2.5.1 Análisis numérico

En esta parte se lleva a cabo el desarrollo numérico, es decir se encuentra el esfuerzo máximo Von Mises y esfuerzo de corte en el modelo de la prótesis sometido a una carga de 2200N, aplicando el Método del Elemento Finito resuelto por el paquete computacional ANSYS 10.0. [6] El modelo se discretizó con el elemento Solid 95 de 20 nodos, el número de elementos es 17550 y 90232 nodos como se muestra en la Figura 2. El mallado fue controlado, el cual indica con mayor precisión los valores de los resultados.

Los coeficientes de rozamiento estático y cinético de Aluminio sobre Acero son 0.61, k0.47

The tooling speeds of the binder and the punch are set at around 4.8 m/s and 1.2 m/s, respectively, compared to about 100 mm/s in a physical stamping process.

Figura III.5.- Representación del modelo de dimensiones l= 0.586194m a= 0.09m e=0.007650m

Para la solución por el MEF resuelto por el paquete ANSYS 10.0, se declaran, en la parte del

preprocesor, el tipo de análisis, el tipo de elemento finito a emplear, las propiedades mecánicas, que son las mismas que se emplearon en el análisis analítico, además de establecer las condiciones de carga y de frontera. Posteriormente se pasa a la etapa de Solution que es la parte

donde se resuelve el análisis y finalmente se entra a la etapa del Postprocesor que es donde se pide al programa que muestre los resultados deseados.

En la Figura 3.10 (a, b, c) se plotea el valor de los esfuerzos, que de acuerdo a la barra de colores tienen determinado valor de acuerdo con el valor que representan. En la Figura 3.10a se aplica presión en el área 15 de p=2266.68Pa

Figura III.6.- Ploteo del valor de esfuerzos aplicando presión.

Figura III.8.- Ploteo del valor de esfuerzos aplicando carga repartida.

Figura III.9.- Aplicación de cargas

Diseño y

desarrollo de una

prótesis Flex­Foot

Desarrollo

del prototipo

IV.1 Generalidades

Es importante recordar que ningún material o tipo de componente es el mejor para todos las personas. Cada individuo necesita ser evaluado cuidadosamente de acuerdo a su estilo de vida, expectativas y características físicas. Las prótesis han sido elaboradas con materiales tradicionales como la madera, acero y cuero así como los materiales aeroespaciales como el Titanio, plásticos y fibra de Carbón. La fibra de Carbón se utiliza para crear delgadas, ligeras y resistentes prótesis de respuesta dinámica. La desventaja de esta radica en el elevado precio de los materiales realizados en fibra de carbono debido a que la fibra es un polímero sintético que requiere un caro y largo proceso de producción. Este proceso se realiza a alta temperatura entre 1100 y 2500º C en atmósfera de hidrógeno durante semanas o incluso meses dependiendo de la calidad que se desee obtener ya que pueden realizarse procesos para mejorar algunas de sus características una vez se obtenida la fibra; y además el uso de materiales termoestables dificulta el proceso de creación de la pieza final, ya que se requiere de un complejo utillaje especializado, como el horno autoclave.

En este trabajo de tesis debido a las razones anteriores se seleccionó un material comercial más conveniente debido a su facilidad de manufactura y de llevar a cabo modificaciones en casos de ajuste y siendo el objetivo principal el costo de la prótesis se eligió Aluminio 6063-T5, cuya formabilidad y resistencia estructural son adecuados para la manufactura de la prótesis. Una solera de este material se sometió al proceso de doblado en frío para dar forma a la prótesis. IV.2 Manufactura de la prótesis

Existen diversos métodos para manufacturar la prótesis, entre ellos está fundición, doblez utilizando matriz y punzón y doblez utilizando dobladora. Cada uno de estos métodos implica una metodología, un tiempo de maquinado y un costo distinto. A continuación se hablará brevemente de cada uno de estos procesos con la finalidad de justificar el proceso empleado en esta tesis.

IV.2.1 Fundición

Se denomina fundición al proceso de fabricación de piezas, comúnmente metálicas que consistente en fundir un material e introducirlo en una cavidad, llamada molde, donde se solidifica.

El proceso tradicional es la fundición en arena, por ser ésta un material refractario muy abundante en la naturaleza y que, mezclada con arcilla, adquiere cohesión y moldeabilidad sin perder la permeabilidad que posibilita evacuar los gases del molde al tiempo que se vierte el metal fundido. IV.2.1.1 Diseño del modelo

El modelo es la pieza que se pretende reproducir, pero con algunas modificaciones derivadas de la naturaleza del proceso de fundición:

• Debe ser ligeramente más grande que la pieza final, ya que se debe tener en cuenta la contracción de la misma una vez se haya enfriado a temperatura ambiente. El porcentaje de reducción depende del material empleado para la fundición.

A esta dimensión se debe dar una sobremedida en los casos en el que se dé un proceso adicional de maquinado o acabado por arranque de viruta.

• Las superficies del modelo deberán respetar unos ángulos mínimos con la dirección de desmoldeo (la dirección en la que se extraerá el modelo), con objeto de no dañar el molde de arena durante su extracción. Este ángulo se denomina ángulo de salida. Se recomiendan ángulos entre 0.5º y 2º.

• Incluir todos los canales de alimentación y mazarotas necesarios para el llenado del molde con el metal fundido.

• Si es necesario incluirá portadas, que son prolongaciones que sirven para la colocación del macho.

Figura IV.1.- Colocación de caja para contener la arena y tratamiento para endurecer la arena

IV.2.1.2 Fabricación del modelo

En lo que atañe a los materiales empleados para la construcción del modelo, se puede emplear desde madera o plásticos como el uretano hasta metales como el aluminio o el hierro fundido. Usualmente se fabrican dos semimodelos correspondientes a sendas partes del molde que es necesario fabricar.

• Compactación de la arena alrededor del modelo.- Para ello primeramente se coloca cada semimodelo en una tabla, dando lugar a las llamadas tablas modelo, garantizando que posteriormente ambas partes del molde encajarán perfectamente.

• Colada.- Vertido del material fundido.

Figura IV.2.- Preparación modelo y retirada de las cajas

• Enfriamiento y solidificación.- Esta etapa es crítica de todo el proceso, ya que un enfriamiento excesivamente rápido puede provocar tensiones mecánicas en la pieza, e incluso la aparición de grietas, mientras que si es demasiado lento disminuye la productividad.

• Desmolde.- Rotura del molde y extracción de la pieza. En el desmolde también debe retirarse la arena del macho. Toda esta arena se recicla para la construcción de nuevos moldes.

Figura IV.3.- Temperatura del aluminio 715 grados y colado del aluminio

• Desbarbado.- Consiste en la eliminación de los conductos de alimentación, mazarota y rebabas procedentes de la junta de ambas caras del molde.

• Acabado y limpieza de los restos de arena adheridos.- Posteriormente la pieza puede requerir mecanizado, tratamiento térmico, etc.

IV.2.2 Doblez con punzón y matriz

El doblez con punzón y matriz es la operación de doblado más cara, debido a que usa un juego de punzón y matriz alineados y un control computarizado avanzado. La matriz produce dobleces muy precisos y se diseña de un bloque de acero para una aplicación particular. El punzón realiza movimientos verticales. Las fases de compresión comprenden la a) Alimentación, donde el punzón superior está en la parte más alta de su carrera, la matriz en la más baja y se coloca la materia prima; la b) Compresión, donde el punzón superior se desplaza hacia abajo, se introduce en la matriz y comprime la materia prima; y finalmente la c) Eyección, donde se retira el punzón.

Figura IV.4.- Punzón y matriz

IV.2.3 Doblez utilizando dobladora

El doblez de solera metálica sobre un plano, generalmente, es una operación barata que crea formas simples y le proporciona a la solera algo de rigidez y resistencia mecánica. Una dobladora manual puede realizar dobleces limitados y es una herramienta económica. Cuenta con varios dispositivos de radios para hacer una gran variedad de radios de doblez.

Figura IV.5.- Dobladora

El proceso de doblado de solera requiere de operadores con cierta habilidad, no siendo necesario que sean trabajadores altamente calificados. Además, el costo del equipo utilizado en esta manufactura es pequeño en comparación con los proyectos anteriores. El proceso de doblado utilizando dobladora se seleccionó debido a que se contaba con el equipo y no era necesario

fabricar aditamentos especiales, como la matriz o el molde para fundición. Sin embargo si la prótesis se fabricara a gran escala se estudiaría la factibilidad de las primeras dos opciones, tomando en cuenta la rapidez de manufactura, mejor acabado y precio.

Para la manufactura de la prótesis se propone la metodología siguiente:

Solera de Aluminio Medición Doblado Corte Barrenado Recocido Calibración del perfil Pulido Colocación suela Producto terminado

Figura IV.6.- Diagrama de flujo de la manufactura de la prótesis