad de la empresa 2.2.4 Sustitución de Importaciones 2.2.5 Desarrollo de Proveedores 2.2.6 Mejoramiento de servicio al cliente 2.2.7 Mejoramiento de los parámetros de calidad de los productos y/o servicios de la empresa 2.2.8 Establecimiento de alianzas estratégicas 2.2.9 Impactos sobre los indicadores de gestión de la empresa 2.2.10 Otros impactos sobre la competitividad de la empresa no especificados anteriormente 2.3 Impactos sociales del proyecto 2.3.1 Generación de Empleo 2.3.2 Disminución del impacto al medio ambiente 2.3.3 Mejoramiento de las condiciones de trabajo de los empleados 2.3.4 Mejoramiento de la calidad de vida de la sociedad en general